高強度高延性水泥基復合材料的彎曲性能*

吳立山，余志輝，袁 振，張 聰,2

(1.江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214000；2.江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

高強度高延性水泥基復合材料(high strength high ductility cementitious composite, HSHDCC)是近年來快速發展的一種新型超高性能建筑材料。相比于傳統的聚乙烯醇(PVA)纖維增強高延性水泥基復合材料(PVA-engineered cementitious composite, PVA-ECC), 采用超高分子量聚乙烯(PE)纖維制備的HSHDCC抗壓強度通常不低于100 MPa且拉伸延性可達5%～10%，在結構加固、工程抗震、結構輕量化設計等方面具有更加廣泛的應用前景[1-5]。但是，昂貴的PE纖維所導致的HSHDCC的高成本始終是限制其大規模工程應用的主要問題。

纖維混雜化是降低HSHDCC成本的重要方法之一[6]。目前，PE纖維與鋼纖維混雜是最為常用的一種方式。但是，大量研究表明，采用鋼纖維部分取代PE纖維雖然提高了HSHDCC的抗拉強度，但是明顯劣化了HSHDCC的延性和裂縫控制能力[7-9]。究其原因，HSHDCC是基于細觀斷裂力學設計的一種具有應變硬化和多縫開裂行為的高延性材料，在設計中需要通過纖維的有效橋聯應力來滿足強度準則和能量準則；而相同體積的鋼纖維根數與PE纖維根數差異巨大，從而導致纖維的有效橋聯應力不足，致使HSHDCC的硬化過程和多縫開裂過程不穩定且不飽和，從而明顯劣化了HSHDCC的延性。張聰等人前期的研究發現[10-12]，高強高彈模低成本的文石型碳酸鈣晶須對提高傳統PVA-ECC的性價比具有顯著的效果，利用碳酸鈣晶須部分替代價格昂貴的PVA纖維不但可以有效降低PVA-ECC的成本，同時明顯改善了材料的應變硬化和多縫開裂行為，這為提高HSHDCC性價比提供了可借鑒的思路。

本文基于前期研究成果[10-12]，首先，通過優化配合比制備了C120強度等級的HSHDCC材料，通過彎曲性能試驗確定了最優配合比；其次，通過引入廉價的碳酸鈣晶須進一步優化HSHDCC的性能，配制了新型的HSHDCC材料，研究了碳酸鈣晶須對彎曲性能的改善效果。本文的研究成果可為HSHDCC的配制與優化提供重要的依據與參考。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

配制HSHDCC所用原材料包括P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥(安徽海螺)、SF96級硅灰(河南鉑潤)、一級粉煤灰(河南四通)、S105級礦粉(山東蟠龍山)、精細石英砂(粒徑100～210 μm，平均粒徑150 μm)、聚羧酸高性能減水劑(蘇州弗克，減水率≥30%)、碳酸鈣晶須(上海峰竺)和PE纖維(東莞索維特)。水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英砂和碳酸鈣晶須的實測粒徑分布如圖1所示。膠凝材料的化學組成如表1所示。PE纖維和碳酸鈣晶須的形貌如圖2所示，其基本物理力學性能如表2所示。

圖2 PE纖維與碳酸鈣晶須的形貌

表1 膠凝材料的化學組成

表2 PE纖維和碳酸鈣晶須的基本物理力學性能

圖1 原材料的粒徑分布曲線

共設計了6組HSHDCC配合比，如表3所示。各組HSHDCC固定PE纖維的體積摻量為1.5%，碳酸鈣晶須根據設計需要按0.5%的體積摻量引入。

表3 試驗配合比(kg/m3)

1.2 試驗方法

采用行星式攪拌機將水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、碳酸鈣晶須、石英砂干拌2 min，隨后加入水和高效減水劑，攪拌2 min，最后均勻加入PE纖維，攪拌6 min，獲得新拌HSHDCC材料。新拌HSHDCC裝入100 mm×400 mm×13 mm的鋼模后放入混凝土標準養護箱養護24 h，拆模，隨后在溫度(20±2)℃、濕度95%的標準養護箱中繼續將試件養護至28 d，隨即進行彎曲性能測試。采用MTS E44電子萬能試驗機進行彎曲試驗，試驗的加載裝置如圖3所示。參照《JC/T 2461—2018 高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》，彎曲試驗加載方式為位移控制，加載速率為0.5 mm/min。

