烏蘭布和沙漠砂制備高延性水泥基復合材料的力學性能

李 祚，姚淇耀，朱圣焱，郭新華，彭林欣，2，滕曉丹，2，3,羅月靜

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004；2.廣西大學，廣西防災減災與工程安全重點實驗室，工程防災與結構安全教育部重點實驗室，南寧 530004；3.廣西新發展交通集團有限公司，南寧 530028；4.華藍設計(集團)有限公司，南寧 530011；5.廣西交科集團有限公司，南寧 530007)

0 引 言

高延性水泥基復合材料(engineered cementitious composites,ECC)是從20世紀90年代開始發展的一種新型水泥基材料[1]。其最主要的特點是具有超過普通混凝土材料200倍以上的極限拉應變[2]，正因為這種優異的抗拉性能，國內也有學者稱之為“超高韌性水泥基復合材料”(ultra high toughness cementitious composite，UHTCC)[3-4]。傳統的ECC由基體與纖維組成，其中基體一般由普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、細骨料以及減水劑組成[1]；而常用于ECC的纖維包括聚乙烯(PE)纖維[5]、聚丙烯(PP)纖維[6]以及聚乙烯醇(PVA)纖維[7]等。目前，在眾多纖維中，PVA纖維憑借較高的韌性和適中的價格成為ECC研究中主要采用的纖維[8-10]。ECC擁有如此突出的拉伸性能得益于其在受拉過程中具有獨特的“多重開裂”性質，即受到拉伸荷載時，基體會產生裂縫，但在纖維的橋接作用下此裂縫僅產生缺口并不張開，試件在其他位置出現新的裂縫，此過程不斷循環，即多重開裂現象。多重開裂現象能夠使得ECC整體在受拉過程中產生類似鋼鐵拉伸后發生屈服的應變硬化現象，因此也有人稱ECC為“偽應變硬化水泥基復合材料”。一般來說，PVA-ECC的抗拉強度與極限拉應變能夠分別達到4.5 MPa和2%[9]。

ECC目前未能實現大規模推廣應用的主要原因是其價格過高、經濟效益低，使之即便擁有優越的力學性能也無法代替混凝土成為主流建筑材料[11]。造成ECC價格偏高的原因之一在于ECC基體所采用的骨料為最大粒徑不超過200 μm的微石英砂[9]，高昂的制造價格與運輸成本都決定了其難以實際工程中大量使用。為此，研究人員開展了各種對于ECC骨料的研究，嘗試使用某種廉價易得的原料代替微石英砂，配制出性能達標的ECC[11-19]。Meng等[11]用澳大利亞當地沙丘砂配制了ECC，拉伸測試顯示其極限拉應變較微石英砂ECC降低了81%；Li等[13]以再生混凝土粉末(RCF)作為骨料配制了ECC，發現其各項性能與微石英砂ECC相似；Huang等[14-15]分別用鐵尾礦和輪胎橡膠配制了ECC，經試驗發現兩種ECC的極限拉應變較微石英砂ECC分別提高了28%和67%。有學者研究發現[16]，骨料對ECC延性造成影響的原因在于其粒徑大小以及形態，一般來說，大粒徑與不規則形態的骨料會造成纖維分布不均勻，進而削弱ECC的延性[18-19]。因此基于上述研究可以推測，當配制ECC時采用與微石英砂粒徑以及形態接近的骨料，其性能或許會與微石英砂ECC的性能接近。

沙漠砂是一種在自然界中儲量極為豐富的材料，且我國的沙漠總面積約為700 000 km2，居世界第三位[20]。沙漠砂由于其粒徑過小，不能與粗骨料形成合理的骨料級配而難以應用于普通混凝土材料中。但對于ECC來說，沙漠砂或許能夠成為一種可行的替代材料。加之目前國內面臨河砂資源短缺的問題，以沙漠砂配制ECC或許能夠起到降低造價與環境保護的雙重作用[21]。因此，本文針對沙漠砂是否能夠作為微石英砂的替代品問題展開研究，擬將較為經典的ECC-M45[10]中采用的砂膠比(0.36)作為參考值，圍繞此數值兩側研究砂膠比在0.16～0.66的范圍內ECC的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎性能，并在宏觀材料性能試驗的基礎上，通過對拉伸試件的斷面使用掃描電鏡(SEM)進行觀測，從微觀力學角度上解釋產生此試驗結果的原理。

