PVA-FRCC收縮性能試驗研究

王玉清， 劉 瀟， 劉曙光

(1.內蒙古工業大學 土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學 礦業學院， 內蒙古 呼和浩特 010051)

聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(PVA-FRCC)是在水泥基材料(無粗骨料)中加入PVA纖維形成的復合材料，具有良好的抗裂、抗滲、抗沖擊韌性及耐久性，近年來受到工程界人士的關注并在土木工程領域中得到應用[1-3],1).

由于水泥基材料的物質組成與硬化過程的特殊性，使其成為一種典型的多孔介質材料，孔型及孔徑尺寸各異，孔隙分布錯綜復雜，當材料配比、養護環境等因素發生變化時，會引起材料孔隙分布與孔結構的變化，而孔隙的變化會影響到材料的各項性能，其中便包括收縮性能.水泥基材料的收縮性能對于結構構件的抗裂度驗算、變形計算、預應力損失計算及非線性有限元分析等具有重要作用.目前關于水泥基材料收縮性能的研究中，對混凝土收縮的研究較為成熟，有關混凝土材料收縮性能的內外影響因素及收縮計算模型的建立等方面都取得了較多成果.其中，內部因素的研究包括水泥種類[4-5]、摻和料種類及摻量[4,6]、配合比[4]、外加劑種類及摻量[4,7],1)；外部影響因素的研究包括環境溫濕度[8-10]、養護條件[4,11]、齡期[12]、試件尺寸及形狀[13]、碳化作用[13]；收縮計算模型方面主要建立了ACI 209R-92系列模型[14]、CEB-FIP系列模型[15]、GL2000模型[16]和B3模型[17]等幾類.在纖維增強水泥基復合材料收縮性能方面，目前對于鋼纖維[18-22]、聚丙烯纖維[23]、混雜纖維[20,24-26]及其他纖維水泥基復合材料[27]的收縮性能研究結果表明，適當摻入上述纖維可不同程度地減小基材的收縮值；在PVA纖維水泥基復合材料收縮性能的研究中，有部分學者[25,28-32]也得出了PVA纖維的加入可以減小基材收縮、提高基材抗裂度的結論.在對PVA-FRCC收縮性能的研究中，每位研究者從各自角度對某個或少數幾個影響因素進行了研究，未能全面考慮多種因素對材料收縮性能的影響，因而無法為PVA-FRCC材料的性能優化及多因素影響下收縮估算模型的建立提供較全面的基礎研究數據.

1)關英俊.混凝土自生體積變形試驗研究[C]//水利水電科學研究院科學研究論文集.北京：水利電力出版社,1981.

基于此，本文對多因素影響下PVA-FRCC的收縮性能展開試驗研究，并力求提出PVA-FRCC的收縮估算模型，為PVA-FRCC的性能優化及結構構件設計分析理論的完善奠定基礎，促進PVA-FRCC的工程應用.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本試驗共設計10組PVA-FRCC試件，由于無粗骨料，試件尺寸參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[33]，采用40mm×40mm×160mm的棱柱體試件，每組3個試件，結果取平均值.本試驗針對PVA纖維體積分數φPVA、水膠比mW/mB、砂膠比mS/mB、環境相對濕度RH這幾種影響因素進行設計，試驗工況及材料配合比見表1.

表1 收縮試驗配合比及工況

水泥采用呼和浩特市冀東水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用鄂爾多斯達茂旗煤電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；硅灰采用包頭明商環保科技有限公司生產的優質硅灰；細骨料采用包頭固陽縣生產的粒徑范圍為75～109μm精選優質石英精粉；纖維采用日本Kuraray公司生產的REC15型PVA纖維，其參數見表2；減水劑采用改性聚羧酸高效減水劑Sika Visco Crete 3301E；消泡劑采用水泥砂漿體系高效消泡劑；增稠劑主要成分為羥丙甲基纖維素.減水劑、消泡劑、增稠劑摻量分別為膠凝材料質量的1.00%、0.20%和0.03%.

