PVA纖維及尾礦砂摻量對GTCC自愈合性能影響*

鮑文博，王懷成，王東旭

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

水泥基復合材料是應用最為廣泛、用量最大的建筑材料之一.但水泥基復合材料也有其自身的缺點，其脆性較大、韌性較差，收縮變形大及抗裂能力低，導致水泥基結構在實際工程應用中，即使受到不大的拉應力作用，也會產生開裂的現象，這就會影響到材料的力學性能、結構的耐久性和可靠性.因此，如何及時有效地解決水泥基材料抗裂及裂縫修復問題，已成為工程界和學術界十分關注的研究熱點.關于裂縫的修復，主要分為人工修復和自修復.裂縫產生后，人工修復無法修復結構內部的裂縫，只能修復表面，無法長期保證對材料的修復效果.自修復是指靠材料自身的性質來使裂縫減小乃至完全愈合，與人工修復相比，其可以使修復作用滲透到材料的內部，從而保護材料的力學性能和耐久性，并且自修復具有費用低，不需要人為預先干預等特點，但也有受到裂縫寬度和環境等因素的限制等缺陷.水泥基材料自修復即自愈合現象的發現，為解決水泥基復合材料的抗裂問題提供了新觀點、新思路，對水泥基復合材料自愈合性能的研究有助于解決實際工程中的水泥基抗裂問題.

早在1836年便有學者發現了混凝土微小裂縫的愈和現象[1].1925年，學者Abram首先發現混凝土的自愈合現象，放置在戶外的抗拉開裂試件8年后愈合了，并且強度較之前提高約2倍多.自此學者們對水泥基復合材料的研究才逐漸開展起來.自沈陽工業大學新型建材研究團隊成立以來，從高性能、節約資源的角度出發，致力于高性能、綠色環保的水泥基復合材料的研究，用工業廢料尾礦砂大比例替代水泥基復合材料中的細骨料，并使用大比例的粉煤灰來替代水泥，研制出了綠色韌性水泥基復合材料GTCC.到目前為止，國內外對普通混凝土的自愈合研究較多[2-4]，但對具有綠色環保意義的水泥基復合材料[5]自愈合性能的研究還不夠充分，本文試驗是在該綠色韌性水泥基復合材料已完成的力學性能研究基礎上[6]，對材料的兩種組份，即不同尾礦砂和PVA纖維摻量對自愈合性能的影響進行研究分析，為其在今后實際工程中對抗裂及裂縫修復等問題提供科學依據且具有重要意義.

1 試驗方案

在保證不影響材料基本力學性能，并在對尾礦砂替代率有一定研究的前提下[7]，試驗共設計9組配比，其中PVA纖維的體積摻量分別為0、1.5%和2%三種，尾礦砂替代天然砂的比率分別為0、25%和50%，參考《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13：2009)[8]設計配合比.表1為試驗方案配合比.

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

1.1 材料

試驗采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，細骨料采用粒徑范圍在0.150～0.315 mm的尾礦砂及天然砂，PVA纖維長度為12 mm，粉煤灰采用電廠Ⅱ級粉煤灰.添加1%摻量的減水劑及0.13%增稠劑，以保證PVA纖維在攪拌過程中具有良好的分散性.

1.2 試件制備及試驗方法

參考國內外纖維混凝土相關文獻中的試驗設計，為使試驗結果能夠與已有自愈合研究的成果做對比，本文試驗試件采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊.按照表1配合比制備水泥基試件，成型出模后，標準養護28 d，測其抗壓強度.

根據每組試件的抗壓強度對其余試件進行預制裂紋處理.預制裂縫是指將試件放到壓力機的試驗臺上，平穩緩慢地加載(速率為0.5～1 kN/s)，當壓力機讀數為該組試件極限抗壓強度的85%時停止加載，持荷3～5 min，此時試件表面有肉眼可見的微小裂縫，說明試件出現了損傷，并且試件仍然可以保持完整，取其一組放置12 h后，測其破損后剩余強度.將上述經過預制裂縫處理的試件和對比組(未經過預制裂縫處理)繼續進行標準養護，分別養護至60、120 d(以預制裂縫完成后的時間開始計算)，再次測其抗壓強度，計算其強度恢復率和強度增長率，該計算強度恢復率和強度增長率的方法稱之為強度恢復法.每組配比自愈合強度恢復試驗方法如表2所示.

表2 試驗方法Tab.2 Experimental methods

表2中，每種配比保證至少有6組有效試件，每組3個；預制裂縫時的齡期為28 d；預制裂縫(PPC)是指加載到極限抗壓強度的80%時停止加載，完成制備，最大荷載=0.8×極限抗壓強度；破損后剩余強度(fr)是指預制裂縫后放置12 h，以相同加載方向加載，測得的抗壓強度；自愈合養護齡期為60、120 d(從部分破損后養護起計算)；fpr60、fpr120為自愈合養護后恢復強度(分別對應經過預制裂縫養護處理，再經過自愈合養護至60、120 d的強度)；f28、f88、f148為材料強度(分別對應28、88、148 d齡期的試件立方體抗壓強度)；KⅠ、KⅡ分別為自愈合養護齡期到60、120 d時的強度與對應齡期未破損試件的強度比值，即強度恢復率；SⅠ、SⅡ分別為以自愈合養護齡期60 d為一個階段，前后兩個階段的強度增長程度，即強度增長率.