1 實 驗

1.1 原材料

沙漠砂ECC成分包括水泥、沙漠砂、粉煤灰、纖維、水和減水劑。水泥采用海螺牌P·O 42.5水泥，主要化學成分見表1；粉煤灰使用河南省火電廠提供的Ⅰ級粉煤灰，物理化學參數見表2；纖維使用日本Kuraray公司生產的聚乙烯醇(PVA)纖維，纖維具體參數見表3；拌合水采用市政供水；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑(HRWR)，減水率大于25%；沙漠砂來自中國內蒙古自治區烏蘭布和沙漠。

為探究砂膠比對ECC力學性能的影響，本研究以砂膠比作為試驗變量，設計了砂膠比為0.16、0.26、0.36、0.46、0.56和0.66共6組試件，分別對應編號S1～S6。每組試件中除砂膠比外，其他參數均固定不變，水膠比為0.29，纖維體積摻量為2%。具體配比見表4。

表1 水泥主要化學成分

表2 粉煤灰物理化學性能指標

表3 PVA纖維物理力學性能指標

表4 ECC配合比

1.2 試件制備和試驗方法

稱取水泥、粉煤灰、沙漠砂、減水劑放入攪拌桶中，以100 r/min的轉速干拌2 min；然后加入水，以150 r/min的轉速攪拌5 min；稱取纖維并手工分散，邊攪拌邊加入，全部纖維加入后繼續按150 r/min的速度攪拌5 min以保證纖維加入后能夠拌合均勻。

將新拌ECC分別澆入塑膠立方體模具與自行設計的可拆卸塑料制板式模具中，在溫度為(25±3) ℃，相對濕度為(65±2)%的環境中靜置24 h后拆模，將試件轉入標準養護室(溫度20 ℃，相對濕度95%)中養護28 d。對于抗壓試驗，依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》將試件設計為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊，加載裝置采用2 000 kN液壓試驗機，加載速率為1 MPa/s。對于抗拉試驗，當前國際上常用的測試試件分為兩種，分別是在美國流行的矩形薄板試件[9]和在日本流行的啞鈴型薄板試件[22]。由于ECC獨有的應變硬化特性，即使增大試件兩端截面，也無法保證裂縫在中部試驗段開展，因此在本研究中使用的是矩形薄板試件。由于ECC不使用粗骨料，其組成原料中尺寸最大的物質是纖維，因此薄板試件的最小尺寸由使用的纖維長度決定。

試驗使用的纖維長度為12 mm，薄板試件的厚度需大于纖維的長度，故選取15 mm作為板厚，板寬為100 mm，板長為400 mm。試件使用萬能試驗機平夾頭夾持固定，加載過程中夾緊力較大，為防止試件兩端被試驗機夾斷，對試件兩端被夾持部分使用環氧樹脂膠粘貼碳纖維布(CFRP布)進行加固，并在CFRP布外再粘貼鋁板以減輕試驗機夾緊力可能造成的應力集中，避免試件兩端被過早夾碎，試件結構圖如圖1所示。剪切試驗與四點彎曲試驗采用與抗拉試驗相同的板式試件，區別僅為兩端不再粘貼CFRP布與鋁板。剪切試驗與四點彎曲試驗的加載示意圖分別見圖2與圖3。抗拉試驗結束后，將每組試件斷面利用小型切割機垂直于加載方向取出面積為15mm×15mm、厚度為15 mm的切片，使用日本日立公司的TM4000掃描電子顯微鏡(SEM)在15 kV的加速電壓下進行觀測。

圖1 板式試件尺寸(單位：mm)

