高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能

杨英姿,姚 燕

(中国建筑材料科学研究总院,北京100024)

高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能

杨英姿,姚 燕

(中国建筑材料科学研究总院,北京100024)

为了获得高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法,研究了砂的颗粒级配、水胶比和粉煤灰掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)的弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。结果表明:随着砂的细度模数降低,ECC的跨中挠度增大,早期强度提高,但后期强度变化不明显。随着水胶比的增大,ECC的初始开裂荷载降低,跨中挠度增大,平均裂缝宽度增加。0.25水胶比的ECC的抗压强度可以满足高强度等级的要求。0.35水胶比的抗压强度可以满足对普通强度等级的要求。随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,平均裂缝宽度变小。在水胶比一定的条件下,采用细砂,适当增加粉煤灰掺量有助于提高ECC的韧性和延性。

高延性纤维增强水泥基复合材料;荷载-挠度曲线;多缝开裂

混凝土是应用于土木工程领域最大宗的人造建筑材料,然而存在着脆性大、易开裂、抗拉强度低、极限延伸率小及抗冲击性能差等弊端,利用各种纤维改善上述弊端的纤维增强水泥基复合材料日益受到关注[1]。ECC(Engineered Cementitious Composites)材料是一种高延性的纤维增强水泥基复合材料,是基于微观力学原理优化设计的具有伪应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型土木工程材料。其中聚乙烯醇纤维(PVA)体积掺量通常在2%左右,ECC的拉应变在2%～5%,是普通混凝土的几百倍,抗压强度在配合比合适的情况下可高达70～80 MPa。ECC材料的高拉应变能力是基于它在受拉过程中能够形成“稳定状态开裂”。“稳定状态开裂”是指当拉应变超过1%时,ECC中的裂缝宽度会稳定在60μm左右,随着拉应变的提高,裂缝宽度不发生改变而微裂缝的数目不断增加。因此,该材料具有高延性、高韧性、高承载力、耐久性和可持续性等典型特征,具有良好的耗能减震特性[2-3]。为了获得PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法和基本性能,研究了砂的细度模数、水胶比及粉煤灰掺量对ECC弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。

实 验

. 原材料及配合比

实验采用亚泰哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥。粉煤灰是哈尔滨第三电厂I级粉煤灰,密度为2.43 g/cm3,比表面积为655 m2/kg。平均粒径3.4μm,需水量比95.0%。细度模数为1.0的细集料选自哈尔滨晶华材料有限公司生产的细石英砂。减水剂用德国巴斯夫集团生产的高效减水剂。实验用的PVA纤维采用日本Kuraray Co.产的K-Ⅱ可乐丽纤维,主要性能指标见表1。

表1 PVA纤维的性能参数Table 1 Characte ristics of PVA fibe r

实验采用三种细度模数的砂、三种水胶比(W/B)、四种粉煤灰掺量。砂的细度模数分别为2.97,2.01及1.0;水胶比为0.25,0.30及0.35;粉煤灰取代水泥的比例为50%,60%,70%和80%。考察了上述实验因素对ECC弯曲性能、抗压、抗折强度的影响,并对其开裂模式进行了观察分析。目的是通过上述实验研究获得高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法及影响因素。具体ECC的配合比见表2。

表2 ECC的配合比(kg·m-3)Table 2 Mix proportion of ECC(kg·m-3)

. 的制备

将水泥、粉煤灰、砂称量好后,倒入搅拌机中搅拌2 min,使各原料充分搅拌均匀。先加水,然后加减水剂调节水泥砂浆的流动度。搅拌4 min后,将水泥砂浆装入测量水泥砂浆流动度的圆台形试模,迅速提起试模,当水泥砂浆的流动度达到350 mm时,可认定其满足水泥砂浆工作性的要求。再加入PVA纤维,搅拌5～10 min左右,搅拌的终止时间以纤维浆体不成团、结块为判断依据,保证纤维的充分分散,这是ECC制备的关键。而且搅拌的时间要适中,时间太短了可能纤维不分散,时间太长纤维的分散性反而不好。再次利用检测砂浆流动度试模评价拌合物的工作性,拌合物的直径控制在180 mm±10 mm。随后将拌合物装入试模成型,并置于室内,24 h后拆模进入标准养护室,每种配合比有4个试件。

