養護齡期對大摻量粉煤灰UHTCC力學性能和變形能力影響試驗研究

張文帥，馬倩敏，郭榮鑫，顏 峰，付朝書，彭玉清

(昆明理工大學建筑工程學院，云南省土木工程防災重點實驗室，昆明 650500)

0 引 言

混凝土作為傳統的土木工程材料具有原材料容易獲取，加工制作方便和抗壓強度高等優點，成為了建筑行業中使用最為廣泛的土木工程材料之一[1]。但混凝土脆性大、抗開裂性能差、抗拉強度低，這些缺點容易引起混凝土開裂從而造成混凝土保護層剝落，加速鋼筋銹蝕，從而影響建筑工程的耐久性，降低工程的壽命[2]。超高韌性纖維增強水泥基復合材料(UHTCC)具有延性好、抗拉強度高、裂縫控制能力強等特點，能夠有效抑制混凝土裂縫的產生與發展[3-4]。

UHTCC中摻入粉煤灰可以改善基體的微觀結構，提高復合材料的變形能力和基體斷裂韌度[5]。因此UHTCC制備時往往摻加大量的粉煤灰，但是大量粉煤灰的摻入可能會帶來UHTCC早期強度低的問題[6-8]。因此本文從宏觀性能和微觀結構角度就養護齡期對大摻量粉煤灰UHTCC的抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度等基本力學性能，變形能力，裂紋發展以及材料破壞形態的影響展開了研究。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

本實驗采用昆明華新水泥(紅河)有限公司生產的P·O 42.5水泥制備UHTCC。所摻加的粉煤灰采用宣威電廠的Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰的密度為1.9 g/cm3，比表面積為4 500 cm2/g。

圖1 粉煤灰的XRD譜
Fig.1 XRD pattern of fly ash

圖2 粉煤灰的SEM照片
Fig.2 SEM image of fly ash

圖3 石英砂粒徑分布圖Fig.3 Grain size distribution of quartz sand

水泥和粉煤灰的主要化學組成見表1。粉煤灰的XRD譜和SEM照片分別見圖1和圖2。骨料使用優質石英砂(其中SiO2≥90%)，粒徑主要分布在20～200 μm，石英砂的粒徑分布圖見圖3。纖維采用日本可樂麗公司生產的PVA纖維，其物理參數見表2。拌合用水采用的是自來水。為提高纖維與基體間的粘結強度，采用羥丙基甲基纖維素作為增稠劑。減水劑采用西卡(中國)有限公司生產的聚羧酸類減水劑，減水率為30%。UHTCC的配合比見表3，水膠比為0.26，纖維體積摻量為1.7%。

表1 粉煤灰和水泥主要化學組成Table 1 Main chemical composition of fly ash and cement /wt%

表2 PVA纖維的物理性能參數Table 2 Physical performance parameters of PVA fibers

表3 UHTCC配合比Table 3 Mix proportion of UHTCC /(g/L)

1.2 試件制備

先將水泥、粉煤灰、石英砂混合干拌2～3 min，然后將減水劑在水中混合均勻后分3次加入到拌合物中，繼續攪拌3 min直到拌合物具有良好的流動度，再將PVA纖維分3次均勻加入到拌合物中，待纖維全部加入后繼續攪拌4 min以保證纖維分散均勻。

成型50 mm×50 mm×50 mm的立方體試件、400 mm×100 mm×15 mm的薄板試件、330 mm×60 mm×15 mm的狗骨型試件，分別用于抗壓強度、四點彎曲和直接拉伸測試。拌合物入模振搗密實后覆膜養護24 h，試件拆模后放入標準養護室養護至規定齡期。

1.3 實驗設備與方法

試件養護至相應齡期后從養護室內取出擦干表面水分。立方體抗壓實驗采用YES-300型電液壓式壓力實驗機以0.8 kN/s加載速率控制加載。薄板四點彎曲實驗跨度為300 mm，使用UTM-30萬能材料實驗機進行位移加載，位移加載速率為0.2 mm/min，跨中撓度通過LVDT傳感器進行測量，加載過程中通過計算機自動采集荷載和跨中撓度，當薄板底部出現貫穿裂紋時停止加載。直接拉伸實驗同樣采用UTM-30萬能材料實驗機進行位移加載，位移加載速率為0.1 mm/min，標距段的伸長量用LVDT傳感器進行測量；在直接拉伸實驗過程中，采用DIC系統對試件標距段的開裂過程進行采集，裂紋采集區域為圖4中的標距段。