圖2 抗剪試驗加載示意圖(單位：mm)

圖3 四點彎曲加載示意圖(單位：mm)

1.3 微石英砂與沙漠砂的對比分析

1.3.1 骨料尺寸和粒徑分布

圖4為微石英砂與沙漠砂骨料顆粒的SEM照片。為探究微石英砂(圖4(a))與沙漠砂(圖4(b))的粒徑大小以及粒徑分布區間，本文使用英國馬爾文公司生產的MAZ3000型激光粒度儀得到了兩種砂的級配曲線(PSA)，如圖5所示。結果表明，微石英砂平均粒徑為91.6 μm，沙漠砂的平均粒徑約是微石英砂的兩倍，為185 μm。沙漠砂的粒徑分布與微石英砂相比更加集中。

圖4 微石英砂與沙漠砂骨料顆粒的SEM照片

1.3.2 沙漠砂的物質組成

沙漠砂ECC直接應用于建筑工程中，除滿足必要的性能要求外，還需要滿足能夠與鋼筋共同工作的要求，若沙漠砂中含有腐蝕鋼筋的成分(例如海砂中因含有大量氯離子會造成鋼筋銹蝕，不宜直接應用于混凝土材料中[23])則不能被直接應用。因此，本研究采用X射線衍射分析(XRD)方法分別對微石英砂與沙漠砂的物相組成進行研究，采用日本Rigaku D/MAX 2500V型分析儀，以4(°)/min的掃描速度在10°～80°的范圍內進行掃描，得到的XRD譜見圖6。結果表明，石英砂完全由SiO2組成(特征峰2θ=20.92°、26.68°、36.54°、42.44°、45.82°、50.14°、54.88°、59.92°、68.36°)，不含其他雜質。沙漠砂除SiO2外檢測出了微量的K2SiO3(特征峰2θ=27.44°、27.88°、29.38°、30.36°)。值得一提的是，K2SiO3溶于水后呈堿性，不但不會對鋼筋造成腐蝕，而且有利于鋼筋表面形成鈍化膜從而進一步起到保護鋼筋的作用。目前已有K2SiO3作為混凝土促凝劑的應用案例[24]。綜上所述，從化學組成上來看，沙漠砂代替石英砂作為ECC骨料是可行的。

圖5 微石英砂與沙漠砂的級配曲線

圖6 微石英砂與沙漠砂的XRD譜

2 結果與討論

2.1 抗壓試驗

圖7 抗壓強度與砂膠比的關系

抗壓試驗中每種砂膠比包含三個試件(a、b和c)，所有試件的抗壓測試數據均列于表5中，抗壓強度與砂膠比的關系如圖7所示。沙漠砂ECC棱柱體單軸抗壓強度(UCS)呈現出較為明顯的隨砂膠比(S)增大而增大的趨勢，其中僅S4組較S3組有輕微下降。S1組的抗壓強度最低，為31.50 MPa；S6組最高，為42.00 MPa，其較S1組提高了33%。將抗壓強度與砂膠比的關系做線性回歸(通過最小二乘法)后得到的回歸方程見式(1)，發現其相關系數R2為0.84，說明擬合度較好，擬合結果如圖7所示。圖8為彈性模量與砂膠比的關系。沙漠砂ECC的彈性模量(E)同樣呈現出隨砂膠比增大而增大的趨勢。S1組為彈性模量最低的一組，為15.92 GPa，隨著砂膠比增至0.66，S6組的彈性模量單調遞增至23.03 GPa，其較S1組增大了45%。對彈性模量隨砂膠比的關系做線性擬合，回歸方程見式(2)，其相關系數R2為0.88，擬合結果如圖8所示。圖9為泊松比與砂膠比的關系。沙漠砂ECC的泊松比(ν)亦隨砂膠比增大而增大，且變化幅度較為明顯。S1組泊松比僅為0.13，S6組的泊松比升至0.25，較S1組增大了92%。對彈性模量隨砂膠比的關系做線性擬合，回歸方程見式(3)，其相關系數R2為0.94，擬合結果如圖9所示。

