应变硬化水泥基材料在拉伸作用下的渗透性研究

赵 炜，马志鸣，黄巍林

(1.青岛市建筑设计研究院，山东青岛 266003;2.青岛理工大学，山东青岛 266033)

普通混凝土具有优异的抗压性能，已广泛用于国家建设行业的各个方面，具有良好的使用性能和经济效益。但由于混凝土内部结构特点，其脆性大、抗拉强度较低(约为抗压强度的1/10左右)，使其在弯曲荷载、拉伸应力作用下迅速开裂;同时由于裂缝的存在及冻融循环等恶劣环境的耦合作用，氯离子、硫酸根离子等有害物质随着水分迅速浸入到混凝土结构内部，造成钢筋发生锈蚀，降低混凝土结构的耐久性，使结构达不到设计的使用寿命［1-2］。

为解决混凝土材料抗拉强度低的问题，向水泥砂浆中添加聚丙烯纤维制备应变硬化水泥基材料(以下简称PVA-SHCC)，由于其分散的内部结构特点，使其具有良好的拉伸、弯曲力学性能。国内外对 PVASHCC进行的大量研究表明，聚丙烯纤维的掺入能够明显提高水泥基材料的拉伸和弯曲性能，同时对构件的裂缝开展具有良好的抑制作用。即使在应变较大、多缝开裂环境下仍保持良好的抗拉、抗弯等力学性能，进而提高PVA-SHCC的使用寿命［3-4］。以往的研究侧重于PVA-SHCC的力学性能，对其耐久性，特别是多缝开裂环境下的耐久性能研究较少［5-6］。基于此，本文对PVA-SHCC试件进行拉伸试验，测定其在不同拉伸应力、应变环境下的抗水和抗氯离子渗透性能，为评定其在不同应力、应变、及多缝开裂环境下的耐久性能和实际工程应用提供理论依据。

1 试验原材料与配合比

聚丙烯纤维来自日本KURARAY公司，聚丙烯纤维的主要性能指标如表1所示。为使试件具有良好的拉伸性能，研究其在不同应力、应变环境下的抗渗透性，对PVA-SHCC配合比进行了试验优化，结果见表2。

表1 PVA纤维主要性能指标

表2 PVA-SHCC配合比 kg/m3

2 试验内容及方法

2.1 PVA-SHCC拉伸试验

PVA-SHCC拉伸试件如图1所示，厚30 mm。按照试验规范制备，在一定湿度、温度环境下静置24 h后将成型试件拆模，为保证试件内部水化反应完全和成型后的力学性能，待试件拆模后将其放入水中进行水养(温度为(20±2)℃)，试件养护龄期达到21 d后进行拉伸试验［7］。

图1 哑铃形试块尺寸(单位:mm)

拉伸试验仪如图2所示。待试件达到预定应变值(占试件极限应变的百分比)后，保持该应变环境下的应力值不变，进行抗水渗透性试验和抗氯离子渗透性试验，同时绘制毛细吸水量随时间变化曲线、氯离子含量随深度变化曲线，从而评定PVA-SHCC试件在拉伸作用下的抗渗透性能。

图2 拉伸试验仪

2.2 PVA-SHCC毛细吸水试验

当PVA-SHCC试件达到不同应变后，使试件保持该应变状态下的应力值，进行毛细吸收试验(试验用水溶液为3%的NaCl溶液)，试验装置如图3所示。为保证水分不随裂缝从试件四周流出，对试件表面用橡皮泥进行封堵，只保留试验用毛细吸收区域，从加入3%的Nacl溶液后开始计时，分别记录在吸水时间为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h 时毛细吸水量，绘制试件毛细吸水量随时间的变化曲线;同时将试件磨成粉末，进行氯离子含量滴定试验，测定试件中氯离子含量随氯离子侵入深度变化曲线，从抗水渗透性和抗氯离子渗透性两个方面评定试件的耐久性能。

