ECC的材料組成與性能關(guān)系分析

2020-02-25 10:00:46邵永健李國建

硅酸鹽通報(bào) 2020年1期

孔燕，邵永健，杜亮，梁肖，李國建

(1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，蘇州 215011；2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，蘇州 215131)

0 引言

19世紀(jì)20年代起，混凝土開始廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域[1]，在眾所周知的取材容易、攪拌工藝成熟、可模性好、抗壓強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)背后，也存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差，開裂后裂縫難以控制等缺陷引發(fā)的安全隱患。因此，中國工程院院士吳中偉教授提出：“復(fù)合化是提高水泥基材料性能的主要途徑，纖維增強(qiáng)是核心”[2]。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土的不足，20世紀(jì)90年代初，Li等[3]研發(fā)的工程水泥基復(fù)合材料(ECC)應(yīng)運(yùn)而生。ECC大大提高了材料的抗拉強(qiáng)度，具有高韌性、高延性、高變形能力及耐動荷載性能，在拉伸(彎曲)荷載作用下亦能實(shí)現(xiàn)明顯的應(yīng)變-硬化特性。

研究表明，在一定范圍內(nèi)隨著粉煤灰摻量的增加，ECC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量會顯著降低，而降低水膠比則能提高ECC的抗壓強(qiáng)度與彈性模量[4]。

由于降低粉煤灰置換率和水膠比均能大幅度地提高ECC的強(qiáng)度，故控制粉煤灰摻量和水膠比在合理范圍內(nèi)、以及通過調(diào)整適當(dāng)?shù)睦w維體積摻量可以大幅度提高ECC的壓縮強(qiáng)度，且能保證ECC的破壞模式表現(xiàn)為韌性，同時(shí)保持其優(yōu)異的抗拉性能和彎曲性能。

雖然目前ECC的配合比試驗(yàn)已經(jīng)日趨成熟，但仍然缺乏對各種纖維體積摻量、水膠比和粉煤灰置換率力學(xué)性能演變的系統(tǒng)和定量分析。故本文通過設(shè)計(jì)10組ECC配合比，基于灰色關(guān)聯(lián)分析，研究粉煤灰質(zhì)量置換率、水膠比、纖維體積摻量(其中增加一組砂漿基體對照)對ECC強(qiáng)度和彈性模量變化的影響規(guī)律，通過采用美國ASTM-C1018和德國DBV兩種評價(jià)方法中的韌性指標(biāo)來量化ECC的彎曲韌性。目的是揭示ECC的最佳力學(xué)性能配比，有助于ECC的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料、配合比及試樣制備

普通硅酸鹽水泥，P·O 52.5；粉煤灰，Ι級，其48 μm方孔篩的篩余率小于5%；細(xì)骨料為石英砂，粒徑在100～150目；采用極限拉伸強(qiáng)度不小于1620 MPa的K-ⅡREC15型PVA纖維；外加劑為聚羧酸高效減水劑(HRWR)和粉末狀纖維素醚增稠劑(VMA)；普通自來水。

10組配合比中，PVA體積摻量為1.0%，1.5%，2.0%，相當(dāng)于13.0 kg/m3，19.5 kg/m3，26.0 kg/m3，其中一組砂漿對照纖維摻量為0%。粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為0.4，1.2，2.6，4.0，折合置換率為28.57%，54.55%，72.22%，80.00%。水膠比為0.27，0.30，0.33，0.36四個(gè)水平。本文命名法，例如，E1-0.4-0.33-2.0代表ECC的粉煤灰質(zhì)量比為0.4，水膠比為0.33，PVA體積率2.0%。所有試件在澆筑24 h后脫模，送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

擬通過灰色關(guān)聯(lián)分析，將灰色體系中各因子(粉煤灰比重、水膠比、纖維摻量)之間，因子對主行為(強(qiáng)度、彈模)之間的不確定關(guān)聯(lián)經(jīng)過量化分析后逐漸白化，基于行為因子序列的幾何接近趨勢可區(qū)分灰色系統(tǒng)中多因素關(guān)聯(lián)的緊密程度，以此來確定出因子間的相互影響或?qū)χ餍袨榈呢暙I(xiàn)測度[5]。