. 四点弯曲试验

采用威海市试验机制造有限公司生产的电子万能试验机。四点弯曲的试验如图1所示,数据自动采集,荷载P由荷载传感器测定,荷载—挠度曲线由计算机记录。试件尺寸为320 mm×40 mm×12 mm,获得荷载—位移曲线后,可进一步分析初始开裂荷载、峰值荷载、挠度、断裂韧性指数等。采用位移控制加载,加载速率为1 mm/min。抗折强度及抗压强度试验的试件尺寸为40 mm×40 mm×16 0mm。

图1 四点弯曲试验示意图Fig.1 Schematic diagram of four-point bending test

结果与讨论

. 砂的细度模数对材料性能的影响

从表2的配合比数据可以看出,达到相同的流动度时,随着砂的细度模数变小,高效减水剂的用量明显增加,这是因为在搅拌过程中细集料之间存在相互作用,需要足够的水泥浆包裹细集料形成一定的粘结强度和提供润滑层满足工作性的要求。砂的细度增加,需要更多的水润湿和更多的水泥浆包裹砂粒,当用水量保持不变的情况下,减水剂用量就需要提高。如图2所示,当砂的细度模数由2.97降到1.0时,3 d和28 d时,ECC试件的跨中挠度均由11～13 mm提高到23～25 mm,可见细砂有助于提高ECC的延性。另外,当砂的细度模数为2.97,2.01和1.0时,28 d时ECC的峰值荷载分别为278 N,315 N和379 N,可见细砂在一定程度上提高了基体的强度。同时还可以看出:28 d时用细砂配制的ECC的四点弯曲曲线中,荷载的变化幅度较为平稳,小于用粗砂配制的ECC试件,这表明细砂使ECC基体每一受力断裂截面变得更加均匀,减小了某些截面因局部缺陷导致的应力集中,细砂使基体材料更均匀的特性提高了ECC材料的延性和韧性。

图2 砂的细度模数对ECC荷载—挠度曲线的影响Fig.2 Effect of fineness modulus of sand on load-deflectioncurve of ECC,for 3 d(a)and 28 d(b)

如图3所示,龄期为3 d和28 d时,由细度模数造成的ECC抗压与抗折强度的差异是明显的。随着龄期延长至90 d时,不同细度模数砂的ECC抗压与抗折强度比较接近,且ECC抗压强度都能够满足C60混凝土强度等级的要求。也就是说上述配合比制备的ECC属于高强混凝土范畴,且砂的细度模数对ECC后期强度影响不显著。

. 水胶比对材料性能的影响

从图4可以看出,ECC材料的抗压强度随水胶比增大而降低,当水胶比由0.25提高到0.35时,28 d抗压强度由62 MPa降低到35 MPa。对于ECC材料,7 d抗压强度约为28 d抗压强度的50%～60%。另外,随水胶比的增加,ECC的抗折强度降低,三种水胶比的ECC的28 d抗折强度均大于10 MPa。

图3 砂的细度模数对ECC抗压强度与抗折强度的影响Fig.3 Effect of fineness modulus of sand on compressive strength(a)and flexural strength(b)of ECC

图4 水胶比对ECC抗压强度及抗折强度的影响Fig.4 Effect of water-binder ratio on compressive strength and flexural strength of ECC

水胶比不仅决定了水泥基复合材料的基体强度,还会对材料的韧性有重要的影响。图5表明,随着水胶比的增加,水泥基复合材料的初始开裂荷载降低,这是因为水胶比的增大,降低了基体的强度,而且在开裂之前,纤维本身不参与工作,只有基体受力,从而初始开裂荷载反映了基体的强度变化。而且随着龄期的延长,同一配比ECC的初始开裂荷载也大幅增长,如7 d时0.35水胶比ECC的初始开裂荷载约为30 N,28 d时该值上升到75 N左右,说明随着水泥水化硬化的不断进行,基体强度不断增长。由于ECC是伪应变硬化材料,其峰值荷载随水胶比、龄期的变化规律与初始开裂荷载的相同。

图5 水胶比对ECC荷载—挠度曲线的影响Fig.5 Effect of water-binder ratio on load-deflection curve of ECC,for 7 d(a)and 28 d(b)

