可噴射HBCSA水泥UHTCC力學性能試驗研究

徐偉鋮， 李賀東

（浙江理工大學建筑工程學院，杭州 310018）

0 引言

噴射混凝土是使用噴射機械將配制好的混凝土拌和均勻，通過空氣壓力或其他動力將其高速噴射在結構表面上，并快速凝結硬化的混凝土[1]。作為混凝土材料，噴射混凝土具有一些不可避免的缺點，例如具有抗拉強度低[2]、耐久性差[3，4]，剛度較大屬于脆性材料等。

超高韌性水泥基復合材料（簡稱UHTCC）利用斷裂力學和微觀力學原理對系統進行設計、調整和優化，所得的復合材料在僅使用約2%纖維體積率的摻量下就可以得到拉伸應變能力大于3%的新型復合材料[5-7]。其出色的拉伸性能[8]、彎曲性能[9]、剪切性能和可控的裂縫寬度能力，為材料和結構的耐用性提供了保證。UHTCC在噴射混凝土中的應用可以提高噴射混凝土的綜合性能，同時利用噴射技術，UHTCC材料可以實現大面積的快速施工。

近年來，由于UHTCC具有超高韌性和高效施工的特點，在修復或加固受損結構方面具有廣闊的應用前景，國內外一些大型工程項目應用了噴射UHTCC，如，日本對廣島Mitaka大壩[10]采用UHTCC噴射技術覆蓋了一層30mm厚保護層，以限制裂縫開展和防止滲漏；美國運用噴射UHTCC修補了Michigan Ctrtis公路損壞的路面板[11]；國內徐世烺團隊[12,13]研制出可持續噴射UHTCC，研究結果表明噴射方向對材料的抗拉強度和界面剪切強度有很大的影響，噴射UHTCC向下噴射時具有最佳的粘結性能。

目前國內噴射UHTCC基本選用普通硅酸鹽水泥，其生產時存在著能耗高、CO2排放量大[14]等缺點，同時硅酸鹽水泥本身干燥收縮大，耐久性較差，因此選擇了高貝利特硫鋁酸鹽水泥，其具有燒成溫度低，早強快硬、低干縮、抗硫酸鹽侵蝕、耐久性好等優點，且快硬快凝的特點更加適合可噴射性能的要求[15,16]。

文中試驗在研制一種噴射性能良好的高貝利特硫鋁酸鹽水泥噴射UHTCC，并開展抗壓試驗、直接拉伸試驗、四點彎曲試驗，以抗壓強度、抗拉強度、彎曲強度為指標對其力學性能進行研究和分析。

1 試驗概況

1.1 試驗材料與制作

試驗配合比包括高貝利特硫鋁酸鹽水泥（C）、粉煤灰（FA：I級粉煤灰）、硅粉（SF：艾肯?920U）、PVA纖維,（性能參數見表1）、100-200目硅砂（S）、可再分散乳膠粉（LP：VINNAPAS?5010N）、聚梭酸系高效減水劑4930F（SP：德國巴斯夫美爾福斯公司Melflux4930 F）、硼酸（RE：無錫市展望化工試劑有限公司）、觸變劑為987（TH：美國 ROCKWOOD 公司 OPTIBENT?987）等外加劑，用自來水拌和。水泥選用唐山北極熊建材有限公司的42.5高貝利特硫鋁酸鹽水泥。試驗混凝土水膠比為0.30，砂率100%，其配合比見表3。

表1 PVA纖維性能參數

表2 高貝利特硫鋁酸鹽水泥性能參數

表3 混凝土配合比（質量比）

攪拌前先用清水沖洗干凈攪拌機，待干后將膠凝材料、干粉料以及外加劑等材料一起倒入攪拌機，干拌1min充分攪勻混合后，加入預先盛好的水、高效減水劑攪拌攪拌2min，最后加入PVA纖維，攪拌2～3min至纖維均勻分布即可制成UHTCC新鮮拌合物。

噴射時采用濕噴法進行人工噴射，距離噴射面1m自下而上逐層從左往右向模內噴射完成見圖1。噴射24h后拆模，送標準養護室養護，養護至7d齡期時將大板切成標準尺寸試件（切割時與噴射方向相同從左往右切割），切割后放入養護室繼續養護至指定齡期。試件的尺寸如表4所示。

圖1 噴射UHTCC施工示意圖

表4 噴射UHTCC基本力學性能試件尺寸mm3

1.2 試驗方法

立方體抗壓試驗采用LM-02型數字式測力儀加載，加載速率為1.5kN/s；直接拉伸試驗采用SANS-30kN萬能試驗機加載，用IMC數據采集系統采集試驗數據，其加載方式和裝置如圖2所示。試件中部量取100mm作為測量段，采用LVDT測量拉伸變形，加載速率為0.1mm/min；彎曲試驗采用四點彎曲加載，加載方法和裝置如圖3所示，采用LVDT測量跨中撓度，加載速率為0.5mm/min。

圖2 拉伸試驗裝置

圖3 彎曲試驗裝置

2 試驗結果與分析

12mm-PVA噴射UHTCC新鮮狀態下坍落度為7.8cm，初凝時間約為40min，終凝時間為65min，基體硬化較快。試驗過程中噴射UHTCC泵送性能良好，基本無堵管現象，噴出的UHTCC呈現霧狀擴散見圖4，一次性噴射厚度可達3cm以上見圖5，密度為1.71kg/m3，噴射UHTCC在垂直面上的回彈率控制在5%以下，整體噴射性能良好。

