粉煤灰摻量對PVA-ECC性能的影響

李曉琴，周 旭，李世華

(1.昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650500;2.云南綠色高性能混凝土股份有限公司，昆明 650500)

0 引 言

混凝土憑借組成成分簡單及強度高等特點，被廣泛應用于實際工程中。但其自身也存在如韌性極差、延展性低、易開裂以及自身脆性大等缺點，嚴重影響結構的承載能力及耐久性[1]。工程水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是一種纖維增強水泥基復合材料，但通常是將聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber，PVA)添加至水泥基體中得到PVA-ECC。與普通混凝土相比較，PVA-ECC開裂后可表現出良好的應變硬化行為，具有良好韌性及裂縫控制能力，當PVA纖維的體積分數不超過2%時，其極限拉伸應變可高達3%～5%，裂縫寬度僅為60～80 μm[2-3]。因此，PVA-ECC應用于實際工程中，可有效控制混凝土結構開裂，降低結構維護成本。

盡管PVA-ECC與普通混凝土相比具有良好的性能，為獲得應變硬化及高韌性PVA-ECC,只在基體中添加少量細砂，以控制基體的斷裂韌性[3-5]，導致其組成成分中的水泥含量極高，由于水泥的生產具有不可持續性，將對環境造成不利影響[6-7]。研究表明，在水泥基材料中摻加粉煤灰替代部分水泥可有效解決這一問題，在減少水泥用量的同時還可降低基體韌度，提高水泥基材料的韌性及耐久性能[6-9]。不足的是，粉煤灰的火山灰反應過程緩慢，會降低PVA-ECC的早期抗壓強度[10]。因此，在保證PVA-ECC抗壓強度的情況下，適當增加配合比中粉煤灰的含量，可改善其性能。相關研究僅對含粉煤灰的PVA-ECC進行了宏觀上的性能研究，并未系統地建立含粉煤灰PVA-ECC強度與其自身韌性、撓度、抗滲性能的關系[6-9]。

基于此，本文擬在PVA-ECC配合比中添加不同含量粉煤灰取代部分水泥，進行抗壓試驗、單軸拉伸試驗、薄板四點彎曲試驗以及抗滲性能試驗，以此探究粉煤灰含量對PVA-ECC力學性能及抗滲性能的影響，同時系統地建立了不同粉煤灰含量下PVA-ECC抗壓強度與其極限拉伸強度、彎曲荷載、極限彎曲韌性指數、撓度、抗滲性能之間的相關性，并進行統計分析以研究不同粉煤灰含量下PVA-ECC的滲水高度概率分布情況，進一步得到不同粉煤灰含量下PVA-ECC平均滲水高度置信區間。最終得到最適粉煤灰含量的PVA-ECC配合比，為其應用于實際工程的提供一定的理論指導。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：采用昆明華新水泥廠制造的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用昆明環恒粉煤灰有限責任公司的I級粉煤灰。

細骨料：采用細度模數為2.9的標準石英砂。

PVA纖維：采用日本Kuraray公司的PVA纖維，其性能參數見表1。

表1 PVA纖維的性能參數Table 1 Performance parameters of PVA fiber

減水劑：采用聚羧酸型高效減水劑，其在配合比中含量為水泥與粉煤灰總用量的0.5%。

1.2 配合比

本研究所采用的PVA-ECC配合比如表2所示，編號為PF40、PF50、PF60和PF70，其中水膠比固定不變為0.35，粉煤灰摻量分別為40%、50%、60%、70%(質量分數，下同)，纖維摻量Vf為2%(體積分數，下同)，高效減水劑含量為水泥與粉煤灰總用量的0.5%(質量分數，下同)。