由图5可见,0.25水胶比ECC的7 d,28 d跨中挠度分别为12.5 mm和10.5 mm,0.35水胶比ECC的7 d、28 d跨中挠度分别为28 mm和18 mm。跨中挠度随水胶比的增大而增加,随着养护龄期的延长而降低。对于低水胶比ECC跨中挠度随龄期的降低趋势不如高水胶比的显著。高水胶比7 d跨中挠度达到最大值28 mm,说明此时ECC中的基体与PVA纤维达到比较理想的匹配,即能够很好满足材料发生多重开裂的条件。在受弯过程中伴随着大量微裂缝的开展实现了ECC材料的伪应变硬化,从而使水泥基复合材料获得了高的断裂韧性。但是0.35水胶比的基体强度较低(接近C30混凝土强度),由于纤维价格较高,如果基体的强度较低,这无形当中使得水泥基复合材料的成本相对提高,对材料的使用和推广不利。因此考虑ECC抗压强度、成本和高韧性的三者的有机平衡是至关重要的。基于微观力学设计原理,使基体、纤维以及基体与纤维的界面粘结性能不断改善,获得更多高强、高韧性、高耐久的纤维增强水泥基复合材料是技术关键所在[5]。

. 粉煤灰对材料性能的影响

由图6可见,随着粉煤灰掺量的增加,基体的初始开裂荷载相应降低。在基体开裂前,纤维不参与工作,粉煤灰掺量的增加,降低了基体的强度,而初始开裂荷载只与基体强度有关。3 d,28 d掺80%粉煤灰的ECC初始开裂荷载比掺60%粉煤灰的ECC降低了约70 N。掺粉煤灰ECC的跨中挠度值的变化范围在15～25 mm。28 d时随着粉煤灰掺量的增加,ECC跨中挠度值呈现增大的趋势。

试验所用的粉煤灰为一级粉煤灰,粉煤灰掺量的增加虽然降低了基体强度,但同时使ECC内部结构更加均匀,改善了纤维—基体的界面过渡区,减少了内部缺陷,使得杂散分布在基体内的纤维承担拉应力的比例增加,多重开裂的现象更易发生。从图5,图6可以看出掺80%粉煤灰的ECC荷载—挠度曲线光滑平缓,无明显的基体产生新的断裂面时荷载下跳现象,说明ECC的材料更加均匀,多重开裂易开展,可以避免由于内部材料的不均匀导致局部缺陷的扩大及开裂的集中产生,从而保证了ECC材料的高延性。因此,提高粉煤灰掺量,有利ECC材料的延性和韧性的提高。

图6 粉煤灰的掺量对ECC荷载—挠度曲线的影响Fig.6 Effect of fly ash on load-deflection curve of ECC,for 3 d(a)and 28 d(b)

然而,由图7可见随着粉煤灰掺量的增加,ECC材料的抗压强度和抗折强度不断降低。28 d时掺60%,70%和80%粉煤灰的抗压强度分别约为60 MPa,50 MPa和40 MPa,抗折强度分别约为15 MPa,12 MPa和10 MPa,说明粉煤灰的掺量对抗压、抗折强度的影响是明显的。因此,在实际应用中,应该在满足水泥基材料强度等级要求的前提下,适当提高粉煤灰的掺量,既有利于环境保护,促进土木工程材料的可持续发展[6],又有利于材料延性、韧性的提高。

图7 粉煤灰的掺量对ECC抗压强度和抗折强度的影响Fig.7 Effect of fly ash on compressive strength and flexural strength of ECC,for compressive strength(a)and flexural strength(b)

. 水胶比和粉煤灰掺量对裂缝宽度的影响

由图8可见,四点弯曲试验中两种水胶比的ECC均呈现多重裂缝开裂形式,低水胶比的ECC的裂缝更加细密,有些模糊不清;而高水胶比ECC的裂缝宽度相对粗大明显,并连续贯穿整个试件。通过读数显微镜观测,0.25,0.35水胶比ECC的平均裂缝宽度分别为40μm和60μm。其平均裂缝宽度上的差异在于:高水胶比导致基体内部孔隙率增大,材料原始缺陷增多,强度降低。纤维表面水膜增厚以及纤维—基体界面过渡区增大,引起纤维—基体界面粘结性能改变,基体中相对疏松的内部结构使PVA纤维易于由基体拔出,因此,其裂缝宽度相对增大。