表2 PVA纖維性能

1.2 數據采集

所有試件均在室溫環境下養護48h后拆模，然后將試件分別放入干縮養護室(DC)環境和自然養護(NC)環境下進行收縮試驗，分別在齡期為1、3、5、7、14、28、56、90、140、180、270和360d時測試各試件的收縮應變.其中干縮養護室溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±5)%；自然養護環境溫度為(20±5)℃，相對濕度為(30±10)%.

收縮測量設備采用紹興市拓展儀器設備有限公司生產的SP-175型立式砂漿收縮儀.千分表采用德清盛泰芯電子科技有限公司生產的數顯千分表，測量精度0.001mm.

2 收縮性能分析

由于材料收縮受到眾多因素的影響，故收縮有多種類型，如干燥收縮、化學收縮及碳化收縮等，本文所述收縮應變為收縮試驗過程中材料所發生的總收縮應變.

圖1為本試驗各工況下PVA-FRCC的收縮應變-時間曲線.由圖1可見，PVA-FRCC收縮的發展大致經歷3個階段：第1階段，各組試件的收縮應變相差較小，曲線幾乎重合，曲線斜率較大，且近似呈線性增長，說明PVA-FRCC的初期收縮增長迅速，故此階段稱為收縮快速增長階段；第2階段，隨著時間的增長，各工況的曲線逐漸分離，且收縮應變增長速率開始下降，收縮應變曲線逐漸偏向橫軸，此階段稱為收縮第2發展階段；第3階段，此時收縮應變增長趨于平緩，收縮應變曲線開始收斂，曲線斜率大大降低，逐漸趨于水平，故此階段稱為收縮收斂階段.總結收縮應變隨時間的變化特征，可將之概況為：前期快，后期慢，約180d時收縮基本完成.

圖1 不同條件下PVA-FRCC收縮應變-時間變化曲線Fig.1 Shrinkage strain-time curves of PVA-FRCC under different conditions

2.1 環境相對濕度的影響

本試驗中，試件分別放置于干縮養護室(DC)環境和自然養護(NC)環境中.圖1顯示在整個收縮過程中，相對于干縮養護室環境，自然養護環境下的材料收縮應變較大，360d時自然養護環境下的各組試件收縮應變是干縮養護室環境下的 1.25 倍左右.這是因為水泥基材料會在水泥硬化過程中產生大量毛細孔道，當水分蒸發后，毛細管束中產生的毛細管張力將對毛細管壁產生緊縮的壓應力，從而引起基材的收縮變形.自然養護環境下試件所處的環境介質相對濕度較低，而相對濕度越低，水泥石中較細的孔隙水越容易蒸發，致使孔隙水形成的彎液面不再穩定，存在于C-S-H膠凝內層區的層間水隨著相對濕度的降低而產生較大的能量梯度，從而使得層間水向外遷移，進而引起收縮[34-35].

由圖1還可發現：在相對濕度較大的干縮養護室環境下，收縮應變曲線中第1階段末到第3階段開始，以及第2階段中的曲線斜率逐漸減小，變化梯度較小；在相對濕度較小的自然養護環境下，收縮應變曲線中第1階段末到第3階段起點的曲線斜率變化梯度較大，曲線斜率的減小較劇烈，而第2階段變化不明顯.說明在干縮養護室環境下，PVA-FRCC在中期產生的收縮占總收縮的比例大于自然養護環境下的相應比例，隨著相對濕度的提高其收縮趨勢有所緩和.這是由于在相對濕度較大的干縮養護室環境中，水泥水化作用可以在較長時間內進行，且一直到收縮中后期仍然有較多的水化反應進行.

2.2 不同養護環境下PVA纖維體積分數的影響

由圖1(a)可見，在360d時，干縮養護室環境下不摻纖維試件的收縮應變是纖維體積分數為 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%試件的 1.01、1.02、1.03和1.03 倍，而自然養護環境下上述各值分別為 1.03、1.04、1.06和1.10 倍.說明PVA纖維的摻入降低了基材的收縮應變，且纖維體積分數越高，材料的收縮應變越小.這是因為分散在基材中的PVA纖維表面會吸附大量水分，形成一層水膜，當材料內部相對濕度降低時，纖維通過釋放自身吸收的水分來延緩材料內部相對濕度的下降，起到內養護作用，從而降低材料的收縮值[36]；同時，纖維分散在基材中，阻礙了水泥漿在結硬過程中的回縮，其作用與鋼筋、鋼纖維等抑制混凝土收縮的作用類似，故加入PVA纖維后，基材的收縮減小.但總體來說，纖維體積分數不同試件的收縮應變相差較小，說明纖維對基材收縮的影響非常有限.

