工程水泥基復合材料配合比對其拉伸性能及耗能特性的影響

摘要：工程水泥基復合材料（Engineered cementitious composites，ECC）在工程結構修復加固等領域應用廣泛。制備了12組不同配比且不同養護齡期的ECC試件進行單軸拉伸試驗，研究了不同砂膠比、水膠比、硅灰摻量、纖維摻量及養護齡期對ECC拉伸性能及耗能特性的影響，優化了ECC的配合比范圍。結果表明：ECC的初裂強度和峰值強度在水膠比的一定范圍內隨水膠比的降低而增加，水膠比的建議區間為0.24～0.30；砂膠比在一定范圍內的增加會導致ECC的初裂強度和峰值強度顯著提高，砂膠比增加且不超過0.66時斷裂能、延性指數（耗能能力）均呈現線性增加，砂膠比的建議區間為0.60～0.66；纖維摻量增加對ECC的斷裂能和裂紋擴展有一定提高，但會使強度降低，纖維摻量的建議值為1.6％；適當的硅灰摻量能有效增加抗拉應變能力。

關鍵詞：工程水泥基復合材料 配合比 單軸拉伸試驗 斷裂能 延性指數

中圖分類號：TU528" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）02-0023-09

Effect of Mix Ratio on the Uniaxial Tensile Performance and Energy Dissipation Property of Engineered Cementitious Composites

HUANG Hui1， ZHANG Qiang1， WU Zhizhong1，2， JIA Bin1， LU Bing1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China; 2.Municipal Engineering Branch of China Mccs Group Corp. Ltd.， Chengdu 610056， Sichuan， China）

Abstract：" Engineered cementitious composites （ECC） in structural repair and reinforcement are widely used. In this test， 12 sets of ECC with different mix ratios and different curing ages were prepared for uniaxial tensile tests， the effects of different proportions of sand-binder ratios， water-binder ratios， silica fume content and fiber content and ages on the tensile properties and energy dissipation properties of ECC were analyzed. Besides， the mix ratio range of ECC was also optimized. The results show that the initial cracking strength and peak strength of ECC increase with the decrease of the water-binder ratio within a specific range， and the recommended range of the water-binder ratio is 0.24-0.30. The initial crack strength and peak strength of ECC significantly increase when the sand-binder ratio to cement increases within a specific range. When the sand-binder ratio is increased and does not exceed 0.66， the fracture energy and ductility index （energy dissipation capacity） linearly increase， and the recommended range of the sand-binder ratio is 0.60-0.66. The fracture energy and crack growth of ECC are improved with the increase of fiber content， but the strength decreases， and the effect is limited. The recommended value of fiber content is 1.6%. Appropriate silica fume content can effectively increase the tensile strain capacity.

Keywords：" Engineered cementitious composites; Mix ratio; Uniaxial tensile test; Fracture energy; Ductility index

工程水泥基復合材料（Engineered cementitious composites，ECC）是一種具有拉伸應變強化特性、穩態的多縫裂紋擴展特性的先進水泥基復合材料，在土木工程中應用廣泛。ECC主要由水泥、砂、粉煤灰、減水劑、水、纖維等按照一定比例混合攪拌而成。Li等［1］基于微觀力學對工程材料進行微觀結構設計，配制出一種高延性、高韌性、高抗裂的復合材料，該類高性能復合材料的力學性能優于傳統混凝土，彌補了傳統混凝土的缺點，可用于極端荷載或疲勞度要求較高的工程結構。ECC在工程實際應用過程中面臨以下問題：一是傳統ECC中采用進口PVA纖維和細硅砂，高成本限制其在工程上的大規模應用；二是為保證ECC材料應變硬化和多次開裂的韌性性能，較低的砂膠比和水膠比需使用大量普通硅酸鹽水泥［2-3］，加大了能源消耗和空氣污染；三是通過纖維性能、摻量來提高ECC材料韌性和耗能能力，施工工藝難以滿足工程應用要求，基本力學性能提升效果受限。因此，研究配合比對ECC拉伸性能的影響對工程應用具有重要意義。

