粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

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(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

阚黎黎，陶毅晨，朱瑨，徐超，曹号

(上海理工大学环境与建筑学院，上海200093)

为了探究粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料(ECC)性能的影响，设计对比三组由不同细度粉煤灰制作的ECC试件的抗拉及抗压试验性能，并进行了灰色关联度分析。结果表明：ECC的拉伸应变与粉煤灰细度之间不呈简单的线性关系；对于ECC的抗压强度，其主导因素并非是粉煤灰的细度，而是粉煤灰的活性。在特定条件下，通过改变粉煤灰的细度，可以在不影响基体强度的情况下改善ECC的延性。

超高韧性水泥基复合材料(ECC)； 粉煤灰细度； 灰色关联分析

1 引 言

随着对建筑质量要求的逐年增高，以及在重大土木工程中的大量应用，超高韧性水泥基复合材料(ECC)自上世纪90年代初问世以来，因其自身所独具的对裂缝宽度的可控性及紧密细小的多缝开裂特性(图1[1，2])，吸引了越来越多的国内外学者的广泛关注。尽管中外学者对ECC这一新型材料的理论研究已得出大量成果，但是在许多方面仍然存在空白。同时，随着环保意识的增强，以工业副产品或废弃物为原料的矿物掺合料已经成为制备新型混凝土材料不可或缺的组成部分。当前粉煤灰已在水泥基复合材料的研究及制备中得以大量应用。近年来对ECC材料的研究[3]发现，粉煤灰等矿物掺合料的掺入能显著改善纤维-基体界面间的粘结性能、缩小各断裂面间的结构差异、降低基体的断裂韧性及提高纤维的增强效应，实现更多微裂缝的展开，极大地提高其延性及韧性。由此可见，粉煤灰对于ECC的影响不容小觑。然而，目前国内外关于粉煤灰对ECC性能影响的研究大多关注于粉煤灰掺量的变化[4-7]，而对于粉煤灰诸如细度等自身特性因素的影响研究鲜有报道。为此，本文主要围绕粉煤灰细度这一变量，研究其对ECC性能的影响。

图1 ECC多裂缝开裂示意图及典型的拉伸应力-应变曲线Fig.1 Multi-cracking and typical tensile stress-strain curve and crack width development of ECC

2 试 验

2.1 原材料及配合比

日本小野田公司生产的P·I型普通硅酸盐水泥、山东天岩矿业提供的Ⅱ级粉煤灰、以及细砂、水，并辅以W.R. Grace公司生产的ADVA© 152高效减水剂和瑞士阿克苏诺贝尔公司生产的Bermocoll M30甲基纤维素醚增稠剂(HPMC)用于ECC材料的制备。纤维使用的是日本Kuraray 公司生产的Kuralon-II REC-15型PVA纤维，力学特性如表1所示，PVA纤维直径为39μm，长度12mm，抗拉强度1600MPa。此外，由于PVA纤维具有强烈的亲水特性，为了减少纤维与基体界面间的粘结作用，对纤维表面进行了油剂处理(1.2%重量百分比)[8]。经X射线荧光光谱分析得出的水泥及粉煤灰化学组成见表2，配比如表3所示，其中粉煤灰掺量为42.85%。

表1 PVA纤维的物理力学特性Table 1 Physical and mechanical characteristics of PVA fiber

表2 水泥和粉煤灰的化学组成/wt.%Table 2 Chemical composition of cement and fly ash/wt.%

表3 ECC的配合比/%

aW/B: Weight ratio of water to binder (cement + fly ash) material

使用行星型球磨机将粉煤灰进行研磨并加入1g助磨剂，然后根据5min、10min、15min三种不同的研磨时间将试件分别分为A、B、C三组。采用上海民仪电子有限公司生产的BT-9300Z型激光粒度分布仪对不同细度的粉煤灰进行表征，具体粉煤灰研磨后的细度参数及粒径分布详见如表4和图2所示。从分布图中可以看出，图线峰值随研磨时间变长而粉煤灰粒径越来越细。其中，A组中位径为9.738μm，B组为7.507μm，C组为5.83μm。比表面积依次为：646.9m2·kg-1、750.4m2·kg-1和850.1m2·kg-1。

图2 研磨不同时间的粉煤灰粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of fly ash in different grinding time

GroupABCD50/μm9.7387.5075.83Specificarea/m2·kg-1646.9750.4850.1

2.2 ECC试件的制备

本文主要进行的是单轴拉伸及立方体轴心抗压试验。单轴拉伸试验的试件形状设计为哑铃型(如图3)。有效区的长、宽分别为80mm和30mm，厚度为15mm[9]。立方体轴心抗压试件尺寸为50mm×50mm×50mm。