此外，為了對比沙漠砂ECC與微石英砂ECC抗壓性能的差異，取S3組(沙漠砂ECC)試驗結果與Zhou等[25]微石英砂ECC抗壓性能試驗結果進行對比。其中，兩者砂膠比取值皆為0.36，其他原材料以及纖維種類等因素相同。對比發現，沙漠砂ECC的抗壓強度較微石英砂ECC低8%，而彈性模量與泊松比則分別高34%和20%。可見，以沙漠砂代替微石英砂配置ECC對其抗壓強度有輕微的削弱作用，而對于彈性模量以及泊松比則具有提高作用。

UCS=16.59S+30.21,R2=0.84

(1)

E=12.77S+15.02,R2=0.88

(2)

ν=0.21S+0.94,R2=0.94

(3)

圖8 彈性模量與砂膠比的關系

圖9 泊松比與砂膠比的關系

表5 抗壓試驗結果

2.2 抗拉試驗

抗拉試驗中，每種砂膠比準備了兩個試件(a和b)，所有試件應力-應變曲線如圖10所示，數據結果見表6。在應力-應變曲線中顯示出的應力多次突然下降現象由多重裂縫(見圖11)不斷開展所致，而纖維的橋接效應能夠使拉伸應力在基體發生斷裂后繼續保持[2]。試驗結果表明，沙漠砂的單軸抗拉強度(UTS)介于4.32～5.10 MPa之間。雖然當砂膠比為0.16、0.26、0.36和0.66時抗拉強度能夠呈現遞增趨勢，但砂膠比為0.46的S4組則明顯低于除S1組外的其他各組(如圖12所示)，因此認為抗拉強度與砂膠比相關性不大。對抗拉強度與砂膠比線性擬合得到關系式，如式(4)所示，其中相關系數R2僅為0.51。值得注意的是，當砂膠比與傳統微石英砂ECC相同(砂膠比為0.36)時UTS為4.89 MPa，而此數值與石英砂ECC十分接近[2]，因此可以認為沙漠砂完全代替微石英砂并不會降低其抗拉強度。

圖10 單軸拉伸應力-應變曲線

表6 抗拉試驗結果

圖11 ECC試件受拉過程中多重開裂現象

ECC最重要的特征是具有較大的極限拉應變(TSC)，對于沙漠砂ECC，當砂膠比為0.36時(S3組)，極限拉應變為1.19%，而砂膠比同為0.36的微石英砂ECC極限拉應變一般能夠達到2%以上，沙漠砂ECC的延性在砂膠比相同時僅為微石英砂ECC的一半左右[2]，此結果證明了對于獲取高延性特性來說，微石英砂的確起到了至關重要的作用。在前文中微石英砂與沙漠砂的對比研究中已經發現，沙漠砂的平均粒徑偏大，而在物相組成方面又與微石英砂十分相似，因此能夠證明沙漠砂制備ECC的延性不如微石英砂，其原因就在于骨料尺寸偏大。但作為一種工程材料，片面追求過高的延性而忽視其他方面因素(例如價格)并不合理。目前ECC的延性已經遠超一般鋼筋材料的屈服應變(即使是屈服點達到600 MPa以上的高強鋼筋，0.50%的極限拉應變即可滿足ECC在鋼筋發生屈服后破壞)。然而過高的延性對于整體結構來說，除材料層面會有一定改善(例如減少裂縫數量和寬度)外，對于承載力以及剛度并無作用[11]。在實際工程中，更多強調的是材料性能滿足需求即可，材料某項突出的性能并不被需要(例如在軸壓并不高的柱中使用標號極高的混凝土，使其軸壓比遠遠低于設計值，則是一種對材料性能的浪費)。一般來說，更強性能的材料會對應更高的價格，而在結構設計過程中，降低造價又是設計方案被最終采納的關鍵影響因素，因此比起一味追求ECC更高的極限拉應變，讓ECC性能在滿足工程需求的前提下進一步降低其價格是更具實際意義的研究方向。沙漠砂ECC的極限拉應變呈現出明顯的隨砂膠比增大而增大的趨勢。其中S2組的極限拉應變最低，為0.52%，其次是S1組，為0.85%。極限拉應變最大的一組為S6組，達到了1.99%，較最低的S2組提高了283%。式(5)給出了極限拉應變與砂膠比的線性回歸表達式，其相關系數R2為0.86，呈現出了較高的相關性，如圖13所示。從結果來看，類似于抗壓試驗中的結論，試驗所設計的砂膠比范圍內并未找到極限拉應變隨之變化的峰值，這說明沙漠砂ECC的最優砂有較高可能性大于0.66。S6組的極限拉應變值已達到了微石英砂ECC的水平，加之其在更高砂膠比情況下可能具有更好的表現，足以說明，以沙漠砂為骨料制作的ECC延性能夠滿足要求。