1.3 強(qiáng)度和彈性模量

測試28 d不同配比ECC的壓縮強(qiáng)度(立方體和棱柱體)、靜態(tài)彈性模量，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。試塊成型與試驗(yàn)具體參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]、《纖維混凝土試驗(yàn)方法》[7]和《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[8]。其中，在尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體上測試壓縮強(qiáng)度，在尺寸為100 mm×100 mm×300 mm棱柱體上進(jìn)行軸心抗壓和彈性模量試驗(yàn)，在尺寸為80 mm×30 mm×13 mm啞鈴型試件上測試?yán)鞆?qiáng)度，在尺寸為400 mm×100 mm×15 mm的薄板上測試彎曲強(qiáng)度。考慮到ECC材料的不均質(zhì)性和離散性，每組至少制作3個(gè)試件，試驗(yàn)加載裝置見圖1。

圖1 ECC試驗(yàn)加載裝置
Fig.1 Test loading device of ECC

1.4 彎曲韌性評價(jià)

1.4.1 美國材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(ASTM-C1018—98)

該方法提出了第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)彎曲韌性的測試方法。試驗(yàn)在100 kN-CSS電子萬能試驗(yàn)機(jī)上以0.5 mm/min的位移控制速率進(jìn)行薄板四點(diǎn)加載。記錄加載期間中間純彎段的荷載-撓度曲線(即p-δ曲線)，依據(jù)ASTM-C1018評價(jià)方法可計(jì)算韌性指標(biāo)I和殘余強(qiáng)度指標(biāo)R，可衡量ECC的韌性和能量吸收能力[9]。計(jì)算簡圖見圖2，計(jì)算算式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

R5,10=20(I10-I5)

(5)

R10,20=10(I20-I10)

(6)

R20,30=5(I30-I20)

(7)

其中：韌性指標(biāo)I5，I10，I20，I30對應(yīng)圖中撓度為3.0δ，5.5δ，10.5δ，15.5δ處曲線包圍面積與δ處曲線包圍面積之比；R5,10，R10,20，R20,30為殘余強(qiáng)度指標(biāo)，R值越大代表材料的塑性性能相對也越大。圖2中δ為第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)的撓度，在ECC材料的荷載-撓度曲線上反應(yīng)為曲線第一次發(fā)生陡降處。

圖2 韌性指標(biāo)計(jì)算示意圖(ASTM-C1018)
Fig.2 Schematic diagram of toughness index calculation(ASTM-C1018)

圖3 韌性指標(biāo)計(jì)算示意圖(DBV)
Fig.3 Schematic diagram of toughness index calculation(DBV)

1.4.2 德國纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)(DBV—1998)

該方法采用等效抗彎強(qiáng)度(feq,n)和變形能(Dn)的概念來表述纖維混凝土的韌性及能量吸收能力[9]。采用位移控制，加載速率0.5 mm/min。計(jì)算簡圖見圖3，計(jì)算算式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)有立方體抗壓強(qiáng)度fcu、軸心抗壓強(qiáng)度fc、彈性模量Ec、極限拉伸強(qiáng)度σtu，極限拉應(yīng)變εtu和薄板抗彎強(qiáng)度fw，整理匯總于表1。

表1 ECC力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 1 Experimental results of ECC mechanical properties

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

依次設(shè)定極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、薄板抗彎強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量為母序列，粉煤灰摻量、水膠比、PVA纖維體積摻量為子序列，經(jīng)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后代入關(guān)聯(lián)公式計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，得到關(guān)聯(lián)矩陣如下：

灰色關(guān)聯(lián)分析可應(yīng)用于優(yōu)勢分析，而關(guān)聯(lián)度矩陣可以作為優(yōu)勢分析的基礎(chǔ)，通過優(yōu)勢分析尋找最優(yōu)特征和最優(yōu)因素。例如某一列的各個(gè)元素都大于其他列與此對應(yīng)的各個(gè)元素，則此列的因素為最優(yōu)因素。