同時，在干縮養護室環境下，各類工況的收縮應變曲線比較靠近；在自然養護環境下，從第2階段開始一直到第3階段，收縮應變曲線出現了較明顯的分離，說明相對于干縮養護室環境，自然養護環境下纖維對減小基材收縮的作用更大.這是因為在干縮養護室環境中，環境相對濕度較大，水泥石收縮較小，纖維對收縮的阻礙作用體現得不明顯；反之，在自然養護環境中，環境相對濕度較小，水泥石收縮較大，纖維對收縮的阻礙作用便體現得較明顯.

2.3 不同養護環境下水膠比的影響

由圖1(b)、(c)可以看出，在不同環境下，砂膠比分別為0.8、1.1時，在本次試驗的水膠比變化范圍內，PVA-FRCC的收縮應變均隨水膠比的增大而增大，此特征與混凝土材料的收縮特性相似.這是因為隨著水膠比的增加，用于水泥水化的水增加，這將導致其化學收縮增加，同時使得水泥漿中毛細管連通性提高，而毛細孔連通性越好，水分越容易遷移，水泥漿失水越嚴重，收縮越大.另外，在毛細管失水的同時，有時還會伴隨著吸附水甚至層間水的散失，使得水泥漿的收縮進一步增加.

比較圖1(d)、(e)、(f)可見，在同一環境下，水膠比不同的3組曲線只有收縮應變絕對值的不同，而其形態及每組曲線的相對關系基本無變化；比較圖1(b)、(c)可見，砂膠比不同的2組曲線也存在同樣性質.由此可見，水膠比和砂膠比在對PVA-FRCC收縮性能的影響中，二者耦合效應較小.

2.4 不同養護環境下砂膠比的影響

由圖1(d)、(e)、(f)可見，不同環境下，水膠比分別為0.55、0.50、0.45時，在本次試驗的砂膠比變化范圍內，PVA-FRCC的收縮應變均隨砂膠比的增大而減小.原因是隨著砂膠比的提高，骨料含量增多，而骨料本身在整個收縮過程中基本不產生變形，同時充斥于水泥漿中的骨料會對水泥漿的收縮產生阻礙作用，減小基材的收縮應變.

3 PVA-FRCC材料收縮應變的估算

目前對混凝土材料收縮計算模型的研究已經較為成熟，國際上常用的有ACI 209R-92模型[14]、CEB-FIP90模型[15]、GL2000模型[16]、B3模型[17]等幾種.中國的TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范》[37]和JTG 023—85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[38]采用了CRB-FIP78模型，JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[39]采用了CRB-FIP90模型；GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[40]采用了歐洲的EN1992-2收縮模型.對于纖維增強水泥基復合材料的收縮計算，文獻[41]提出了一種預測聚丙烯纖維水泥基復合材料塑性收縮開裂的模型；文獻[29]基于混凝土收縮計算模型的雙曲線函數對試驗數據進行擬合，得到了超高韌性水泥基復合材料干縮與齡期的函數關系式，但此模型不能清晰地反映每個影響因素對材料收縮的影響；文獻[22]基于收縮機理，通過系統推導，給出了反映基體和纖維性能以及纖維取向特性影響的自由收縮表達式，但未反映水膠比、砂膠比、環境溫濕度等對收縮值的影響.因此本文擬通過試驗研究，在考慮多種影響因素的基礎上，總結PVA-FRCC的收縮發展規律，對現有混凝土收縮計算模型進行修正與改進，從而得到符合PVA-FRCC的收縮估算模型.

ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000這3種模型在計算混凝土收縮時，都采用了混凝土收縮應變隨時間發展系數再乘以各影響因素對收縮的影響系數兩部分組成.本文在建立PVA-FRCC收縮估算模型時，參考以上計算方法，擬采取如下路線進行研究：先排除其他各因素對收縮的影響，只考慮時間對收縮的影響，得出收縮隨時間發展系數βs(t-ts)；然后考慮各相關因素的影響，乘以各相關因素對收縮的影響系數，最終得到各工況下PVA-FRCC的收縮估算模型.

式(1)由上到下依次表示ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000模型的收縮應變隨時間發展系數βs(t-ts)：

(1)

式中：t為測試齡期,d；ts為試件的養護齡期,d；b為常數，濕養護時b=35，蒸汽養護時b=55；h0為試件名義厚度，mm；V/S為試件的體表比,mm.

由式(1)可作出3種模型的收縮應變隨時間發展系數曲線，如圖2所示.由圖2可見：CEB-FIP90和GL2000模型的收縮應變隨時間發展系數曲線幾乎重合，且其發展趨勢與本文研究的PVA-FRCC收縮應變發展趨勢較為吻合，基本呈現出早期發展迅速、中期曲線增長、后期趨于收斂的發展趨勢；而ACI 209R-92模型曲線早期發展趨勢較緩，與本文試驗所得結論相差較大，故不予參考.

圖2 3種模型的收縮應變隨時間發展系數Fig.2 Shrinkage strain with time coefficients of three models

本文借鑒CEB-FIP90 和GL2000模型的函數形式，同時排除其他因素，只考慮時間因素對收縮應變的影響，對試驗數據進行分析，建立了適用于PVA-FRCC收縮應變隨時間發展系數的計算式:

(2)

排除其他影響因素，僅分析本文10組PVA-FRCC試件的收縮應變隨測試齡期變化的試驗數據，并與式(2)計算結果進行對比，所得結果見圖3.觀察發現，由式(2)得到的曲線與試驗數據吻合度較高.

PVA-FRCC不含粗骨料，其名義極限收縮應變εu要大于混凝土材料.分析圖1可以發現，各組試件的360d收縮應變均在3000μm/m左右.綜合考慮環境條件及收縮齡期等因素，本文建議PVA-FRCC的名義極限收縮應變εu取為3200μm/m；同時考慮纖維體積分數、水膠比、砂膠比、環境相對濕度等因素，建立PVA-FRCC收縮估算模型，見式(3)：

(3)

圖3 不同環境下試驗數據與收縮應變隨時間發展系數對比Fig.3 Comparison of experimental data and shrinkage strain with time coefficients under different environments

式中：ε(t,ts)為從養護結束到齡期t時發生的收縮應變；γs h為收縮修正系數，γs h=k1·k2·k3·k4，其中k1為纖維摻量修正系數，k1=1.08-0.06φPVA，k2為水膠比修正系數，k2=0.45+mW/mB，k3為砂膠比修正系數，k3=1.51-0.63mS/mB，k4為周圍環境濕度修正系數，k4=1.4-0.007RH.

按式(3)計算所得的收縮應變計算值與試驗值的比值見表3.由表3可見，除個別點外，其余計算值與試驗值的吻合度均較高.經對比，建立的PVA-FRCC收縮估算公式計算值與試驗值的比值均值為1.25，方差為0.50，誤差滿足工程精度要求.

表3 收縮應變計算值與試驗值的比值

4 結論

(1)與混凝土收縮發展過程類似，PVA-FRCC的收縮發展也呈現出前期快、后期慢，最后逐漸趨于穩定的變化規律.

(2)在本試驗設計工況下，PVA-FRCC的收縮應變隨著纖維體積分數的增加而減小，但影響程度較小；隨著水膠比的減小、砂膠比的增大、環境相對濕度的提高，PVA-FRCC的收縮應變減小；水膠比和砂膠比在對PVA-FRCC收縮應變的影響中交叉耦合效應較小.

(3)結合現有混凝土收縮預測模型及本文試驗結果，提出了PVA-FRCC的收縮估算模型.通過與試驗數據對比可知，估算模型公式的計算值與試驗值之間具有較高的吻合度，誤差滿足工程精度要求.