骨料種類對ECC力學性能的影響研究

郝如升,王振波,包想軍,李 洋

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2. 中國礦業大學(北京),北京 100083;3. 中國水利水電第三工程局有限公司, 西安 710024)

0 前 言

水工混凝土性脆易裂,服役過程中產生的毫米級裂縫成為有害離子侵蝕和滲漏的主要通道,加快混凝土保護層剝落和鋼筋腐蝕速度,嚴重影響水工結構的安全性與服役周期[1-3]。將纖維或纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)與混凝土結合可改善其脆性,能在一定程度上提升鋼筋混凝土的韌性和變形能力,但拉伸軟化并未得到根本改善[4-5]。高延性水泥基材料(Engineered Cementitious Composites, ECC)是為克服傳統混凝土脆性、解決其耐久性問題而發展起來的高性能建筑材料,其在復雜荷載作用下仍具有應變硬化、延性高、裂縫小和抗侵蝕等優異性能[6],其拉伸應變能達到混凝土的百倍[7],目前主要被研究應用于建筑加固、混凝土路面、地下水庫和建筑加固等工程領域[8-11]。在水工建筑中,ECC已被成功應用于金沙江上游巴塘電站,旨在解決壩基廊道開裂及滲透問題。

ECC主要由纖維、水泥、粉煤灰、水和精細石英砂(75～150 μm)等材料配制而成,高昂的材料成本致使其雖具備優異的力學性能卻無法得到大面積的推廣與工程應用。其中,精細石英砂不僅制備費用和運輸價格高,且大量開采對環境造成不利影響。為此,許多學者開展了替代精細石英砂方面的研究。Sahmaran等[12]通過調整粉煤灰摻量,分別使用破碎礫石砂和石灰巖砂制備出性能優異的ECC,其強度和延性優于精細石英砂ECC;李祚等[13]使用沙漠砂制備了ECC,發現其抗拉、抗剪和抗壓強度與精細石英砂ECC相比無明顯變化,但極限拉伸應變僅達到精細石英砂ECC的50%;郭麗萍等[14]使用金剛砂和精細石英砂制備了ECC,對比發現,金剛砂ECC的抗拉強度高于精細石英砂ECC,但極限拉應變降低了56%;姚淇耀等[15]使用海沙制備出抗拉強度達到2.70 MPa、延性達到3.99%的ECC。可見,使用不同類型的骨料配置ECC,其性能易可達到甚至超過精細石英砂ECC。類似地,倘若使用工程現場細骨料制備ECC,不僅能夠降低ECC原材料成本,還可彌補水工混凝土的性能短板,發揮其高耐久、抗沖擊和耐侵蝕的優勢,也為構筑高性能水工結構奠定基礎。

基于此,本文分別采用某工程現場砂(鈣質砂)和石英砂制備了ECC,試驗研究了骨料類型對ECC抗壓性能、抗彎性能、抗拉性能和裂縫寬度的影響,探尋該現場砂制備ECC的可行性,為構筑高性能水工建筑物提供新思路。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥采用金隅冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其初凝和終凝時間分別為191 min和246 min,化學成分檢驗結果見表1。選用粉煤灰代替部分水泥可降低砂漿基體的強度,改善纖維與砂漿基體之間的黏結性能,使ECC獲得更好的穩態開裂效果。本研究選用I級粉煤灰,其化學成分檢驗結果列于表1。

表1 膠凝材料化學成分

纖維采用日產聚乙烯醇(PVA)纖維,出廠時纖維表面已進行涂油處理,從而降低纖維與砂漿基體間的化學黏結力,使其發揮更好的橋接效果,單根PVA基本性能參數見表2。

表2 PVA性能參數

本文采用兩種砂制備ECC,二者壓碎值按照JGJ 52-2006標準[16]測試,其不同粒徑區間的壓碎值對比見表3。兩組ECC均由0.075～0.60 mm粒徑區間的砂制備,細度模數為1.23,各粒徑占比分別為:0.30 ～0.60 mm占47%,0.15 ～0.30 mm占29%,0.075 ～0.15 mm占24%。

表3 兩種砂的壓碎值

1.2 試驗配合比

兩組ECC采用相同的配合比,ECC-1表示用石英砂制備的ECC,ECC-2表示用鈣質砂制備的ECC,PVA纖維的體積摻量為2%。此外,為研究PVA纖維對ECC的增強增韌效果,設置了不摻纖維的砂漿基體對比組,即ECC-1M和ECC-2M,具體見表4。

