骨料类型及纤维对高延性水泥基复合材料性能的影响

郭丽萍 陈 波 孙 伟 谌正凯 张文潇

(1东南大学材料科学与工程学院,南京 211189)(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京 211189)(3南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

骨料类型及纤维对高延性水泥基复合材料性能的影响

郭丽萍1,2陈 波3孙 伟1谌正凯1张文潇3

(1东南大学材料科学与工程学院,南京 211189)(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京 211189)(3南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

为了研究骨料类型及纤维对高延性水泥基复合材料(HDCC)性能的影响,分别采用普通河砂和金刚砂作骨料,添加聚乙烯醇(PVA)纤维，或PVA与微细镀铜钢混杂纤维,制备了4组HDCC,试验研究了HDCC的抗折与抗压强度、弯曲韧性、单轴拉伸性能、抗冲磨性能,并采用扫描电镜观察了HDCC拉伸破坏后PVA纤维的微观形貌.结果表明:骨料对HDCC抗折强度影响较为明显,而对抗压强度、弯曲韧性和抗冲磨性能影响不显著;微细钢纤维对HDCC抗折、抗压强度、弯曲韧性和抗冲磨性能的增强效果比较明显;在不同的HDCC体系中,微细钢纤维对延性影响的规律略有差异,以天然河砂为骨料时,掺加微细钢纤维会降低HDCC的延性,以金刚砂为骨料时,掺加微细钢纤维则会提高HDCC的延性;金刚砂提高了HDCC的抗拉强度,但显著降低了延性.

骨料;纤维;延性;弯曲韧性;抗冲磨;金刚砂

高延性水泥基复合材料(HDCC)是基于细观力学和断裂力学理论,经系统设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料[1-2].HDCC以纤维、水泥、矿物掺合料、骨料和混凝土外加剂为基本原材料,经加水搅拌、成型、养护制备,在轴心拉伸荷载下具有多缝开裂特性,其基本特性为:单轴拉伸作用下,平均裂缝宽度不大于200 μm，且28 d极限伸长率不低于0.5%.HDCC具有良好的抗裂能力、耐久性能和黏结性能[3-4],可用于混凝土结构的修补.导流洞等泄水建筑物的混凝土受高流速推移质的冲击和磨蚀,混凝土表面易受到冲磨破坏,而HDCC具有较高的抗冲击能力[5],因此适用于泄水建筑物混凝土的磨蚀破坏的修复.

金刚砂硬度高,抗磨蚀性能强,而钢纤维能够显著提高混凝土的弯曲韧性,能量吸收能力强,两者经常被用来提高水工混凝土的抗冲磨性能.但以金刚砂和微细钢纤维作为原材料的HDCC性能的研究,目前鲜见相关报道.本文采用普通河砂和金刚砂作骨料,添加聚乙烯醇(PVA)纤维，或PVA和微细镀铜钢混杂纤维,制备了4组HDCC,试验研究了HDCC的抗折与抗压强度、弯曲韧性、极限拉伸性能、抗冲磨强度,为泄水建筑物磨蚀破坏修复提供一种新材料.

1 实验

1.1 原材料

水泥采用南京海螺水泥有限公司的P·Ⅱ 42.5R水泥,化学成分及物理力学性能见表1和表2.

表1 水泥化学成分

表2 水泥物理力学性能

粉煤灰采用南京热电厂的Ⅰ级粉煤灰,烧失量3.1%,需水比92%,45 μm筛余4.6%.试验用水为普通自来水.

减水剂为西卡20HE聚羧酸类高性能减水剂,固含量为40%,减水率大于40%.

聚乙烯醇(PVA)纤维采用福建永安市宝华林实业发展有限公司的高强高弹模PVA纤维,物理力学性能指标如表3所示.

表3 PVA纤维物理力学性能指标

微细镀铜钢纤维采用贝卡尔特公司生产的平直型镀铜钢纤维,长度为13 mm,直径为0.20 mm,拉伸强度大于2 000 MPa,弹性模量为210 GPa.

天然河砂的最大粒径不超过1.18 mm,根据《建筑用砂》(GB/T 14684—2001)进行筛分,各粒径范围的比例如表4所示,含泥量为0.

表4 骨料筛分分析

金刚砂采用市售棕刚玉,主要化学成分是 Al2O3,其含量为96.8%.根据表4各粒径范围的分计筛余百分数,进行不同细度金刚砂的搭配,使其与天然河砂的级配分布情况相同.

1.2 HDCC配合比

HDCC所使用的纤维与骨料组合如下: PVA纤维与天然河砂(HR)、PVA纤维与金刚砂(HC)、PVA纤维和微细镀铜钢纤维与天然河砂(HRS)、PVA纤维和微细镀铜钢纤维与金刚砂(HCS).