表2 PVA-ECC配合比Table 2 PVA-ECC mix proportions

1.3 試驗方法

(1)力學性能試驗。采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，在標準養護條件下養護28 d后取出試件，采用萬能試驗機進行抗壓強度測試。采用尺寸為330 mm×60 mm×15 mm的啞鈴型試件進行單軸拉伸試驗，試驗設備取用量程10 kN的電子萬能試驗機進行位移控制加載，加載速率恒定為0.15 mm/min。采用薄板試件研究彎曲性能，試件尺寸為400 mm×100 mm×15 mm，試驗設備取用量程為10 kN的電子萬能試驗機進行位移控制加載，加載速率0.5 mm/min。彎曲加載試驗示意圖見圖1。

圖1 彎曲加載示意圖Fig.1 Bending loading diagram

(2)抗滲性能試驗。采用尺寸為175 mm×150 mm×185 mm的截錐試件，用滲水高度法進行PVA-ECC抗滲性測試，試驗設備采用HS-4S型抗滲儀，試驗過程采用一次性加壓至1.2 MPa，并持續加壓24 h。

2 結果與討論

2.1 力學性能試驗

(1)抗壓強度試驗

在不同粉煤灰含量下，各組別PVA-ECC試件的各齡期抗壓強度試驗結果見圖2。由圖2不難看出，粉煤灰含量的增加會導致PVA-ECC早期抗壓強度出現降低的趨勢，例如養護齡期在28 d時，相對于PF40，PF50、PF60、PF70的抗壓強度分別下降約3.8%、14.1%、22.8%，且在更早齡期時PVA-ECC抗壓強度下降更明顯；粉煤灰含量越高，對PVA-ECC早期抗壓強度影響越明顯。粉煤灰含量增加會降低PVA-ECC的早期抗壓強度，其原因可能是粉煤灰活性較低，在養護早期時，粉煤灰并不能充分發揮自身的火山灰性質，導致其早期強度降低；其次是因為粉煤灰含量較多的情況下，水泥含量較少，再加上粉煤灰活性較低，導致粉煤灰與水泥發生的二次水化反應有限，剩余粉煤灰顆粒僅對PVA-ECC基體起到填充作用，并不能充分發揮活性凝膠作用來增加PVA-ECC的抗壓強度[6,8]。

圖2 各組別PVA-ECC抗壓強度與齡期關系Fig.2 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ages

(2)拉伸試驗

圖3為28 d時不同粉煤灰含量下的PVA-ECC的拉伸應力-應變曲線。由圖3可知，隨著粉煤灰含量增加，PVA-ECC的極限拉伸應變都有所提高，相對于PF40，PF50、PF60、PF70的極限拉伸應變分別提高約為9.2%、19.2%、29.7%。圖4為不同粉煤灰含量對PVA-ECC試件的拉伸初裂強度與極限拉伸強度的影響。由圖4可知，隨著粉煤灰含量增加，PVA-ECC的抗拉強度逐漸降低；粉煤灰摻量由40%增加到70%時，初裂強度由3.61 MPa降低為2.48 MPa，降低了約31.3%。出現上述現象的原因為：隨著粉煤灰摻量的增加，基體的斷裂韌度降低，即降低了基體與纖維之間的化學粘接，使得PVA-ECC滿足開裂強度準則，在拉伸荷載下表現出應變硬化特性[2,6]。

圖3 拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves

圖4 粉煤灰含量對拉伸強度的影響Fig.4 Effect of fly ash content on tensile strength

(3)薄板四點彎曲試驗

彎曲韌性的評價采用ASTM C1018韌性指數法[11]，簡述如下，通過PVA-ECC的荷載-撓度曲線確定初裂點，初裂點所對應的撓度為初裂撓度δ0，計算出初裂撓度δ0與初裂荷載P0所圍成的曲線面積S0，將S0定義為PVA-ECC的初裂韌度；其次分別取5.5δ0、15.5δ0、25.5δ0、35.5δ0和峰值荷載Pmax時跨中撓度δmax所對應的曲線下面積Sn與S0的比值定義為彎曲韌性指標Ir，計算公式如式(1)所示。

Ir=Sn/S0

(1)