國內外學者對ECC配合比的優化設計進行了大量研究。王玉清等［4］以粉煤灰代替水泥進行了抗彎性能測試，得到最佳摻量下單軸拉伸性能具有較強的屈服強化能力，極限拉伸應變達到3.25%。祝和意等［5-6］通過試驗發現纖維摻量在一定區間內可以穩定增加ECC抗壓強度，但纖維過量摻入會降低其抗壓強度。Zhou等［7］發現水膠比也是影響ECC性能的關鍵因素之一，過大的水膠比會導致內部結構疏松，抗壓強度降低。白亮等［8］和呂林女等［9］發現砂膠比的增加會導致水泥用量相對減少，過大的砂膠比會導致膠凝材料間的相互作用減弱，影響ECC拉伸性能。Yang等［10］發現在ECC中加入適量粉煤灰可以降低其基體韌度，提高ECC力學性能。關于ECC配合比的設計與優化及配合比對其力學性能的影響研究較多，配合比對ECC耗能特性的影響有待進一步研究。本研究以水泥、硅灰、石英砂、日本進口聚乙烯醇纖維等為主要原料，設計12組不同配合比參數配制ECC，研究纖維摻量、膠砂比、水膠比、硅灰摻量對其拉伸性能以及耗能特性等的影響。

1 材料與方法

1.1 基材

水泥：P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥；骨料：石英砂，細度模數2.6，粒徑不超過5 mm；水：綿陽市自來水廠生活用水；減水劑：聚羧酸高性能減水劑；粉煤灰：一級粉煤灰，四川大漢礦業有限責任公司；硅灰：工業級，綿陽市騰輝礦業有限公司；PVA 纖維：日本Kuraray公司，纖維基本力學參數如表1所示。

1.2 配合比

依據我國《高延性混凝土應用技術規程》（DBG 61/T 112—2016）［11］要求進行ECC材料配比設計。

水膠比的確定：依據工程水泥基復合材料的性能及應用［12］和制備ECC材料的強度進行水膠比選擇，水膠比不宜大于0.4。

砂膠比的確定：依據工程水泥基復合材料的性能及應用［12］進行砂膠比確定。

減水劑劑量：滿足工程水泥基復合材料應用的環境類別、施工工藝和膠凝材料強度等要求，在節約水泥和降低ECC材料成本前提下通過減水率最終確定減水劑的劑量，一般情況下減水率為12%～25%，計算得出減水劑劑量為膠凝材料總質量的0.8%～2.0%。

纖維摻量/種類：在最大限度滿足施工工藝和強度要求的前提下保證纖維摻量限值。

初次設計出12類ECC配合比，每類配比3個樣本共計36個樣本，A，B，C類試件主要研究不同配合比的ECC在不同養護齡期下的性能表現，其中D類試件主要側重于配合比對ECC性能的影響，不考慮養護齡期的影響。配合比設計如表2所示。

1.3 試驗過程

1.3.1 試件制備及養護

將以上各類ECC材料基材按照要求稱量好，依據水泥砂漿攪拌工藝依次添加試驗材料，將各類材料倒入JJ-5型攪拌機中干拌3 min，低速和高速分別旋轉1.5 min，將各類材料充分攪拌均勻，加水充分攪拌6 min，低速和高速分別旋轉3 min，得到攪拌均勻的ECC。為了滿足工程應用的工作性能，結合《高延性混凝土應用技術規程》（DBG61/T 112—2016）［11］要求對制備的ECC進行稠度測定，稠度測定結果為30～50 mm/s，均符合規范要求。將稠度符合要求的ECC倒入長度×邊部寬×中部寬×厚度為330 mm×60 mm×60 mm×15 mm的“啞鈴型”薄板試件模具中，養護成型24 h后進行試件脫模處理，其中A類、B類、C類每類不同配比試件任意取3個試件為一組，將成型試件置于標準養護恒溫箱分別養護7，28，50 d，達到規定養護時間后進行單軸拉伸性能測試。

1.3.2 拉伸性能測試

試驗依據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）［13］，采用DYD-100型萬能試驗機進行ECC黏結材料單軸拉伸性能測試。按照規范要求以位移控制進行加載，加載速率為1 mm/min。