由關(guān)聯(lián)度矩陣和表2可以看出，在反映ECC拉伸的性能指標(biāo)(σtu/εtu/fw)中，PVA纖維體積摻量為主要影響因素，順次為粉煤灰比重、水膠比，就極限抗拉強(qiáng)度而言，三個(gè)子因素序列的關(guān)聯(lián)度分別為：3.166>0.7261>0.4548。在反映ECC壓縮的性能指標(biāo)(fcu/fc/Ec)中，水膠比為優(yōu)勢因素，順次為粉煤灰比重、PVA纖維體積摻量，就立方體抗壓強(qiáng)度而言，關(guān)聯(lián)度分別為：1.5833>0.3222>-0.1013。

表2 反映拉伸、壓縮的性能指標(biāo)的影響順序及關(guān)聯(lián)度Table 2 Influence sequence and correlation degree of performance indexes reflecting stretching and compression

關(guān)聯(lián)度不僅可以反映各因素對主行為的貢獻(xiàn)測度，還能由正負(fù)相關(guān)性具體反映是增進(jìn)還是削弱作用。由關(guān)聯(lián)矩陣可以看出，水膠比對極限拉應(yīng)變和彈性模量作用表現(xiàn)削弱，隨著PVA纖維體積摻量的增加會降低壓縮強(qiáng)度和彈性模量。實(shí)際上，水膠比越大，ECC基體的用水量增大，和易性得到改善的同時(shí)減小了PVA纖維與基體之間的摩擦粘結(jié)，纖維的橋接作用未能充分發(fā)揮，從而影響了ECC的極限拉應(yīng)變的提升；待水泥水化后原來水所占的體積變成空隙，密實(shí)性變差，內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致ECC抗壓韌性減弱，同時(shí)也降低了彈性模量。PVA纖維摻量對ECC強(qiáng)度的影響是辯證的，一方面由于纖維的橋接作用可以顯著提升ECC的抗拉強(qiáng)度，另一方面纖維的摻入也會引入過多的初始缺陷從而降低ECC材料的均質(zhì)性和密實(shí)性，韌性效果減弱，影響抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

2.3 強(qiáng)度和彈性模量

由表2和圖4可以看出，ECC的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度受PVA纖維體積摻量的絕對主控，隨著纖維體積摻量從0%增加到2%的過程中，對抗壓強(qiáng)度的提高影響甚微，而極限抗拉強(qiáng)度分別提高了13.16%，51.32%，140.13%。抗壓強(qiáng)度主要受水膠比控制，且依賴于粉煤灰和PVA纖維的最佳組合，例如E8-1.2-0.33-1.5的抗壓強(qiáng)度高于E3-2.6-0.33-2和E4-4-0.33-2。這是因?yàn)榉勖夯也糠执嫠嗪罂梢越档虴CC的水化熱，且粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)能夠起到很好的致密和均質(zhì)作用，但是粉煤灰用量越多，早期強(qiáng)度越低，隨著置換率的不斷增加，ECC抗壓強(qiáng)度降低；PVA纖維的僑聯(lián)作用可以提供部分受壓時(shí)的橫向約束，但是PVA纖維摻量的增加也不可避免地會因?yàn)榉稚⒉痪氲膬?nèi)部缺陷導(dǎo)致增韌效果降低。雖然添加纖維，減小水膠比和合理地用粉煤灰置換水泥可以提高ECC的彈性模量，但仍然比普通混凝土小很多，這是因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ康陌l(fā)

圖4 不同組分摻量的拉伸、彎曲、壓縮強(qiáng)度和彈模
Fig.4 Strength of tensile， flexural， compressive and elastic modulus of different component contents

展主要依賴于粗骨料含量，ECC可以通過調(diào)整的水膠比和粉煤灰置換率的最佳組合獲得具有足夠強(qiáng)度的高韌性水泥基復(fù)合材料，這跟灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)勢分析結(jié)果基本一致。

由以上灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)勢分析及強(qiáng)度與彈性模量的數(shù)據(jù)分析可得，若要制備兼具較高壓縮性能及拉伸性能的ECC，推薦的最佳配合比為：粉煤灰比重1.2，水膠比0.30～0.33，PVA纖維體積摻量2.0%。

2.4 彎曲韌性評價(jià)