式中：r=2n-1，r取值為10,30,50,70,n取值為5.5,15.5,25.5,35.5。

PVA-ECC能量吸收能力評價指標TI定義如下：峰值荷載時的跨中撓度δmax對應荷載-撓度曲線下的面積Smax與試件進行彎曲試驗時有效受力體積的比值，計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：b、h和l0分別代表抗彎試件的寬度、高度和有效跨度;P(δ)為彎曲荷載，即跨中撓度δ所對應的彎曲荷載P。

對不同粉煤灰含量的PVA-ECC進行彎曲試驗，試驗結果及韌性指數、撓度參數等見表3。各組別試件的荷載-跨中撓度曲線見圖5。圖6總結了不同粉煤灰含量對PVA-ECC試件的峰值荷載Pmax所對應的極限韌性指數Imax與能量吸收能力TI的影響。研究表明，對于具有良好應變硬化的材料，其韌性指數Ir應大于值r且Imax應大于(2δmax-δ0)/δ0[12]。由圖5、6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC初裂荷載逐步降低，相對于PF40組別，PF50、PF60和PF70分別降低約為10.1%、23.9%和28.7%，這是由于粉煤灰的增加會降低PVA-ECC基體的早期強度。此外，隨著粉煤灰含量的增加，PVA-ECC的極限彎曲荷載逐漸下降，試件撓度則表現出增大的趨勢，相對于PF40組別，PF50、PF60和PF70撓度分別提高約為29.4%、64.7%和79.4%，表明粉煤灰可以有效提高材料的延性和韌性。

表3 彎曲試驗結果Table 3 Bending test results

圖5 PVA-ECC荷載-撓度曲線Fig.5 PVA-ECC load-deflection curves

圖6 粉煤灰含量對Imax和TI的影響Fig.6 Effect of fly ash content on Imax and TI

由表3可知，由于PF40組別跨中撓度未達到25.5δ0以上，導致部分韌性指數并未計算出來，但明顯可看出，I30>30，Imax=55.6>49.6，表明該組別PVA-ECC已經具備一定的韌性。除PF50組別中I10<10以外，PF50、PF60和PF70組別的彎曲韌性指數Ir均大于r，Imax也大于(2δmax-δ0)/δ0，表明各組別的彎曲韌性指標均達到上述指標要求[12]，均具備應變硬化的特征；同時由圖7中的擬合曲線可以看出，隨著粉煤灰含量的增加，Imax與TI呈現出明顯的增長趨勢，進一步證明PVA-ECC的韌性隨粉煤灰含量增加而增大。同時不難看出，在同一組別PVA-ECC中，彎曲韌性指數Ir隨著下標r的增大，彎曲韌性指標Ir與r的差值逐漸增大，說明隨著PVA-ECC彎曲變形的增加，材料的韌性逐步增加。因此，可由彎曲試驗得到既滿足結構強度要求又具備一定韌性及延性的PVA-ECC配合比。

2.2 抗滲性能試驗

采用滲水高度法測得PVA-ECC的試驗結果見表4，各試件的平均滲水高度與粉煤灰含量的關系見圖7，為進一步探明滲透性與粉煤灰含量之間的關系，擬采用箱形圖對各組別滲透高度進行離散程度分析見圖8。由表4及圖7可知，隨著粉煤灰含量的增加，相對于PF40組別，PF50、PF60和PF70組別滲水高度及滲透系數K均有所降低，其中滲水高度分別降低約為PF40組別的6.3%、4.5%和4.2%。當粉煤灰含量由50%增加至70%時，滲水高度及滲透系數K呈現增長的趨勢，出現抗滲性能降低的趨勢。出現上述現象的原因為粉煤灰粒徑小于水泥顆粒粒徑，增加粉煤灰的含量會對滲水孔隙進行填充作用，同時粉煤灰會與水泥發生二次水化反應，二次水化反應會生成凝膠物質硅酸鈣(C-S-H)等物質可填充基體的孔隙，提高PVA-ECC的密實性，導致其抗滲性能增加。但是粉煤灰活性較低，過高的粉煤灰含量導致水泥量減少，不能充分發生二次水化反應，剩余粉煤灰顆粒只能起到填充作用，導致高粉煤灰PVA-ECC基體密實性不足，孔隙率增大，抗滲性能降低[13]。