圖4 狗骨型試件示意圖
Fig.4 Schematic diagram of dog bone specimen

2 結果與討論

2.1 立方體抗壓性能

2.1.1 立方體抗壓實驗現象及破壞形態

普通水泥混凝土受壓時產生的裂縫通常為“八字”形[9]，在加載到極限荷載時試件中部外鼓剝落，試件失效，屬于脆性破壞。實驗中，當加載到極限荷載的50%左右時，UHTCC立方體試件中部開始出現細微的豎向裂紋。隨著荷載的增大，裂紋向兩端延伸然后斜向發展。加載到極限荷載時，部分裂紋貫穿試件，試件承載力下降繼而失效。與普通水泥混凝土相比，由于纖維的阻裂作用[10]，UHTCC試件在受壓破壞后裂紋較細，無明顯外鼓以及剝落現象，試件的完整度較好。

圖5 立方體抗壓強度Fig.5 Cube compressive strength

2.1.2 立方體抗壓強度

UHTCC立方體抗壓強度見圖5。圖中的強度值為3個試件的平均值。從圖中可以看出UHTCC試件28 d的抗壓強度較7 d時增長了48.8%。由于粉煤灰火山灰效應發揮滯后[11]，28 d后試件的強度仍有明顯增長，56 d時的強度值較28 d時增長了25.9%。之后強度基本保持恒定。

2.2 薄板四點彎曲性能

2.2.1 破壞形態和荷載-撓度曲線

圖6為UHTCC薄板試件在不同齡期條件下的荷載-撓度曲線，從圖中可以看出，隨著養護齡期的增長，試件所能承受的初始開裂荷載也相應的增加。之后，各齡期試件均表現出不同程度的應變硬化現象。養護齡期較短時(如7 d和28 d)，試件極限彎曲荷載較小而對應的跨中撓度較大。由于粉煤灰火山灰效應發揮滯后，此時基體的開裂應力較低，纖維的橋接作用大于基體的開裂應力。試件表面雖然產生了許多裂縫，但裂縫并沒有貫穿整個試件，跨中撓度較大。但試件所能承受的極限彎曲荷載仍主要由基體強度決定，所以此時極限彎曲荷載較小。隨著養護齡期延長至56 d和90 d，基體開裂應力隨之增大，纖維的橋聯作用小于基體開裂應力，所以試件的跨中撓度較小。在基體和纖維的共同作用下，試件所能承受的極限彎曲荷載較高。綜上，隨著養護齡期的增長，UHTCC試件所能承受的初裂荷載和極限荷載隨之增大，但是材料的延性卻在下降。

圖6 荷載-撓度曲線
Fig.6 Load-deflection curves

2.2.2 薄板四點彎曲強度

圖7 試件彎曲初裂強度和極限強度Fig.7 Bending initial crack strength and bending ultimate strength of specimens

圖7是UHTCC薄板試件四點彎曲初裂強度和極限強度。圖中的數值為3個試件的平均值。UHTCC試件彎曲初裂強度和極限強度隨著齡期的發展規律與立方體抗壓強度類似，56 d前強度隨著齡期增長明顯，之后基本恒定不變。UHTCC彎曲初裂強度主要由基體強度決定，極限強度則是基體和纖維共同作用的結果。

2.3 直接拉伸性能

2.3.1 直接拉伸強度與應力-應變曲線

圖8所示為UHTCC狗骨試件在不同齡期時的拉伸應力-應變曲線。表4給出了試件在不同齡期時的拉伸初裂強度和極限抗拉強度，以及與之相對應的應變。從表4可以看出，UHTCC試件拉伸初裂強度基本隨著齡期增長而增大。與彎曲性能類似，UHTCC試件拉伸初裂強度主要由基體強度決定，而大量粉煤灰的摻入使得試件基體強度發展較為滯后。早期大量粉煤灰還未參與水化反應，基體結構疏松，纖維與基體的粘結作用較弱，纖維易于被拔出而不斷裂。纖維在逐漸拔出的過程中賦予了試件較大的變形能力，使得試件具有較大的極限拉應變。后期粉煤灰逐漸與水泥水化生成的Ca(OH)2及高Ca/Si的C-S-H凝膠發生二次水化反應，大量生成低Ca/Si的C-S-H凝膠。使纖維與基體界面過度區更加致密，由此增大纖維與基體的粘結強度[12-15]，纖維在拉伸過程中易斷裂而造成試件極限拉應變下降。雖然試件在56 d和90 d時的極限拉應變較28 d時大幅下降，但仍有2%左右，表現出較好的應變硬化行為。