2.4.1p-δ曲線及分析

圖5是無缺口ECC薄板的代表性p-δ曲線圖，其大致分為三個(gè)階段：第一條裂紋前的彈性階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段。由粉煤灰摻量不同對照組可以看出，在粉煤灰比重為1.2時(shí)應(yīng)變軟化段下降緩慢，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性效果，且彈性模量最高(彈性階段的曲線斜率)，繼續(xù)增大粉煤灰置換率有利于多裂縫的開展，但對軟化段幾乎沒有影響。較小的水膠比能獲得較大的彈性模量，但是軟化段的延性不如0.33時(shí)的理想。增加PVA 纖維摻量可以提高第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)的初裂強(qiáng)度和應(yīng)變硬化效果，且具有一定的殘余變形量，呈現(xiàn)良好的韌性，在PVA纖維摻量小于1%時(shí)，達(dá)到峰值荷載后曲線發(fā)生陡降，呈現(xiàn)明顯脆性。總體來說，彈性階段主要受水膠比控制，而應(yīng)變硬化和軟化段則由粉煤灰和PVA摻量共同控制，合理的粉煤灰摻量能減小PVA纖維直接與基體的水化產(chǎn)物的接觸，從而降低因?yàn)槭芑w削刮作用而產(chǎn)生的過高的滑移硬化效應(yīng)。在第一條裂縫產(chǎn)生后，嵌入基體裂縫處的PVA纖維的橋接錨固效應(yīng)仍起到主導(dǎo)作用。這與上述優(yōu)勢分析的結(jié)果一致。

圖5 薄板四點(diǎn)彎曲的荷載-撓度曲線
Fig.5 Load-deflection curves of four-point bending of thin plates

2.4.2 ASTM-C1018韌度指數(shù)法

根據(jù)ASTM-C1018可知，當(dāng)韌性指數(shù)I5，I10，I20和I30值超過5、10、20和30時(shí)，殘余強(qiáng)度系數(shù)值R5,10，R10,20達(dá)到100及以上時(shí)，則該材料可被視為完美的塑性材料，而由表3顯示幾乎所有纖維摻量為2%的ECC的I5，I10，I20和I30值均超過5、10、20和30，且R5,10，R10,20甚至R20,30值均超過100，這意味著ECC材料具有很大的可塑性。

表3 ASTM-C1018韌度指數(shù)法計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of toughness characteristics in ASTM-C1018

注：表中“-”表示該組薄板跨中撓度未達(dá)到相應(yīng)開裂撓度的倍數(shù)，該數(shù)值不存在。

由表3可以明顯地看出，隨著PVA纖維體積摻量(1.0%→2.0%)的增加，ECC的韌性指數(shù)先增大后減小，在1.5%的摻量時(shí)達(dá)到最大；隨著粉煤灰質(zhì)量比(0.4→4)的增加，韌性指數(shù)先減小后增大，在質(zhì)量比為2.6時(shí)達(dá)到最大，這意味著纖維摻量和粉煤灰置換率對薄板抗彎韌性具有組合效應(yīng)；增大水膠比(0.27→0.36)，無論是韌性指數(shù)還是殘余強(qiáng)度系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，說明在保證ECC性能的同時(shí)盡量降低水膠比有利于提高其抗彎韌性。

纖維摻量在1.5%時(shí)，I5和I10值雖然較2%分別提高了7.64%和13.02%，但是抗彎強(qiáng)度卻下降了57.5%，纖維摻量大不可避免的會導(dǎo)致纖維分散不均的問題，低纖維摻量對抗彎韌性的提升效果不明顯。粉煤灰質(zhì)量比為2.6時(shí)，I5，I10和I20值較質(zhì)量比為1.2時(shí)分別提高了1.81%，20.41%和12.14%，但是抗彎強(qiáng)度卻降低了50%，增加粉煤灰的置換率不會影響韌性指數(shù)，但是會增加第一條裂縫產(chǎn)生時(shí)的變形，即降低剛度。故由綜合分析法可得，當(dāng)纖維摻量為1.5%，粉煤灰質(zhì)量比1.2(置換率為72.22%)時(shí)，彎曲韌性及彎曲強(qiáng)度效果最佳。

2.4.3 德國纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)DBV法