2 結果與討論

2.1 試驗現象

加載初期試件表面無任何變化，隨著荷載的增加，試件出現兩種類型的斷裂毀壞。第一類是隨著荷載遞增，荷載達到極限荷載的60% 時，試件的一側開始出現一條裂紋，持續加載，在此裂紋附近區段內逐漸出現多條微細裂紋，主裂紋縫隙增大，當荷載達到極限荷載的80% 時，主裂紋附近區域的微裂紋閉合，最終以主裂紋達到極限荷載而破壞。出現這類破壞現象主要集中在養護齡期7 d的試件，這類試件承載能力瞬間降到最低，此時構件破壞，其最大特點是達到極限荷載后隨即屈服，表現出明顯的屈服軟化。試件破壞現象如圖1（a）所示。第二類是自由端在單軸受拉力荷載下，試件達到開裂荷載時，非光滑面開始出現一條或幾條裂紋，在裂紋附近區段內逐漸出現多條微裂紋。隨著荷載增加，主裂紋逐漸增大，微裂紋也逐漸增大，最終拉伸段多條主裂紋中以任意一條主裂紋達到極限承載力而破壞，試件承載能力逐漸降到最低。這類試件在達到極限荷載時還能繼續承載，表現出較強屈服強化階段，具有良好的韌性特性。這類試件主要是養護齡期為28 d和50 d的試件。具體的試件破壞現象如圖1（b）所示。

2.2 實測拉伸性能關鍵參數

通過試驗實測得到的各組試件的初裂強度ftu、初始彈性模量Ec、峰值強度ftp、峰值應變εtp 和硬化切線模量Eie、極限拉伸應變 εtu等拉伸性能基本力學參數詳細數據如表3所示。試件在初裂前荷載先增加，且增長速率較大；基體開裂后荷載有下降趨勢但是很快就得以恢復，說明砂漿開裂后退出工作，纖維迅速受力，沿著裂縫纖維承擔著外力。拉伸強度計算如式（1）所示：

fat=FAz（1）

式中： fat 為ECC拉伸強度，MPa；F為試件破壞時的荷載，N；Az為截面積，mm2。本次測定ECC單軸拉伸峰值強度達到2.385 MPa，所有配比試件拉伸極限應變最大可達到4.8%。關于初始彈性模量、峰值拉應變等參數參考文獻［14］的詳細闡釋，根據實測數據計算得到相應的拉伸性能關鍵參數斷裂能與脆性指數。斷裂能計算如式（2）所示：

Gf=∫w f0σ（w）dwA（2）

式中：∫w f0σ（w）dw為荷載-位移曲線包絡面積，N·m-1；A為斷裂面面積，m2。 脆性指數計算如式（3）所示：

Lch=EtGf（f ′t）2（3）

式中：Lch 為特征長度，mm；Et為水泥基復合材料的彈性模量，GPa；Gf為水泥基復合材料的斷裂能，N·m-1； f ′t 為水泥基復合材料的抗拉強度，MPa。

具體計算結果如表3所示。

2.3 實測荷載-位移曲線

ECC材料單軸拉伸破壞全過程的典型荷載-位移曲線如圖2（a）所示。以典型荷載-位移曲線進行分析，曲線可以分為3個不同階段：線彈性上升階段、應變強化階段、應變軟化階段。從初始點至第一個折線的末端點，此階段稱為線彈性上升階段，該階段為試件從開始加載至試件出現第一條裂縫為止，荷載增勢較快位移增量較微小，荷載與位移大體呈線性增長趨勢。從第一個折線的末端點至第二個折線的末端點，此階段稱為應變強化階段，該階段曲線輕微振蕩起伏呈現鋸齒狀，每個鋸齒點都是試件開裂或纖維拉斷所致，試件達到峰值荷載，在裂縫邊緣區域逐步出現多條微裂縫，在試件其他裂縫區域也逐步出現多條裂縫，加載過程中每條裂縫的出現荷載都會驟減，稍后又逐步恢復上升趨勢。從第二個折線的末端點至第三個折線的末端點為應變軟化階段，折線的末端點隨著試件變形逐漸增大，試件承載能力驟降，試件逐步被拉斷，此階段表現出明顯的屈服軟化現象。本次試驗12組試件根據實測數據繪制的荷載-位移曲線如圖2（b）-圖2（e）所示。從圖2可以看出，各類ECC試件荷載-位移曲線均表現出與經典荷載-位移曲線相同的規律，其中A，B，D類試件中A-1，B-1和D-3試件極限荷載均超過800 kg，表現出較好的抗拉性能，C組試件抗拉性能相對較差。