HDCC配合比基本参数如下:水胶比0.23,水泥与粉煤灰质量比为4∶6,骨料与胶凝材料的质量比为0.3,PVA纤维体积掺量1.5%,微细镀铜钢纤维体积掺量0.45%.

减水剂掺量为0.2%～0.3%.控制新拌浆体的塑性黏度为(5.0±2.0) Pa·s,微调减水剂掺量.前期研究发现[6],新拌浆体的塑性黏度对纤维均匀分散程度影响最大,因此本文测试了细骨料为天然河砂和金刚砂的新拌浆体的塑性黏度,分别为6.7和5.3 Pa·s,可满足HDCC制备要求.

1.3 试验方法

基本力学性能试验按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB 17671—1999)进行,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件,标准养护至28 d,进行抗折、抗压强度测试.

弯曲韧性试验参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13: 2009),采用15 mm(高)×75 mm(宽)×300 mm(长)的薄板试件,试件标准养护至龄期28 d.利用MTS 810系统测试,获得荷载-挠度曲线,加载方式为位移加载,加载速率0.5 mm/min.

单轴拉伸试验按照日本土木学会《具有多缝开裂特征的高性能纤维增强水泥基复合材料设计与施工指南》进行.试件尺寸为13 mm厚的哑铃形薄板,总长330 mm,两端宽度为60 mm,中间矩形部分长度和宽度为100和30 mm.试件标准养护至龄期28 d.利用MTS 810系统测试,获得荷载-位移曲线.加载方式为位移加载,加载速率为0.3 mm/min.

抗冲磨试验.按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)的混凝土抗冲磨试验(水下钢球法)进行,试件直径为(300±2)mm,高为(100±1)mm.搅拌桨转速为1 200 r/min,累计冲磨72 h.试件标准养护至龄期28和90 d.

2 结果与讨论

2.1 HDCC基本力学性能

4组HDCC的28 d龄期时抗折及抗压强度如表5所示.

表5 28 d龄期时HDCC基本力学性能

4组HDCC的抗折强度均高于10.0 MPa,抗压强度均高于60.0 MPa.四组HDCC的胶凝材料组成、水胶比等基本参数均相同,基本力学性能的主要影响因素是骨料及纤维.

与HR相比,HRS的抗折强度和抗压强度分别提高了30%和8%;与HC相比,HCS的抗折强度和抗压强度分别提高了3%和13%,总体而言,微细钢纤维对基本力学性能的增强效果比较明显.

与HR相比,HC抗折强度提高了25%,但抗压强度基本不变;与HRS相比,HCS抗折强度和抗压强度基本不变.总体而言,骨料对抗折强度影响较为明显,而对抗压强度影响不显著.

试验用金刚砂是由不同目数的金刚砂混合而成,而同一目数金刚砂的粒径基本相当,因此,尽管金刚砂与天然河砂的分计筛余百分数相同,但金刚砂的级配不如天然河砂的连续性好.骨料的粒径和级配对HDCC的力学等性能产生了一定的影

响[7-8].

2.2 HDCC弯曲韧性

4组HDCC的弯曲韧性试验的荷载-挠度曲线如图1所示.

(a) PVA-HDCC

(b) PVA/微细钢纤维-HDCC

在弯曲破坏过程中,多缝开裂特征比较明显，在荷载-挠度曲线上表现为曲线呈锯齿状.当某一条裂缝形成时,试件承载能力有小幅降低,此时,荷载由裂缝处纤维来承担,纤维与基体之间的黏结力使试件整体的承载能力提升,曲线上形成一个锯齿;随着荷载的增大,基体再次开裂,下一条裂缝出现,裂缝处纤维再次提升试件的承载能力,形成下一个锯齿.当局部主裂缝宽度发展到一定程度时,试件丧失承载力而破坏.

28 d时,HR,HC,HRS和HCS在四点弯曲荷载作用下,最大荷载对应的弯曲强度分别为10.0,10.0,12.0和13.5 MPa.荷载-挠度曲线上,荷载值降至峰值荷载的0.85倍时所对应的挠度分别为3.1,3.0,4.4和4.4 mm,相应的荷载-挠度曲线包围的面积分别为1 602,1 621,2 730和3 200 N·mm.

对比HR与HC，HRS与HCS,弯曲强度、跨中挠度及能量吸收值均相差不大,天然河砂骨料和金刚砂骨料对HDCC弯曲韧性的影响不大;对比HR与HRS、HC与HCS,弯曲强度提高了20%～35%,跨中挠度提高了45%以上,能量吸收能力提高了70%～97%,微细钢纤维显著提高了HDCC的弯曲韧性.

2.3 HDCC单轴拉伸性能

HR,HC,HRS和HCS在拉伸过程中均出现了明显的应变硬化和多缝开裂现象,4组HDCC的单轴拉伸性能试验的应力-应变曲线如图2所示.

