MS-UHTCC水泥基复合材料力学特性的试验研究

夏正兵

(江苏城市职业学院(南通)建筑工程学院,江苏南通226006)

MS-UHTCC水泥基复合材料力学特性的试验研究

夏正兵

(江苏城市职业学院(南通)建筑工程学院,江苏南通226006)

高强混凝土在工程中的应用越来越广泛，然而高强混凝土早期热变形和自收缩变形很大，当这种变形受到约束的时候，会产生应力并导致开裂。实际工程中，混凝土总是处于钢筋和相连构件的约束状态下，因而易于发生早期开裂。采用廉价碳酸钙晶须对UHTCC进行改性研究，结果表明：晶须的掺入可提高UHTCC的抗压强度、延性及抗拉强度,MS-UHTCC在单拉作用下表现出明显的应变硬化行为和多缝开裂模式，利用碳酸钙晶须和国产PVA配制廉价MS-UHTCC具有可行性。

配筋；高强混凝土；力学性能

0 引言

UHTCC是一种水泥基复合材料，使用短纤维增强，一般纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，其明显结构特征为多尺度，包括由凝胶孔、水泥水、孔洞缺陷、石英砂、水泥基体、PVA纤维等构成。近年来，国内外专家已经在很多方面开展研究和探索，如PVA纤维、碳纳米管、钢纤维等[1]，这些材料的微纤维价格都较为昂贵，因此无法推广应用。

MS-UHTCC是一种纤维增强水泥基复合材料，它具有超高延性和韧性、应变硬化、细密多裂缝开裂机制等特点[2]，该材料在纤维体积掺量为1.8%左右时，在单轴拉伸荷载作用下即可以体现出应变硬化的特性，同时出现细密多裂缝开裂。另外，该材料有超高的延性，极限拉应变最高能达到6%，为普通混凝土开裂时应变的250倍以上[3]。

近年来，国内外专家学者对UHTCC材料的力学性能进行了很多研究，并且在部分工程中进行了应用，实践证明UHTCC具有抗渗性能好、耐久性强等优点，其抗压强度及弹性模量的参数与普通混凝土接近，因此与钢筋混凝土结构的黏结性能强。但是，UHTCC材料的主要成分——PVA纤维完全需要进口，其造价约为混凝土材料造价的12～15倍。

本文在已有的研究基础上，采用生产成本约1 000元/t的廉价碳酸钙晶须对UHTCC进行改性，提出多尺度工程水泥基复合材料(MS-UHTCC)的设计概念，并进行材料宏观力学性能测试，结果表明：MS-UHTCC相比普通UHTCC材料力学性能改善显著，晶须的掺入可以明显提高UHTCC的延性和强度，利用碳酸钙晶须和国产PVA纤维制备廉价UHTCC具有可行性。

1 试验过程

1.1 材料的准备及配比

本试验采用的原料有水泥(42.5级的普通水泥)、石英砂(精细)、粉煤灰(国产)、PVA纤维(国产)、PVA纤维(进口)等。原材料的性能及化学成分分别见表1和表2。

表1 原材料性能

表2 原材料主要化学成分 %

图1 晶须宏观形态

晶须的宏观形态如图1所示。需要研究PVA的类型、PVA的掺合量、晶须的掺量对MS-UHTCC的影响，本研究基体砂胶比取为0.35，水胶比统一取为0.4，粉煤灰掺量与水泥用量的质量比为4[4]。为保证基体有优良的和易性，减水剂(聚羧酸)的用量为0.6%[5]。4组MS-UHTCC基体中纤维类型及体积掺量如表3所示。

表3 纤维体积掺量

1.2 试验流程

MS-UHTCC的搅拌流程如图2所示。依据日本《单轴拉伸测试标准》(JSCE—2008)[6]的技术标准，单轴拉伸试件采用厚度为15 mm的标准试件测试其抗拉性能，标准尺寸如图3所示。试验设备采用MTS-CMT4204型电子万能试验机，加载装置如图4所示。

图2 MS-UHTCC的制备流程

图3 标准狗骨试件尺寸(单位：mm)