2 試驗結果與分析

2.1 尾礦砂替代率對GTCC自愈合性能影響

圖1為尾礦砂替代率對GTCC自愈合性能的影響.圖1中橫坐標表示在纖維摻量一定的情況下(纖維體積摻量分別為0、1.5%、2%)，尾礦砂的替代比率，縱坐標為強度恢復率.

試驗結果表明，隨著尾礦砂替代率的提高，GTCC的強度恢復率也隨之提高.三種不同尾礦砂配比試件中，摻加了尾礦砂的試件強度均能夠恢復至未經過預制裂縫處理試件的極限抗壓強度，甚至更高.其中，替代率為1/2的試件強度恢復率最高，能夠恢復至對比組試件抗壓強度的1.0～1.08倍.在合理配合比以保證尾礦砂替代天然砂后材料力學性能穩定的情況下，用部分尾礦砂替代天然砂可以提高GTCC的自愈合能力.當替代率為1/2時，材料的強度恢復率最好.對比圖1的曲線趨勢可知，尾礦砂替代率的提高在自愈合養護后期，對強度恢復率的影響較小.

圖1 強度恢復率尾礦砂摻量曲線Fig.1 Relationship between strength recovery rate and tailings sand content

使用尾礦砂能夠提高GTCC自愈合性能的主要原因是：在機械破碎形成的尾礦砂內部存在大量微裂縫，在制備材料時，能夠吸收部分水分，在自愈合養護期間，裂縫內部水分起到內部養護的同時也可參與到自愈合過程中，并且由于尾礦砂本身顆粒粗糙、形狀多棱角、其內部摩擦力大，在合理配合比前提下，材料強度可有所提高[9]，該性質也可使得愈合后的材料強度得以提高.因此，尾礦砂在GTCC中部分替代天然砂可以提高水泥基材料的自愈合性能.

2.2 PVA纖維摻量對GTCC自愈合性能影響

圖2為PVA纖維摻量對GTCC自愈合性能的影響.圖2中橫坐標表示在尾礦砂替代比率一定的情況下(尾礦砂替代率分別為0、1/4、1/2)，PVA纖維的體積摻量，縱坐標為強度恢復率.

試驗結果表明，使用纖維可以很大程度地提高GTCC的自愈合性能，但纖維的摻量也不宜過高.在3個不同纖維體積摻量配比中，纖維體積摻量為1.5%的強度恢復率最高，系數大小在1.03～1.08之間.當尾礦砂替代率為1/2、纖維體積摻量為1.5%時，試件的強度恢復率達到了約1.08，即在預制裂縫并養護一段時間后，其立方體抗壓強度比未經過預制裂縫處理試件的強度有所提高.但纖維體積摻量繼續增加后，其強度恢復率有所降低，且抗壓強度較1.5%纖維摻量試件的強度低.在GTCC中使用纖維能顯著提高水泥基抗裂縫的產生和擴展能力，這與已有自愈合研究的相關文獻結果一致[10].

圖2 強度恢復率-PVA纖維體積摻量曲線Fig.2 Relationship between strength recovery rate and volume fraction of PVA fiber

使用纖維能夠提高GTCC自愈合性能的主要原因是：當裂縫產生時，未斷裂且連接兩裂縫面的纖維可以起到抗拉和阻裂的作用，并能夠消除裂縫尖端的應力集中，纖維拉力及水化產物填補裂縫的共同作用使得在接下來的養護時間里，材料的裂縫得以愈合，強度得以提高甚至恢復至比未損傷的試件強度還高.

2.3 齡期對GTCC自愈合性能影響

圖3為齡期對GTCC自愈合性能的影響.圖3中橫坐標表示不同配比的試件編號，縱坐標為強度增長率.

圖3 強度增長率Fig.3 Strength increasing rates

對比自愈合養護齡期前60 d與后60 d強度增長率可以發現，前60 d養護階段的強度增長率明顯高于后60 d養護階段時的強度增長率.這主要是因為在自愈合養護初期，水化產物生成快并逐漸在裂縫斷面堆積，阻礙進一步的水化反應，并且養護后期能夠發生水化反應的物質也較初期少，從而導致自愈合系數隨著齡期的增長而減緩.

3 結 論

本文通過對不同尾礦砂替代率及纖維體積摻量的GTCC應用強度恢復法進行分析，對得出的強度恢復系數進行分析，得出以下結論：

1) 在合理配比情況下，用尾礦砂部分替代天然砂可以增加GTCC的自愈合性能.替代率為天然砂1/2時，可以在保證各項力學性能的同時，提升GTCC的自愈合能力.

2) GTCC中纖維的使用可以顯著提高材料的自愈合性能，但其體積摻量不宜超過2%，當纖維摻量約為1.5%時，經過養護后的損傷試件立方體抗壓強度可以恢復至原強度，甚至高于原強度，自愈合性能表現最好.

3) 在裂縫產生并進行自愈合養護的前期，材料的自愈合能力較強，能夠很快地恢復甚至超過其極限抗壓強度.材料自愈合強度恢復能力會隨著養護齡期的增長而減緩.