(a) PVA-HDCC

(b) PVA/微细钢纤维-HDCC

HR,HC,HRS和HCS的最大拉应力分别为3.20,3.30,3.51和3.74 MPa,最大拉应力对应的拉伸应变值分别为1.55%,0.70%,1.32%和1.15%.

与HR相比,HRS的拉应力提高了10%,拉应变降低了15%;与HC相比,HCS的拉应力提高了13%,拉应变提高了64%.混杂微细钢纤维以后,HDCC的拉应力得到了提高.在不同的HDCC体系中,微细钢纤维对延性影响的规律略有差异:以天然河砂为骨料时,微细钢纤维降低了HDCC的延性;以金刚砂为骨料时,微细钢纤维提高了HDCC的延性.

与HR相比,HC的拉应力基本相同,拉应变降低了56%;与HRS相比,HCS的拉应力略有提升,提高了7%,拉应变降低了13%.金刚砂提高了HDCC的抗拉强度,但降低了HDCC的延性.

2.4 HDCC抗冲磨性能

试件冲磨试验(水下钢球法)前的形貌如图3(a)所示,冲磨后试件的表面状态如图3(b)和(c)所示.冲磨后HR和HC的冲坑表面可见均匀分布的PVA纤维,HRS和HCS冲坑表面除PVA纤维外,还可见大量三维乱向分布的微细钢纤维.

(a) 冲磨试验前试件形态

(b) 冲磨试验后HC试件形态

(c) 冲磨试验后HCS试件形态

混凝土抗冲磨强度表征的是单位面积上被磨损单位质量混凝土所需时间.4组HDCC的抗冲磨强度如表6所示.

表6 HDCC水下钢球法抗冲磨试验结果

与HR相比,28 d时 HC抗冲磨强度略有下降,下降幅度为6.4%,金刚砂未能改善抗冲磨效果;90 d时,HC的抗冲磨强度略高于HR,金刚砂提高抗冲磨强度3.5%.与HRS相比,28和90 d时HCS的抗冲磨强度均略低于HRS.尽管金刚砂的硬度远远高于天然河砂,但使用金刚砂取代天然河砂作为HDCC的骨料,不能明显改善HDCC的抗冲磨强度.水工抗冲磨混凝土通常通过选择硬质耐磨骨料来提高混凝土的抗冲耐磨性能[9],但HDCC中无粗骨料,因此HDCC的抗磨蚀破坏机理与混凝土有显著的差异.

与HR相比,28 d时掺加了Vf=0.45%微细钢纤维的HRS的抗冲磨强度增大了4%;90 d时抗冲磨强度提高了23%.与HC相比,28 d时HCS的抗冲磨强度增大了8%,90 d时抗冲磨强度提高了11%.总体而言,微细钢纤维提高了HDCC的抗冲磨性能.

2.5 机理分析

与天然河砂光滑圆润的颗粒表面相比,金刚砂颗粒表面粗糙、棱角尖锐,且金刚砂硬度远远高于天然河砂.采用扫描电镜观察HDCC试件拉伸试验后的PVA纤维形貌(见图4),以天然河砂作为骨料时,PVA纤维以拔出破坏为主,纤维的完整性较好,表面基本光滑;以金刚砂作为骨料时,PVA纤维以拔断破坏为主,纤维表面刮痕较为明显,纤维切削破坏特征显著.金刚砂坚硬且锐利的棱角使得纤维在拉拔过程中更易造成切削破坏,从而造成HC的单轴拉伸能力下降.金刚砂与天然河砂相比,金刚砂颗粒级配较差、密度较大,且颗粒表面尖锐粗糙,HDCC基体的流变特性改变,导致纤维分散均匀性降低[6];另外,金刚砂级配间断,连续性较差,易造成HDCC基体的匀质性下降,基体内部缺陷增多,这也是金刚砂降低HDCC单轴拉伸能力的原因之一[10].

在PVA纤维的基础上混杂Vf=0.45%的微细钢纤维后,整个体系的纤维数量大幅增加,纤维的分散均匀性较单一的PVA-HDCC体系有所降低.同时,当基体开裂后,因微细钢纤维表面比较光滑,钢纤维以较小的黏结应力从基体中拔出后,无法有效桥接微裂缝.因此,一方面,微细钢纤维充分发挥了其增强增韧的效果,提高了力学性能与抗冲磨性能,实现了弯曲荷载作用下的应变硬化;另一方面,微细钢纤维降低了HDCC的单轴拉伸性能.

(a) HR拉伸试件

(b) HC拉伸试件

3 结论

1) 骨料类型对HDCC抗折强度影响较为明显,而对抗压强度、弯曲韧性和抗冲磨性能影响不显著;金刚砂提高了HDCC的抗拉强度,但降低了HDCC的延性.