图4 单轴拉伸试件装置图

2 试验结果与讨论

2.1 应变强度

根据试验数据，绘制内钢环的应变随龄期的发展曲线图，如图5～8。

图5 不配筋试件Y1-0内钢环应变

图6 配筋试件Y2-16内钢环应变

图7 配筋试件Y3-20内钢环应变

图8 配筋试件Y4-25内钢环应变

从图中可以看出，4组试件内钢环应变发展趋势相似，前36 h内混凝土的收缩变形最为剧烈，之后混凝土的收缩变形速度渐缓。

2.2 单轴拉伸性能

4组配比的单拉曲线如图9所示。

分析试验图示可知，用低价的晶须取代或部分取代PVA纤维具有一定的可行性，而且晶须的掺入在一定程度上可以提高UHTCC的强度和延性，并促使其裂缝更加细密，分布也更加均匀。这主要是由于MS-UHTCC中本身就存在PVA和晶须，这是2种不同的尺度纤维，晶须在实验过程中阻止了基体内部由微观开裂渐渐变为细观的裂纹，PVA纤维主要用于抑制裂缝的产生。在MS-UHTCC受力并开始开裂时，裂纹由微观层次产生，晶须先在微观尺度起作用，阻碍裂缝的发展，根据基体强弱的不同存在3种作用机理，即晶须拔出、裂纹偏转以及裂纹冲断[7]，这些过程一直都存在能量消耗，如图9所示。相关的裂缝是由微观裂纹和宏观裂缝合并而成，但是由于晶须对微观裂纹有抑制作用，因此复合材料中的复合裂纹相比普通水泥基材料少很多，即使PVA体积掺量达不到2%，复合材料(MS-UHTCC)依然可以表现出极好的应力硬化以及极好的多裂缝开裂。可见，晶须的掺入可以达到部分代替PVA纤维的效果。

(a)a组

(c)c组

(d)d组

晶须的部分掺入可以使基体与相关纤维的界面增大，使 MS-UHTCC的总孔隙率比普通UHTCC高。由于晶须是处于微观尺度的，其孔隙主要在微细观层面上，降低了产生大缺陷的可能，可以保证晶须的掺入起到优化基体孔隙分布的作用[8]。在UHTCC基体里，孔隙是作为初始缺陷的，这对UHTCC的稳定性具有极其重要的积极意义，晶须的掺入大大优化了基体的孔隙分布，因此UHTCC开裂的裂源会增加很多，延性及抗拉强度会得到相应的提高[9-11]。

3 结论

1)掺入碳酸钙晶须纤维形成工程水泥基复合材料(MS-UHTCC)具有一定的可行性，该复合材料具有一定的受拉应变硬化和多裂缝开展的性能。

2)碳酸钙晶须的微观增强和微观阻裂作用使该水泥基复合材料具有很高的强度。

3)经过组合优化设计，可以用低价的碳酸钙晶须取代PVA纤维，大大节约成本并可以制备具备超高延性的廉价工程水泥基复合材料。

4)对4组试件进行内钢环应变发展趋势分析，在不同直径下，随龄期的变化，发展趋势一致，第1～3天钢筋应变发展剧烈，第4～7天发展变慢，此后应变基本不变。

[1]汪卫,潘钻峰,孟少平,等.国产PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能研究[J].工业建筑,2014,44(12):958-964.

[2]钱吮智,张志刚.基于当地材料制备高延性水泥基复合材料的研究[J].东南大学学报(英文版),2012,28(3):327-330.

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[4]王楠,徐世烺.超高韧性水泥基复合材料与既有混凝土黏结性能[J].建筑材料学报,2011,14(3):317-323.

[5]巴恒静.硫酸钠掺量对混凝土早期收缩开裂的影响[J].硅酸盐学报,2005(1):36-41.

[6]钟军.水泥混凝土结构早期裂缝防治技术的研究[D].吉林:吉林大学,2010.

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[10]EDUARDO B P,GREGOR F,JOAQUIM A O B.Effect of hybrid fiber reinforcement on the cracking process in fiber reinforced cementitious composites[J].Cement Concrete Research,2012,34(10):1114-1123.

[11]RAVI R,JIE Z,LI VC.Influence of micro-cracking on the composite resistivity of engineered Cementious Composites[J].Construction Building Material,2014,40(2):14-25.

责任编辑：唐海燕

Mechanical Property Test of a Reinforced MS-UHTCC Cementitious Composite

XIA Zhengbing

(College of Architecture and Civil Engineering,Jiangsu City Vocational College Nantong Campus,Nantong 226006)

The application of high-strength concrete has become increasingly popular in engineering.However,early thermal deformation and autogenous-shrinkage deformation of high-strength concrete is large.When the deformation is restrained,stress is induced,which might lead to cracks.As the concrete is usually restrained by steel bars and other components,early cracks are very common.In this research,CaCO3whisker is employed to modify the properties of ultra-high toughness cementitious composite (UHTCC).The result indicates that the compressive strength,ductility and tensile strength of multi-scale (MS) UHTCC has been enhanced due to the existence of CaCO3whisker,and strain-hardening behavior and multiple crack patterns have been observed under uniaxial tension,which provides possibility of developing cheaper MS-UHTCC using CaCO3whisker and domestic PVA fiber.

reinforcement；high strength concrete;mechanical performance

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．004

2016- 05- 19

九三学社江苏省委员会科技创新项目(YHK1408);江苏省江豪工程项目管理有限公司江豪专项资助项目(1503)

夏正兵(1982— )，男，硕士，讲师。

TU599

A

1671- 0436(2016)05- 0018- 05