圖7 粉煤灰含量對滲透性的影響Fig.7 Effect of fly ash content on permeability

表4 PVA-ECC抗滲試驗結果Table 4 PVA-ECC impermeability test results

由圖8可知各組別PVA-ECC的滲水情況，在PF50組別中，各組別ECC的滲水高度中位線及滲水高度平均值大致將箱型圖等分為兩部分，滲水高度均值接近中位數，同時上尾與下尾長度接近一致，滲水高度分布無異常值，呈現出良好的正態分布。PF40組別中，則出現異常值，表現為下尾較上尾長；PF60、PF70組別滲水分布情況良好，均呈正態分布。因此，粉煤灰的含量對PVA-ECC的滲透性影響較大，而滲透性作為耐久性的重要指標之一，為保證PVA-ECC的抗滲性能，應選取適量的粉煤灰替代部分水泥。

圖8 箱形圖與滲水分布情況圖Fig.8 Box diagram and permeability distribution diagram

2.3 PVA-ECC抗壓強度與其余試驗指標的相關性

抗壓強度作為一個重要的力學性能指標，是評定水泥基材料質量的首要檢測指標，測定水泥基材料抗壓強度的試驗方法較其余性能指標的測定方法簡單。因此，有必要建立含大量粉煤灰的PVA-ECC抗壓強度與極限拉伸強度、極限彎曲荷載、極限韌性指數Imax、撓度、抗滲性的相關性。

建立PVA-ECC抗壓強度與極限拉伸強度、極限彎曲荷載的關系見圖9、10。由圖可知，PVA-ECC抗壓強度與極限拉伸強度、極限彎曲荷載呈正比關系。隨著抗壓強度的增加，極限拉伸強度、極限彎曲荷載增加。可為實際工程中PVA-ECC提供合理的強度選擇范圍。

圖9 PVA-ECC抗壓強度與極限拉伸強度的關系Fig.9 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ultimate tensile strength

圖10 PVA-ECC抗壓強度與極限彎曲荷載的關系Fig.10 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ultimate load

建立PVA-ECC抗壓強度與極限韌性指數Imax、撓度的關系見圖11、12。由圖可知，PVA-ECC的抗壓強度與極限韌性指數、撓度呈現一定的反比例關系。當PVA-ECC抗壓強度小于50 MPa時，極限韌性指數Imax均大于55.6，跨中撓度均大于10.2 mm。當抗壓強度在38～50 MPa之間時，極限韌性指數Imax在55～93之間；同時跨中撓度明顯變化，從10.2 mm到18.3 mm不等，且兩者隨抗壓強度的減小出現增長的趨勢，但到后期時的增長趨勢有所減緩。由以上結果可表明，PVA-ECC較低的抗壓強度容易出現較大的極限韌性指數及優異的撓度，進一步證明了較低的抗壓強度有利于基體具有良好的PVA-ECC韌性，表明粉煤灰的含量增加有利于PVA-ECC延性的發展，但會降低一定的抗壓強度[6,9]。因此，可根據抗壓強度與韌性指數、撓度之間的關系合理選擇具有一定強度而不失韌性、延展性的PVA-ECC。

圖11 PVA-ECC抗壓強度與Imax的關系Fig.11 Relationship between PVA-ECC compressive strength and Imax

圖12 PVA-ECC抗壓強度與撓度的關系Fig.12 Relationship between PVA-ECC compressive strength and deflection