表4 ECC配合比

1.3 試驗方法

兩組ECC試件的成型與養護的步驟如下:① 將砂投入攪拌機后加入總拌合水的8%攪拌1 min,使砂子充分預濕;② 將膠凝材料加入攪拌機與砂子攪拌2 min,待混合均勻后,緩慢加入剩余拌合水和減水劑并繼續攪拌2 min,獲得均勻流動的漿體;③ 將纖維緩慢撒入漿體內,充分攪拌以保證纖維分散均勻;④ 將攪拌好的ECC漿體,分2～3次分別澆筑至對應模具(抗壓、抗彎和抗拉試件),振搗后抹面,并使用聚乙烯保鮮膜覆蓋表面以防止水分散失;⑤ 將澆筑好的ECC靜置1 d后拆模,并將試件移入標準養護室分別養護至7 d和28 d,在測試前將試件從養護室中取出進行相關力學性能試驗。

ECC基體抗壓試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[17]進行。ECC抗壓試驗的試件采用邊長為70.7 mm的立方體,加載速率為0.5 mm/min。抗拉試件采用日本土木工程學會(JSEC)推薦的狗骨型試件[18],其具體尺寸見圖1。

試驗過程中,在試件兩側分別安裝兩個引伸計,并由計算機實時采集拉伸荷載值和試件受拉區的軸向拉伸應變,試驗加載速率為0.15 mm/min。抗彎試件選用160 mm×40 mm×40 mm(長×寬×高)的長方體,三點彎曲加載速率為0.15 mm/min,跨距為100 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓性能

從兩組ECC抗壓應力-應變曲線對比可以看出(見圖2),抗壓試件達到峰值荷載后,強度隨應變增加而緩慢降低,曲線趨于平滑,在停止試驗前(2.5%應變前),試件仍具有一定的承載力,殘余強度介于20～40 MPa。試驗過程中ECC的破壞過程如下:加載初期,試件表面無明顯變化;荷載增加至峰值荷載的80%左右,試件表面首先出現微裂紋,隨著荷載的繼續增加,原裂紋延伸擴展的同時伴隨新裂紋的產生,可聽到纖維斷裂和拔出的“嘶嘶”聲;達到峰值荷載時,主裂紋雖貫穿試件,但試件裂而不碎;此后,試件承載力隨著位移的增加而緩慢下降,裂縫繼續擴張,試件橫向變形明顯增大,側表面出現“鼓包”和剝落現象,停止加載后,試件仍具有較高的整體性。整個受壓過程中,ECC表現出優異的抗壓韌性和延性破壞,與砂漿的脆性破壞形式有明顯差異,這歸功于內部PVA纖維的增韌阻裂作用。

圖2 ECC抗壓應力-應變曲線

圖3匯總了兩組ECC的抗壓強度,與ECC-1M和ECC-2M相比,摻入纖維使其抗壓強度分別降低了30%和18%。這是因為,試件攪拌成型時,摻入PVA纖維在ECC中引入界面和氣孔等內部缺陷,導致試件孔隙率增大、抗壓強度降低。值得注意的是,ECC-2的7 d抗壓強度達到28 d的75.8%,遠高于ECC-1的57%。上標是因為ECC-2中的鈣質砂內部含有氯離子(Cl-),可促進鋁酸鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)的水化作用[19],有利于ECC早期強度發展。

圖3 抗壓強度對比

2.2 抗拉性能

圖4繪制了兩組ECC的抗拉應力-應變曲線。從圖4中可以看出,應力應變曲線均經歷3個階段:① 線彈性階段,此階段試件表面保持完整,應力隨應變線性增加;② 應變硬化階段,在產生第一條裂紋后,ECC進入應變硬化階段,此階段試件表面呈現多點開裂的特征,抗拉強度隨應變增加抖動上升,應力的每一次抖動都代表著一條新裂縫的產生;③ 應變軟化階段,拉伸應力達到峰值后,最薄弱的裂縫持續張開發展為主裂縫,最終導致試件斷裂破壞。

圖4 ECC抗拉應力-應變曲線

從抗拉應力-應變曲線中提取出兩組ECC的開裂強度、抗拉強度和極限拉應變等參數,并匯總于圖5中。ECC-1的7 d和28 d開裂強度達到2.94 MPa和3.25 MPa,分別是ECC-2的1.31倍和1.40倍。這是因為ECC的拉伸開裂強度主要取決于砂漿基體的開裂強度,而鈣質砂的壓碎值低于石英砂(見表3),致使ECC-2的拉伸開裂強度低于ECC-1。相較于兩組ECC的開裂強度,二者之間的抗拉強度差距縮小,ECC-1的抗拉強度僅為ECC-2的1.08倍和1.09倍。反觀二者的極限拉伸應變,ECC-2的7 d和28 d極限拉應變分別達到4.23%和5.15%,分別是ECC-1的5.42倍和2.96倍。