2) 金刚砂坚硬且锐利的棱角使得纤维在拉拔过程中更易造成纤维切削和拉断,致使HDCC延性降低.

3) 在PVA-HDCC体系中混入微细钢纤维后,微细钢纤维对基本力学性能和弯曲韧性的增强效果比较明显;以天然河砂为骨料时,掺加微细钢纤维会降低HDCC的延性,以金刚砂为骨料时,掺加微细钢纤维则会提高HDCC的延性;金刚砂和微细钢纤维可提高HDCC的抗冲磨性能.

)

[1] Li V C. On engineered cementitious composites (ECC)—A review of the material and its applications [J].JournalofAdvancedConcreteTechnology, 2003,1(3): 215-230. DOI:10.3151/jact.1.215.

[2] Li V C. 高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[J]. 硅酸盐学报, 2007, 35(4):531-536. DOI:10.3321/j.issn:0454-5648.2007.04.026.

Li V C. Progress and application of engineered cementitious composites[J].JournaloftheChineseCeramicSociety, 2007,35(4): 531-536. DOI:10.3321/j.issn:0454-5648.2007.04.026.(in Chinese)

[3] Li M, Li V C. High-early-strength ECC for rapid durable repair-material properties [J].ACIMaterialsJournal, 2011, 108(1): 3-12.

[4] 赵铁军, 毛新奇, 张鹏. 应变硬化水泥基复合材料的干燥收缩与开裂[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2006, 36(S2):269-273.

Zhao Tiejun, Mao Xinqi, Zhang Peng. Restrained drying shrinkage and cracks of PVA-ECC[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2006,36(S2):269-273. (in Chinese)

[5] Yang E H, Li V C. Tailoring engineered cementitious composites for impact resistance[J].CementandConcreteResearch, 2012,42(8): 1066-1071. DOI:10.1016/j.cemconres.2012.04.006.

[6] 张丽辉, 郭丽萍, 孙伟, 等. 高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2014, 44(5): 1037-1040. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.05.028.

Zhang Lihui, Guo Liping, Sun Wei, et al. Rheological property and fiber dispersion of high ductility cementitious composites[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2014,44(5): 1037-1040. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.05.028.(in Chinese)

[7] Ma H, Qian S, Zhang Z, et al. Tailoring engineered cementitious composites with local ingredients[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2015,101: 584-595. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.10.146.

[8] Huang X, Ranade R, Ni W, et al. Development of green engineered cementitious composites using iron ore tailings as aggregates[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2013,44: 757-764. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2013.03.088.

[9] 黄国兴, 陈改新, 纪国晋, 等.水工混凝土技术[M].北京: 中国水利水电出版社, 2014:360-370.

[10] Sahmaran M, Lachemi M, Hossain K M A, et al. Influence of aggregate type and size on ductility and mechanical properties of engineered cementitious composites[J].ACIMaterialsJournal, 2009,106(3): 308-316. DOI:10.14359/56556.

Effectsofaggregatetypeandfibreonpropertiesofhighductilitycementitiouscomposites

Guo Liping1,2Chen Bo3Sun Wei1Chen Zhengkai1Zhang Wenxiao3

(1School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China) (3State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

To investigate the effects of aggregate type and fibre on the properties of high ductility cementitious composite (HDCC), four series of HDCCs were prepared. The HDCCs used ordinary river sand and carborundum as aggregates, and used polyvinyl alcohol (PVA) fibre and PVA and micro-copper-coated steel hybrid fibres as reinforced fibres. The flexural and compressive strength, flexural toughness, uniaxial tensile properties and abrasion resistance were studied. The morphology of PVA fibre of tensile test specimens was observed by the scanning electron microscopy. The results show that the effect of aggregates on flexural strength is obvious, but the effects on compressive strength, bending toughness and abrasion resistance are not significant. Micro-steel fibre has an evident effect on flexural strength, bending toughness and abrasion resistance. The effect of micro-steel fibre on the ductility depends on the aggregate of HDCC. When the natural river sand is used as aggregate, the micro-steel fibre reduces the ductility of HDCC; while the carborundum is used as aggregate, the micro-steel fibre improves the ductility of HDCC. The carborundum increases tensile strength, but significantly reduces the ductility of HDCC.

aggregate; fibre; ductility; toughness; abrasion resistance; carborundum

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.022

TV431

A

1001-0505(2017)06-1221-06

2017-05-18.

郭丽萍(1979—)，女，博士，副教授，博士生导师， guoliping691@163.com.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401610)、国家自然科学基金资助项目(51378113，51438003)、江苏省自然科学基金资助项目 (BK20151072)、江苏省六大人才高峰B类资助项目(JZ-004).

郭丽萍，陈波,孙伟,等.骨料类型及纤维对高延性水泥基复合材料性能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(6):1221-1226.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.022.