圖8 UHTCC拉伸應力-應變曲線
Fig.8 Tensile stress-strain curves of UHTCC

表4 抗拉強度及應變
Table 4 Tensile strength and strain

Age/dσfc/MPaεfc/%σtu/MPaεtu/%72.76±0.140.06±0.054.08±0.226.43±0.49282.72±0.130.08±0.024.77±0.265.60±0.09564.19±0.070.04±0.015.08±0.261.98±0.10903.88±0.260.07±0.025.28±0.142.04±0.08

Note:σfcis the initial crack strength;εfcis the corresponding strain to the initial crack strength;σtuis the ultimate tensile strength;εtuis the ultimate tensile strain.

2.3.2 開裂情況

多縫開裂和優異的裂縫控制能力是UHTCC相比普通水泥混凝土和砂漿最重要的優勢[16]。圖9為UHTCC狗骨試件在直接拉伸實驗過程中采用DIC系統所拍攝的照片，由于裂紋細而密集很難分辨，經VIC-2D軟件分析標距段內的位移場得到裂紋詳圖，其中養護齡期為90 d時由于架設DIC系統的時候出現問題所以用未經處理的原圖代替。由圖9可以看出，7 d和28 d時裂紋較窄且密集；隨著齡期的增加，到56 d時裂紋寬度變化不大，但數量大幅減少；到90 d時裂紋的數量和56 d時相差無幾。齡期較短時試件基體強度較低，纖維的橋接能力大于基體的開裂強度，纖維的橋接作用得到充分發揮，所以試驗過程中產生的裂紋細而密，試件極限拉應變較大(見表4)。隨著齡期增長基體強度增加，纖維與基體的粘結強度增大，纖維易被拉斷致使其橋接作用減弱，故而裂縫的數量有所下降，試件極限拉應變降低(見表4)。

圖9 不同齡期試件的裂紋詳圖
Fig.9 Crack details of specimens at different ages

2.3.3 PVA纖維形貌

圖10為UHTCC試件拉伸實驗后，試件斷口處的纖維形貌圖。養護齡期為7 d時，纖維是從基體中拔出，在拔出的過程中纖維表面幾乎沒有損傷，相對完整。此時基體內大量摻入的粉煤灰還未開始反應，未水化的粉煤灰玻璃微珠顆粒在基體中對纖維起到潤滑作用[17]，削弱了纖維與基體之間的粘結力，使得纖維易于從基體中拔出。在纖維拔出過程中，試件產生了大量細而密集的裂紋，同時對試件的極限拉應變帶來較大貢獻。28 d時，隨著粉煤灰逐漸開始反應，纖維與基體間的粘結力增大，纖維在拔出的過程中已經開始出現刮削現象。UHTCC試件的極限拉應變也相應地有所降低。56 d及之后，隨著水化反應進一步進行，纖維與基體間的粘結作用進一步增強，纖維難以從基體中拔出而開始出現頸縮斷裂或直接斷裂現象。相對應的，試件的極限拉應變較早期有所降低。

圖10 斷口處的纖維形貌圖
Fig.10 Fiber morphology of fracture

3 結 論

(1)在UHTCC中摻入大量粉煤灰可以提高材料的應變硬化和多縫開裂能力，但由于粉煤火山灰效應發揮滯后，降低了UHTCC在養護初期的強度。

(2)UHTCC的抗壓強度、薄板四點彎曲強度和抗拉強度隨著養護齡期的增長得到提高，達56 d后，各項強度趨于穩定。

(3)隨著養護齡期的增長，纖維與基體的粘結強度增大，纖維對材料的變形能力的貢獻小，從而降低了UHTCC應變硬化和多縫開裂的能力。