圖5 抗拉參數對比

ECC是基于微觀力學設計的高性能水泥基復合材料,其具有的應變硬化行為本質上是“拉伸強度增大-基材開裂-斷面間纖維發揮橋接作用-拉伸應變持續增加-拉伸強度增大”的循環往復過程,正是因為ECC-2較低的開裂強度,更易滿足設計原理中的強度準則,致使PVA纖維在ECC-2的應變硬化過程中發揮了更好的橋接作用,從而表現出更優異的延性。也正是通過應變硬化過程,彌補了ECC-2自身拉伸開裂強度的不足。但整體而言,兩組ECC的延性均遠超于普通混凝土的延性,ECC-1的極限拉應變超過1.5%,可滿足多數水工結構對材料延性的需求。

圖6展示了拉伸過程中兩組ECC的裂縫形態發展,圖中括號內的數字代表該應變下裂縫的平均寬度。由圖6可以看出,隨著應變的增加,裂縫寬度和裂縫數量逐漸增大。與傳統混凝土破壞時展現出的宏觀裂縫不同,兩組ECC在應變硬化過程中的裂縫始終控制在微米級。研究表明,寬度不超過150 μm的裂縫具有優異的自愈合性能,且裂縫寬度越小,愈合效率越高[20]。因此,ECC的這一優異的裂縫控制能力,對于有嚴格抗滲要求的水工結構是非常有利的。

圖6 ECC裂縫發展

2.3 抗彎性能

兩組ECC的抗彎荷載-位移曲線如圖7所示。由圖7可知,與抗拉應力-應變曲線相同,荷載-位移曲線也經歷了線彈性、應變硬化和應變軟化3個階段。從曲線中提取出兩組ECC的抗彎荷載和極限撓度,并繪制于圖8,可以看出,ECC-2的28 d抗彎荷載和極限撓度分別達6.83 kN和1.83 mm,均高于ECC-1,說明使用鈣質砂制備ECC具有更優的抗彎性能。此外,根據ASTM C1018[21]計算了ECC的彎曲韌性,抗彎過程中,ECC的各級韌性指數(In)均滿足硬化彈塑性材料的條件。

圖7 ECC抗彎荷載-位移曲線

圖8 抗彎參數對比

圖9展示了兩組ECC抗彎試件28 d的受彎試件側面的裂紋形態,拍攝時間對應位移-荷載曲線上的峰值荷載(試件處于加載狀態)。其中,對試件純彎段進行了二值化處理,以便觀察裂紋分布形態。可以看出,兩組ECC均表現出不同程度的多點開裂特征,其破壞形態與鋼筋混凝土類似,這是因為亂象分布的PVA纖維在ECC內部形成穩定的支撐體系,在基材開裂后承擔一部分應力,避免了應力的突然釋放,抑制了ECC的開裂過程,提高其抗折和抗彎性能。

圖9 ECC彎曲破壞形態

3 結 論

本文分別使用石英砂和鈣質砂制備了ECC,并通過抗壓試驗、抗拉試驗和抗彎試驗,研究對比了骨料類型及養護齡期對ECC基本力學性能的影響,并分析了PVA纖維對ECC的增強增韌作用機理,得出以下主要結論:

(1) 與ECC-1M和ECC-2M相比,摻入PVA纖維使兩種ECC的28 d抗壓強度分別降低了18%和30%,但抗壓試驗中表現出優異的延性和韌性。鈣質砂ECC的早期強度發展速度快于石英砂ECC,其7 d抗壓強度可達到28 d的75.8%。

(2) 兩種砂制備的ECC在抗拉過程中均展現出優異的應變硬化效果,其平均裂縫寬度不超過100 μm。鈣質砂ECC的拉伸開裂強度和抗拉強度均低于石英砂ECC,但其極限拉應變遠高于石英砂ECC,7 d和28 d分別達到了4.23%和5.15%。

(3) 兩種ECC的抗彎荷載位移曲線均經歷了線彈性、應變硬化和應變軟化3個階段,二者均滿足彈塑性材料的韌性指標。與石英砂ECC相比,鈣質砂ECC具有更優的抗彎性能,其28 d抗彎荷載和極限撓度分別達6.83 kN和1.83 mm。