圖3 彎曲試驗加載裝置

2 結果與討論

2.1 水膠比對抗彎性能的影響

圖4(a)為HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3試件的代表性彎曲荷載-撓度曲線；圖4(b)為HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3試件的抗彎強度、極限撓度隨水膠比的變化關系。由圖4可以看到，各組試件的抗彎強度均高于10 MPa，是傳統PVA-ECC抗彎強度的2倍，且均表現出了不同程度的彎曲撓度硬化行為，具有較高的延性。HSHDCC的抗彎強度與水膠比近似呈負線性相關，隨著水膠比增大，HSHDCC的抗彎強度逐漸降低；相比于0.14水膠比，當水膠比提高至0.16時，HSHDCC的抗彎強度降低了31.6%。相反地，HSHDCC的極限撓度與水膠比近似呈正線性相關，隨著水膠比增大，HSHDCC的極限撓度明顯提高；相比于0.14水膠比時的15.4 mm，當水膠比增大到0.16時，HSHDCC的極限撓度提高至45.7 mm，提高了196.7%。究其原因，適當增大水膠比降低了HSHDCC的初裂強度(如圖4(a)所示)和彈性模量，使纖維的橋聯應力始終大于材料的開裂應力，從而保證了HSHDCC穩定的多縫開裂；同時，較低的開裂應力和彈性模量也保證了HSHDCC的基體斷裂韌度小于纖維的橋聯余能，從而實現HSHDCC穩定的硬化行為，表現出更高的延性[13-15]。

圖4 試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲性能

圖5為試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲裂縫形態?？梢钥吹?，試件的裂縫形態符合圖4(a)中的荷載-撓度曲線結果，因為HSHDCC的延性在宏觀上表現為材料的多縫開裂程度；隨著水膠比由0.14提高至0.16，試件的裂縫根數由9條增加至45條，裂縫變得更為細密。

圖5 試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲裂縫形態

2.2 碳酸鈣晶須對抗彎性能的影響

圖6為0.15水膠比未摻粉煤灰的HSHDCC-2和HSHDCC-4組試件的彎曲荷載-撓度曲線，其中，HSHDCC-4混雜使用了1.5%體積摻量的PE纖維和0.5%體積摻量的碳酸鈣晶須?？梢钥吹?，引入碳酸鈣晶須并未對HSHDCC的抗彎強度產生明顯的劣化，但是顯著改善了材料的延性，試件的極限撓度由未摻晶須的34.1 mm提升至57.1 mm，提高了67.4%。

圖6 碳酸鈣晶須對不摻粉煤灰HSHDCC彎曲性能的影響

同樣地，對于0.16水膠比摻加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6組試件，由圖7可以看到，摻入粉煤灰能夠提高HSHDCC的延性，而碳酸鈣晶須的引入可以進一步改善HSHDCC的抗彎強度和延性。究其原因，碳酸鈣晶須能夠通過晶須拔出、裂紋偏轉和裂紋橋聯等微觀作用機制(如圖8所示)增加砂漿基體中微裂紋的數量，進而產生更多的微裂源，提高裂縫的穩定擴展能力，從而改善HSHDCC的多縫開裂能力和彎曲撓度硬化行為[16-19]。

圖7 碳酸鈣晶須對摻粉煤灰HSHDCC彎曲性能的影響

圖8 碳酸鈣晶須的微觀作用機制

圖9為0.16水膠比摻加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6組試件的彎曲裂縫形態。可以看到，相比于單摻1.5%體積摻量的PE纖維，混雜使用0.5%體積摻量的碳酸鈣晶須使試件的彎曲裂縫數量增加，裂縫間距減小，多縫開裂現象更加明顯。

圖9 試件HSHDCC-5和HSHDCC-6的彎曲裂縫形態

3 結 論

研究了C120強度等級的HSHDCC材料的彎曲性能，并通過引入廉價的碳酸鈣晶須配制了新型的HSHDCC材料。研究了碳酸鈣晶須對新型HSHDCC材料彎曲性能的改善效果，可以得到以下結論：

(1)水膠比對HSHDCC的彎曲性能有顯著影響，HSHDCC的抗彎強度與水膠比近似呈負線性相關，而彎曲極限撓度和延性與水膠比近似呈正線性相關。

(2)HSHDCC的彎曲裂縫隨水膠比的提高而愈發飽和、細密，引入碳酸鈣晶須可以進一步改善HSHDCC的多縫開裂行為。

(3)碳酸鈣晶須通過晶須拔出、裂紋偏轉和裂紋橋聯等微觀作用機制改善了HSHDCC的彎曲性能，材料的撓度硬化行為更加顯著，延性提升明顯。