2.4 配合比對ECC拉伸性能關鍵力學參數的影響

關鍵力學參數是材料拉伸性能的重要指標。圖3顯示了實測養護齡期為7，28，50 d的A，B，C三類ECC試件的拉伸初裂強度、峰值強度與膠凝材料配比的關系。從圖3可以看出，隨著養護齡期增加，水膠比降低，初裂強度明顯增加，耗能能力減?。焕w維摻量在一定范圍內與ECC的強度呈現負相關性，這是由于過少的纖維摻量導致纖維不能均勻分布在水泥基復合材料中，材料強度因此降低［14］；在一定范圍內砂膠比遞增，初裂強度、峰值強度也相應遞增。從不同養護齡期可得，養護齡期與強度呈線性關系，在7，28 d養護齡期ECC試件初裂強度和峰值強度隨養護齡期增加顯著增加，超過28 d僅有微小增加。

根據實驗數據（原始實驗數據略）可得水膠比、纖維摻量、硅灰摻量對ECC的影響。其中A-1類、B-1類、D類試件單軸拉伸強度均值在1.8 N/mm2 以上，是普通水泥砂漿6倍，水膠比為0.24時初裂強度和峰值強度是其他類配比的1.41倍，硅灰摻量為0.06時初裂強度和峰值強度是其他類配比的 1.6 倍；A-1-50類，A-2-28類、B-1-50類的斷裂極限拉伸應變最大為4.8%，約為普通水泥砂漿的39倍，纖維摻量為1.6% 時，拉伸峰值應變是其他類配比的1.64倍以上。水膠比、砂膠比最佳范圍分別為0.24～0.30，0.60～0.68。養護齡期越久，試件應變強化遞增，但28 d后效果不明顯。

初始彈性模量能反映ECC抵抗外荷載的能力。A-2類、B-3類試件初始彈性模量都非常低，與其他類試件相差一倍或幾倍，表明這兩類試件抵抗外荷載作用開裂能力次于其他類。硬化切線模量反映應變強化過程中ECC的耗能特性［14］，該數值為正值且較小表明有明顯的應變強化階段，反之應變軟化。 A-1 類、B-2類、C-2類試件硬化切線模量均為正值且低于其他幾類，說明A-1類、B-2類、D-3類試件承擔外荷載能力最高且具有較高的耗能能力。

2.5 配合比對ECC斷裂韌性的影響

ECC試件在拉伸試驗過程中，試件發生初裂后在拉伸荷載作用下做功，一部分轉化為塑性變形和表面能，另外一部分轉化為彈性變形［15］。從能量轉化的觀點來看，能量釋放率臨界值表明材料抵抗裂縫擴展的能力，即裂縫擴展單位面積所吸收的能量（斷裂能），斷裂能是單位裂紋表面耗散的總能量，等于軸向應力-裂紋寬度曲線下的面積［16］，其轉化為塑性變形和表面能也可用斷裂能表征。

圖4顯示了水膠比與斷裂能之間的關系。養護齡期達到28 d后，斷裂能從2 517.86 N·m-1 降至1 800.85 N·m-1，ECC斷裂能隨水膠比增加有明顯下降，無論齡期如何，硬化切線模量從0.017 GPa增至0.250 GPa，斷裂應變從1.9% 增至4.9%，水膠比遞增硬化切線模量和斷裂應變都明顯降低，表明具有較強的應變強化階段，耗能能力較強。較高的纖維摻量對ECC的耗能能力呈正面效應，當纖維摻量1.6% 時，試件斷裂能為4 667.58 N·m-1，分別是其他兩類配比的2倍。試驗發現摻入纖維量小于1% 的直拉試件呈現如圖1（a）所示的典型的主裂縫破壞形態，而纖維摻入量為1.6%的直拉試件呈現如圖1（b）所示的多縫開裂效果。硅灰摻量與斷裂能呈正效應，而斷裂能隨砂膠比的增加先增加后減少，主要是砂膠比遞減，膠凝材料與纖維剪黏結力增強，二者剪黏結鍵增多，有效延緩水泥基材料斷裂，增加其耗能特性。同類配比條件下砂膠比為（0.64±0.04）效果最佳。