建立PVA-ECC抗壓強度與抗滲性能的關系見圖13。由圖可得，PVA-ECC的抗壓強度與抗滲性能具有良好的相關性。隨著粉煤灰含量增加，PVA-ECC的抗壓強度降低，平均滲水高度相對于PF40組別均有所降低，抗滲性能提高。粉煤灰含量由40%增加至50%時，抗壓強度降低趨勢較平緩，而滲水高度降低趨勢則較為明顯；粉煤灰含量由50%增加至70%時，抗壓強度降低趨勢較明顯，而滲水高度相對于PF50組別出現增加的趨勢。出現上述現象原因是粉煤灰含量增加，水泥用量減少，粉煤灰不能很好地發生二次水化反應，導致強度降低；其次粉煤灰的二次水化反應并不是無限進行，當粉煤灰含量超過一定限度時，未反應的粉煤灰顆粒主要起填充作用，沒有更多的二次水化反應副產物生成，不能大幅度提高基體密實度、降低孔隙率[6,14-15]，導致基體的抗滲性能及強度不如粉煤灰含量限度之前的PVA-ECC基體好，因此當煤灰含量由50%增加至70%時，抗壓強度與抗滲性能均降低。

圖13 PVA-ECC抗壓強度與滲透高度的關系Fig.13 Relationship between PVA-ECC compressive strength and height of permeability

2.4 抗滲性能統計數據分析

進行PVA-ECC抗滲性能試驗時，每組配合比以6個試件作為一組進行試驗，試驗完成后將試件劈開，測量滲透水跡線高度，每個試件平均十等分取點，每組配合比共60個滲水高度數值。各組別滲水高度樣本數量n>30，對其進行數據統計分析；其次滲水高度具有隨機分布性，可采取正態分布曲線對各組別試件滲水高度進行擬合，得到PVA-ECC的滲水高度分布概率。根據各組別PVA-ECC的滲水高度樣本，采用正態分布曲線進行擬合，得到滲水高度的頻率分布直方圖及正態分布曲線，如圖14所示。

圖14 PVA-ECC滲透性能的概率分布Fig.14 Probability distribution of PVA-ECC permeability

同時還可計算出平均滲水高度的95%置信區間[16]，即在該組配合比下，滲水高度平均值有95%的概率在該區間內；置信區間計算公式如式(3)～(5)所示，各組別的置信區間計算結果見表5所示。

表5 平均滲水高度的95%置信區間Table 5 95% confidence intervals of average seepage height

Pr(c1≤X-≤c2)=0.95

(3)

(4)

(5)

式中：Pr為概率；c1為95%置信區間下限；c2為95%置信區間上限；δ為標準差；X-為滲水高度平均值。

3 結 論

(1)PVA-ECC的早期強度隨粉煤灰含量的增加呈現降低趨勢；極限拉伸應變均有所提高，最大提高約29.7%。同時，隨著粉煤灰含量的增加，PVA-ECC的極限彎曲荷載逐漸下降，試件撓度增大，最大提高約79.4%，彎曲韌性指數Ir均大于r，能量吸收能力逐漸增大，表明粉煤灰可以有效提高材料的延性和韌性。

(2)隨著粉煤灰含量的增加，抗滲性能相對于PF40組別均有所增加。當粉煤灰含量超過50%后，各組的抗滲性能相對于PF50組別有所降低。因此，為保證PVA-ECC具有良好的抗滲性能，表明粉煤灰含量應控制在合理范圍內。

(3)通過建立PVA-ECC的抗壓強度與其余強度、抗滲性能之間的關系，得到抗壓強度與撓度、韌性指數等韌性評價指標成反比關系，拉伸強度、彎曲荷載與抗壓強度成正比關系，抗壓強度與抗滲能力有良好的相關性。當抗壓強度保持在一定范圍內，為獲得具有良好韌性、抗滲性能的PVA-ECC配合比，可以通過本研究所建立的相關性獲得。

(4)對PVA-ECC的滲水高度的頻率分布直方圖采用正態分布進行統計分析，得到滲水高度的概率分布圖，同時得到了平均滲水高度的95%置信區間。