UTS=1.13S+4.27,R2=0.51

(4)

TSC=2.69S+0.15,R2=0.86

(5)

圖12 抗拉強度與砂膠比的關系

圖13 極限拉應變與砂膠比的關系

圖14 抗剪強度與砂膠比之間的關系

2.3 剪切試驗

剪切試驗中每種砂膠比包含三個試件(a、b和c)，所有試件的剪切測試數據均列于表7中。試驗結果表明，沙漠砂ECC的抗剪強度與砂膠比相關度較低，如圖14所示，其值介于9.32～12.03 MPa之間。沙漠砂ECC的抗剪強度遠高于普通混凝土，約為C40混凝土抗剪強度的3倍。ECC亂向分布的纖維中，按剪切方向分布的纖維對ECC基體的剪切變形起到了約束作用，使得基體的剪切應力能夠轉化為纖維材料的正應力，從而使其抗剪強度明顯提高。有研究者對使用ECC代替混凝土材料澆筑成的鋼筋-ECC梁進行四點彎曲試驗，結果表明，是否配箍筋對試驗結果無影響，無箍筋的鋼筋-ECC梁不發生剪切破壞[25]。

表7 剪切試驗結果

2.4 四點彎曲試驗

四點彎曲試驗每組準備兩個試件(a和b)，所有試驗數據結果列于表8中，所有試件的荷載-位移曲線如圖15所示。彎曲測試后的ECC試件，其受拉區出現大量細密裂縫,如圖16所示，而此現象與抗拉試驗相符。沙漠砂ECC的抗彎強度(UFS)介于6.29～9.14 MPa之間，其線性回歸方程見式(6)，表現出了一定程度隨砂膠比增大而增大的趨勢，如圖17所示。其跨中最大撓度(UMD)則表現出更加明顯的隨砂膠比增大而增大的趨勢，如圖18所示，跨中最大撓度隨砂膠比變化的線性回歸方程見式(7)。其中表現最差的為S1組，為10.3 mm，除S3組跨中最大撓度略低于S4外，其他組別均嚴格隨砂膠比增大單調遞增。表現最好的S6組跨中最大撓度達到了18.9 mm，較S1提高了84%。值得注意的是，四點彎曲試驗中同樣在0.16～0.66的砂膠比范圍內未找到跨中最大撓度的峰值點，因此再次證明最優的砂膠比應高于0.66。四點彎曲測試本質上也反映出材料的抗拉性能，而四點彎曲與抗拉試驗的結果趨勢相互吻合，即均呈現出強度與變形能力均隨砂膠比增高的趨勢，且變形能力與砂膠比的相關性更加顯著。而通過兩種試驗對于相同的性質得到相同的結論也能夠證明測試結果的正確性。

UFS=4.08S+6.33,R2=0.61

(6)

UMD=14.57S+10.33,R2=0.75

(7)