图9给出了粉煤灰掺量对ECC开裂模式的影响。水泥取代量为60%与80%(粉煤灰)的ECC均呈多缝开裂模式,同时还可以发现80%粉煤灰掺量ECC的裂缝更加细密,其平均裂缝宽度为25μm,而掺60%粉煤灰的ECC平均裂缝宽度为40μm。存在上述差异的机理在于当水胶比相同时,粉煤灰掺量的提高使基体更加均匀,高掺量粉煤灰不仅使各断裂面之间的结构差异相对缩小,大量紧密堆积的粉煤灰球形颗粒进一步增加了纤维与基体的摩擦力,改善了纤维—基体界面粘结性能。但由于基体强度相对降低,基体在各个受力截面易于开裂,因而使更多的纤维在较早阶段受力,纤维的增强得到改善。因此,造成高粉煤灰掺量ECC的荷载—挠度曲线平稳光滑,裂缝多、细小均匀。

图8 水胶比对ECC开裂模式的影响Fig.8 Effect ofwater-binder ratio on crackingmode of ECC,for W/B=0.25(a)andW/B=0.35(b)

图9 粉煤灰的掺量对ECC开裂模式的影响Fig.9 Effect of fly ash content on cracking mode of ECC,for 60%FA(a)and 80%FA(b)

结 论

(1)随着砂的细度模数减小,ECC的韧性和早期强度增加;砂的细度模数对后期ECC的抗压、抗折强度影响不大。

(2)随着水胶比的增大,初始开裂荷载降低、跨中挠度增大。0.25水胶比的ECC的抗压强度可以满足高强水泥基复合材料强度等级的要求。0.35水胶比的抗压强度可以满足对普通水泥基复合材料强度等级的要求。

(3)随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低,抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,在满足抗压强度要求的前提下,适当增加粉煤灰掺量有助于进一步提高ECC的韧性和延性。

(4)水胶比增大,ECC的平均裂缝宽度增加,粉煤灰掺量提高,ECC的平均裂缝宽度变小。

[1]Xu Shilang(徐世烺),Li Hedong(李贺东).超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].China Civil Engineering Journal(土木工程学报),2008,41(6):45-60.

[2]LiVicor C.高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[J].Journal of the Chinese Ceramic Society(硅酸盐学报),2007,35(4):1-6.

[3]Kunieda M,Rokugo K.Recent Progress on HPFRCC in Japan[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2006,4(1):19-33.

[4]Yang E,Yang Y,Li VC.Use of High Volumes of Fly Ash to Improve ECC Mechanical Properties and Material Greenness[J].ACI Materials Journal,2007,104(6):620-628.

[5]Jang Guoqing(姜国庆),Liu Xiaoquan(刘小泉),Sun Wei(孙伟),etal.高性能特种水泥基复合材料的关键技术与力学行为研究[J].Architecture Technology(建筑技术),2007,38(3):28-30.

[6]Mehta PK,Manmohan D.Sustainable High-Performance Concrete Structures[J].Concrete International,2006,28(7):37-42.

Preparation and Properties of High Performance PVA Fiber Reinforced Cementitious Materials

YANG Yingzi,YAO Yan

(China Building Materials Academy,Beijing 100024,China)

In order to obtain the preparation method of high perfor mance PVA fiber reinforced cementitious material(also called Engineered Cementitious Composites,ECC),the effects of gradation of sand,water-binder ratio(W/B)and content of fly ash on the bending properties,compressive strength,flexural strength and cracking pattern of ECC were investigated in this paper.The results showed that with the fineness modulus of sand decreased,ECC'smid-span deflection increased,the early strength increased but the strength in the long term did not change significantly.As the water-binder ratio of ECC increased,the initial cracking load of ECC lowered,deflection atmid-span and the average crack width increased.The compressive strength of ECC with W/B of 0.25 could meet the requirements of high-strength concrete grades.The compressive strength of ECC with W/B of 0.35 could meet the requirements of ordinary strength concrete grades.W ith the fly ash content of ECC increased,the initial cracking load of ECC lowered,the flexural and compressive strength gradually decreased,the deflection of ECC enhanced,as well as the average crack width became smaller.As theW/B of ECC is fixed,using finer sand and increasing fly ash content appropriately will help to further improve the toughness and ductility of ECC.

engineered cementitious composites;load-deflection curve;multiple cracking

TU528

A

1674-3962(2010)09-0019-06

2009-12-10

国家自然科学基金(50872127);教育部回国人员科研启动基金(2008)

杨英姿,女,1967年生,博士,教授