圖4 噴射效果

圖5 噴射厚度

2.1 立方體抗壓試驗

噴射UHTCC抗壓強度試驗結果如表4所示。

表5 噴射UHTCC抗壓試驗結果

噴射UHTCC抗壓試驗表明：①12mm-PVA噴射UHTCC早期7d齡期抗壓強度為26.7MPa，28d齡期抗壓強度為42.0MPa，摻入高貝利特水泥后期強度繼續發展，56d齡期抗壓強度可達到50.90MPa；②8mm-PVA噴射UHTCC抗壓強度發展趨勢與12mm-PVA配比大致相同，同齡期抗壓強度略低于12mm-PVA噴射UHTCC；③使用12mmPVA纖維的可噴射UHTCC在各齡期下的抗壓強度皆高于使用8mm纖維的情況。

2.2 直接拉伸試驗

直接拉伸試件于加載前1d從養護室中取出，待試件干燥后，用環氧樹脂將碳纖維布粘貼在兩端夾緊件上，再用環氧樹脂將鋁片粘貼在試件兩端，以減輕因夾具的夾持力可能引起的應力集中見圖6。

圖6 噴射UHTCC直接拉伸試驗前試件準備

噴射UHTCC直接拉伸試驗結果如表6所示。

表6 噴射UHTCC直接拉伸試驗結果

噴射UHTCC直接拉伸試驗表明：①12mm-PVA噴射UHTCC其早期抗拉強度提高較快，7d齡期極限抗拉強度為3.14MPa，是28d齡期的90%，后期抗拉強度繼續發展，56d極限抗拉強度可以達到3.64MPa；②12mm-PVA噴射UHTCC極限拉伸應變隨齡期的增加而減小，從7d齡期拉伸應變為2.03%到56d齡期拉伸應變為1.32%；③8mm-PVA噴射UHTCC與12mm-PVA配比相比同齡期抗拉強度、拉應變都明顯下降，這可能是因為基體本身的變化以及在噴射施工時工藝的差別造成的。

圖7為12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗應力-應變曲線。可以看出，隨著齡期的增加，噴射UHTCC在應力基本不變的條件下，極限拉伸應變不斷減小，應變硬化區逐漸變短；同時，應力應變曲線的抖動幅度增大，7d較14d、28d、56d齡期在硬化段振動頻率和幅度相比是減緩的，這也與試樣表面觀察到的多縫開裂現象隨齡期的增加更為顯著的結果相一致見圖8。另外，拉伸破壞呈現延性破壞方式，破壞面纖維以拔出為主，纖維表面無明顯削剝或磨損。

圖7 12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗應力-應變曲線

圖8 12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗最終破壞裂縫形態

厚度改變對薄板的真實彎曲強度、工作性能及耐久性能均有重要影響，采用15、30、60mm的3個不同尺寸厚度的薄板進行四點彎曲試驗（噴射面作為受拉面），28d齡期噴射UHTCC的四點彎曲試驗結果如表7所示。

表7 噴射UHTCC四點彎曲試驗結果

噴射UHTCC四點彎曲試驗表明：通過對圖9的分析可知，隨著板厚的增加，12mm-PVA噴射UHTCC對應的極限彎曲強度、跨中撓度、開裂強度依次減小，同時抖動頻率也依次減少，多縫開裂現象下降見圖10；12mm-PVA噴射UHTCC 60mm厚薄板試件彎曲強度雖然低于15、30mm厚試件的彎曲強度，但極限彎曲強度也可達8.75MPa，峰值荷載對應的跨中撓度為為2.63mm，在需要搶修、加固較大厚度結構工程時滿足其對材料的彎曲性能要求。

圖9、圖10在結構破壞過程中，噴射UHTCC還顯示出了優異的裂縫無害化分散能力；8mm-PVA噴射UHTCC與12mm-PVA配比相比極限彎曲強度、跨中撓度皆有所下降，可見纖維長度增長對其彎曲性能有所增強。

圖9 12mm-PVA噴射UHTCC四點彎曲試驗應力-跨中撓度曲線

圖10 12mm-PVA噴射UHTCC四點彎曲試件最終破壞裂縫形態

3 結語

文中利用高貝利特硫鋁酸鹽水泥發展可噴射UHTCC，經過一系列的試驗分析，可得到如下結論：

（1） 文中研制的噴射UHTCC泵送性能良好，基本無堵管現象，霧化效果好，一次性噴射厚度可達3cm以上，回彈率控制在5%以下，整體噴射性能良好，適合用于噴射連續施工。

（2） 相較于8mm纖維，12mmPVA纖維顯然更適合用來發展噴射UHTCC，對應可以獲得更高的抗壓強度和極限拉伸應變，利用12mmPVA纖維開發的可噴射UHTCC28d抗壓強度可達42MPa，極限拉應變可達到1.5%，其拉伸性能仍有較大的可提升空間。

（3） 12mm-PVA噴射UHTCC56d抗壓強度約為28d齡期強度的119%，其后期強度顯示出明顯的增長趨勢，伴隨抗壓強度的增長，相應極限拉應變降低至28d齡期的88%，其更長齡期性能未來仍需要持續觀測。

（4） PVA噴射UHTCC抗彎強度隨薄板厚度增加呈現逐漸降低的趨勢，但60mm厚UHTCC抗彎強度仍可穩定達到8MPa以上，各厚度試件均呈現明顯的彎曲硬化和多縫開裂性能。