圖15 四點彎曲試驗荷載-撓度曲線

圖16 四點彎曲試驗

圖17 彎曲強度與砂膠比的關系

圖18 跨中最大撓度與砂膠比之間的關系

表8 四點彎曲試驗結果

續表

3 內在機理分析

ECC能夠獲得高延性的原因在于其受拉過程中獨特的多重開裂現象，為判斷多重開裂現象能否出現，Li[2]提出了基于細觀力學的強度準則和能量準則作為判斷標準，見式(8)與式(9)。

σ0>σcr

(8)

(9)

式中：σ0為纖維的最大橋接應力；δ0為裂縫張開大小；σcr為基體的開裂強度；Km為基體的斷裂韌性；Em為基體的彈性模量；Jtip為基體斷裂韌性的斷裂能；J′b為裂縫開展過程中除纖維被拉伸變形外所需要的能量，簡稱余能；σ(δ)代表當裂縫寬度為δ時，纖維的橋接應力。

此理論認為，在ECC受拉過程中，基體開裂強度若長時間低于受拉區任意位置的纖維橋接應力σ0，見式(8)，則應變硬化現象可持續存在；同時，基體斷裂能Jtip必須要低于余能J′b，如式(9)所示。砂膠比對于ECC延性的影響可由強度準則與能量準則共同解釋。首先已有相關研究證明[26]，較高砂膠比會削弱基體的界面過渡區并降低其斷裂韌性Km，進而使得基體的開裂強度σcr降低，從而使σ0與σcr產生一個較大的差值，使延性提高。另一方面，較高砂膠比能夠提高基體的彈性模量Em(這一點在本研究中已經得到證實)，加上Km值降低，使得斷裂能Jtip降低；同時通過掃描電鏡(SEM)對拉伸斷面的纖維進行觀測發現，低砂膠比(S1組)斷面的纖維破壞情況較高砂膠比(S6組)嚴重，S1組試件有更多纖維呈現斷裂破壞狀態，如圖19所示。纖維若保持完好則表明纖維從基體中被拔出，根據能量準則，這種破壞模式較纖維發生斷裂破壞具有更大的裂縫張開寬度，從而使得裂縫張開所需的總能量更大，而纖維被拉伸消耗的能量僅取決于纖維本身的尺寸以及材料屬性，并不會因破壞模式的變化而改變。因此，更多纖維發生拔出破壞將使余能增大，從而使得能量準則更加容易得到滿足，而宏觀上表現為ECC更強的延性。

圖19 S1與S6組試件拉伸斷面的纖維破壞情況的SEM照片

4 結 論

為驗證沙漠砂代替微石英砂作為ECC骨料的可行性，并進一步探索沙漠砂最佳摻量，以烏蘭布和沙漠砂完全代替微石英砂作為ECC骨料，對砂膠比介于0.16～0.66的沙漠砂ECC進行了一系列材料性能試驗，結論如下：

(1)以沙漠砂代替微石英砂對ECC材料的抗壓、抗拉以及抗剪強度沒有影響，但它會降低ECC的延性以及彎曲變形能力。當兩種ECC砂膠比相同時，沙漠砂ECC的極限拉應變僅為微石英砂ECC的一半，配比經過合理設計后則能接近于微石英砂ECC的水平。在實際工程應用中，對于ECC材料的延性要求并不太高的情況下(例如要求極限拉應變達到1%)，擁有明顯經濟性優勢的沙漠砂ECC將是更合理的選擇。

(2)沙漠砂ECC抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、延性以及彎曲變形能力均呈現出隨砂膠比增大而增大的趨勢，表現最好的是砂膠比為0.66的試件。但由于未在試驗設計砂膠比范圍內找到峰值點，故推測可能最優砂膠比應高于0.66，其具體值需進一步研究得出。沙漠砂ECC的彈性模量與泊松比也呈現出隨砂膠比增大而增大的趨勢。

(3)XRD分析表明，對比微石英砂，沙漠砂中除SiO2外僅檢測出了微量的K2SiO3，而這種物質對鋼筋無害。因此，沙漠砂在物質組成上并無作為建筑材料的致命缺陷，具有較高推廣價值。