图3 毛细吸水试验装置

3 结果与分析

3.1 不同拉伸应变水平下抗水渗透性试验

不同拉伸应变水平下，PVA-SHCC吸水量与吸水时间平方根的关系见图4。

图4 不同直拉应变水平下试件吸水量随时间变化曲线

由图4可知，试件毛细吸水量随着与水接触时间的增加而增加;同时，试件毛细吸水量随着直拉应变的增大而增大。对比未受应力、应变作用的空白试件毛细吸水数据可知，当试件上的应变值超过1.0%时，试件毛细吸水量呈突变式增加;当试件应变值达到2.0%时，其毛细吸水量约为空白试件的3.5倍。分析其原因有:由于在拉伸作用下，当应变值超过1.0%时，试件出现较多的裂缝，同时有些裂缝会增大并贯通，但是由于PVA-SHCC内部结构的分散性，在持续应力作用下仍能保持试件的整体完整性，此时裂缝的存在为水分迅速侵入试件内部提供了通道，造成应变值超过1.0%时，水分侵入量突变式增长。

对图4中曲线进行线性拟合，得到试件在不同应变水平下的毛细吸收系数，见表3。可以看出，试件的毛细吸收系数随着试件应变值的增加而增加，当应变值超过0.5%时，其毛细吸收系数有较大幅度的提高;对比空白试件毛细吸收系数，当应变值为2.0%时，试件的毛细吸收系数增量约为4.52倍。实际工程中应用PVA-SHCC，虽然其具有良好的抗拉、抗弯曲性能，在较多裂缝环境下仍具有良好的力学性能和结构完整性，但当其应变超过一定限度时，在毛细吸收作用下，(SO4)2－，Cl－等有害离子会随裂缝迅速进入结构内部，造成耐久性不足、使用寿命降低，故应对PVA-SHCC进行防护处理。如采取表面防水处理可减少水分及有害离子的侵入，提高其耐久性能。

表3 不同拉伸应变水平下PVA-SHCC毛细吸收系数g/(m2·h1/2)

3.2 不同拉伸应变水平下PVA-SHCC抗氯离子渗透性试验

对试件进行抗氯离子渗透性试验，测定试件在不同拉伸应变水平下，氯离子含量随渗透深度变化曲线，如图5所示。由图可知，在同一应变水平下，在开始一段区域内，氯离子含量随着试件深度的增加而减少;在不同应变水平下，氯离子含量随着应变的增加而增加，当试件应变值达到0.5%时，氯离子已侵入到整个试件。这是因为应变为0.5%时，试件表面和内部出现较多的裂缝，氯离子随水分沿着裂缝侵入到试件内部，导致其氯离子含量增加。在不同应变水平下，试件背面的氯离子含量较高出现氯离子富集现象。这是由于在拉伸作用下，为防止溶液从试件四周流出，在试件表面用橡皮泥进行了封堵，从而造成试件背面氯离子含量较其他部位高。

图5 不同拉伸应变水平下氯离子分布曲线

4 结语

1)PVA-SHCC试件在较高应变水平下仍具有良好的力学性能，随着拉伸应力和拉伸应变的提高，试件表面和内部出现较多的裂缝，水分及氯离子迅速侵入试件内部，导致其抗水渗透性及抗氯离子渗透性均呈突变式降低，使结构耐久性降低，使用寿命缩短。

2)实际工程应用PVA-SHCC，当发现有较多裂缝出现时，应及时对构件进行表面防水处理，保证其在良好的力学性能下，具有良好的抗水和抗氯离子渗透性能，从而提高结构的耐久性能。

［1］张玉娥，田砾，赵铁军.SHCC-钢筋混凝土叠合构件弯曲性能试验研究［J］.混凝土，2013(1):24-27.

［2］马志鸣，赵铁军，赵彦迪，等.静水压力下混凝土中氯离子传输特征试验研究［J］.公路，2012(12):168-171.

［3］田砾，张洪源，赵铁军，等.防水处理对应变硬化水泥基复合材料孔结构的影响［J］.混凝土，2012(1):4-9.

［4］胡春红，赵铁军，戎涛.应变硬化水泥基复合材料(SHCC)抗拉性能试验研究［J］.工业建筑，2012(3):102-106.

［5］王丽静，张鹏，赵铁军，等.掺硅烷后应变硬化水泥基复合材料的吸水性能［J］.新型建筑材料，2010(11):72-74.

［6］LI VICTOR C，WU H C.Conditions for pseudo strain-hardening in fiber reinforced brittle matrix composites ［J］.J.Applied Mechanics Review，1992，45(8):390-398.

［7］MARSHALL D，COX B N.A J-integral method for calculating steady-state matrix cracking stress in composites［J］.Mechanics of Materials，1988(7):127-133.