2.6 配合比與耗能特性的相關性

材料裂縫擴展過程中裂縫尖端區域內有效應力場強度為做功后彈性變形部分的主要來源，此區域有效應力場強度可作為判斷裂縫是否進入失穩狀態的指標［17］。若此裂縫尖端區域內應力場的強度超過限值，即使外荷載恒定，裂縫遞增將導致材料發生脆性斷裂。該應力場強度參量值被稱為材料的斷裂韌度，且該值還可表征材料所固有的抵抗裂縫擴展的能力，也是間接表征膠凝材料應變強化階段耗能的一項綜合指標。為了判斷工程水泥基復合材料的韌度是否發生脆性斷裂，以材料的脆性指數間接判斷其韌度。

描述工程水泥基復合材料脆性或延性時，通常脆性被理解為材料在發生重大不可逆變形之前突然斷裂的傾向，與之相反則為延性。常以擬定參數特征長度Lch來表征水泥基復合材料的脆性， Hillerborg等［18］定義以式（3）計算特征長度，且提出了特征長度Lch 越小，表明材料就越脆，延性與之相反。

ECC的脆性指數如表3所示。結果表明，7 d養護齡期試件均高于28，50 d齡期的特征長度，主要是7 d齡期試件峰值強度較低所致，故本次分析不考慮此類試件。B-1類、C-1類試件脆性特征長度最長，延性和耗能能力均高于其他類水泥基材料。水膠比遞增延性遞增，這是由于膠凝材料流動性增加，纖維分散較好，有利于提高其水泥基材料延性性能。纖維摻量1.6%、砂膠比為0.64～0.96時試件耗能特性較佳。硅灰摻量與延性呈正相關效應，主要是代替水泥部分降低水化熱，增強纖維與膠凝材料和砂石接觸面積，提高黏結力使延性有效提升。ECC與普通水泥砂漿相比表現出更強的延性特性和耗能特性。

3 結論

（1）在直接拉荷載作用下，工程水泥基復合材料（ECC）的初裂強度、峰值強度、應變能力均隨養護齡期增大而顯著增加；水膠比的增加降低了ECC的初裂強度和峰值強度，當水膠比為0.24時ECC的初裂強度和峰值強度最高；水膠比對ECC的耗能能力有負向影響，延性特征長度隨水膠比的增大而增大，水膠比為 0.30～0.36時ECC具有最佳的耗能特性。水膠比的最佳范圍區間為0.24～0.30。

（2）ECC的初裂強度、峰值強度與砂膠比呈正效應，砂膠比在一定范圍內的增加會導致ECC的初裂強度和峰值強度顯著提高；ECC耗能能力隨砂膠比的增大先增大后減小，砂膠比的建議區間為0.60～0.66，其中砂膠比為0.66時最適合工程應用。

（3）纖維摻量增加能提高ECC抗拉應變能力，但抗拉強度和ECC流動性會降低；纖維摻量對耗能特性有正向影響，纖維摻加質量分數有效值為1.6%。此外，合理的硅灰摻量能有效增加抗拉應變能力，表現出較強的應變強化階段和耗能能力。

（4）良好的集料配合比有利于增強ECC強度、斷裂能、延性指數，提高ECC的耗能性能。但集料配比存在一個合理值，超過該值后ECC的耗能特性會明顯降低。

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基金項目：國家自然科學基金（51908476）；四川省自然基金項目（2023NSFSC0887，2022NSFSC0317）

第一作者簡介：黃輝（1987— ），男，博士，副教授，研究方向為結構工程，E-mail： huihuang@swust.edu.cn