图3 哑铃型试件示意图Fig.3 Sketch of dumbbell shaped specimen

2.3 试验设计

试验中ECC的制备过程为：将细砂、粉煤灰、水泥和固体增稠剂按表3配比称量好后，倒入容量为5L的行星式搅拌机内慢速搅拌2min，使原料充分混合均匀。将水和减水剂混合搅拌后倒入搅拌机内，快速搅拌2min，直到观察到浆体呈面团状时，再缓慢、分散、均匀地加入纤维，快速搅拌 3～5min，直至浆体中纤维不成团、不结块为止，这是ECC制备的关键。搅拌完成后，将搅拌均匀的拌和物装入事先刷好脱模剂的哑铃型模具(图3)中，振捣密实后置于实验室空气中养护。24h后脱模，将试件置于温度为(20±1)℃，湿度≥95%的标养箱中分别养护至7d和28d的设定龄期。

2.3.1抗拉实验 试件成型1d后拆模，分别标准养护至7d和28d龄期。使用单轴直接拉伸试验机对试件进行拉伸试验，试验装置见图4。拉伸实验加载采用位移控制，拉伸速率为 0.3mm/min。采用荷载传感器和位移计记录荷载和位移，记录拉伸过程中试件拉力和长度的变化。

图4 单轴拉伸试验装置Fig.4 Setup of uniaxial tensile test

2.3.2立方体抗压试验 立方体抗压试件成型1d后，标准养护至14d。使用中正压力试验机对试件进行立方体抗压试验。

3 结果与讨论

3.1 对单轴直接拉伸性能的影响

在实验前，先使用未磨细的同种粉煤灰制作了一批试件，养护7d后进行单轴拉伸实验。实验中，未磨细粉煤灰制作的试件均表现为脆性破坏，并未出现ECC材料所具有的均布裂缝及高延性的特征，这表明过粗的粉煤灰不宜用来制作ECC材料。将该粉煤灰磨细后，经单轴直接拉伸实验后所得的结果可以看出，试件所表现出的高延性以及多缝开裂性能均符合ECC的性能标准。可以看出，粉煤灰的细度对ECC拉伸性能的影响确实存在。

不同细度粉煤灰对ECC单轴直接拉伸性能的影响详见表5和表6。同种细度粉煤灰制备4块试件，最终数据取4块试件的平均值。

表5 不同细度粉煤灰对ECC单轴直接拉伸性能的影响(7d)

图5 试件拉伸破坏的宏观形貌Fig.5 Tensile failure of specimen

哑铃型试件在拉伸试验的初始阶段，表现出与一般混凝土材料类似的刚度性能。但随着荷载的增大，试件开始出现裂缝，同时应力-应变曲线开始上下波动，与钢筋材料的屈服阶段表现类似。拉伸试验进入后期，可以观察到试件的有效区域内，与主裂缝平行的方向，出现很多均布的细小裂纹(图5)，而且还能清晰地听到PVA纤维被拉断的响声，这表明PVA 纤维逐渐被拉断或从基体中拔出，该阶段应力-应变曲线发生陡降，直至试件最终被拉断[10-11]。ECC试件在不同龄

期下的单轴直接拉伸应力-应变曲线如图6所示。

对比实验数据可以看出，使用A、B、C三种不同细度粉煤灰的ECC试件，延性表现有所不同，见图7。值得注意的是：平均应变并非随细度增大而增长。7d龄期的试验中，B组试件的平均应变最大，之后是C组，A组试件的平均应变最小。而应力则是随细度增大而变小，但并未表现出很大的差异。28d龄期的三组试件表现出类似的结果，平均应变也并非随细度增大而增大，同样为中等细度试件的延性最好，应力随细度变大趋于变小，差异并未如延性明显。从裂缝分布的情况来看，均布开裂与延性表现是一致相关的。中间细度的E组试件裂缝分布更加均匀，裂缝条数也较其他两组多。因此，粉煤灰细度对ECC材料延性的影响，并非是单调、简单线性的。

图7 在不同龄期下不同细度粉煤灰对抗拉性能的影响(a) 7d； (b) 28dFig.7 Effect of different fineness of fly ash on tensile properties at different ages(a) 7d; (b) 28d

3.2 对ECC试件抗压强度的影响

ECC试件抗压实验结果如表7所示。

立方体试件在试验初期，刚度表现稳定。随着荷载的增大，试件开始出现竖向裂缝，并且明显存在纤维连续拉断的声音。试件压坏时，与一般混凝土材料不同，ECC材料仍表现出良好的整体性，并且竖向裂缝仍然为相对均匀分布。破坏表现并非为典型脆性破坏，如图8所示。

表7 ECC试件抗压强度试验结果

图8 抗压试件破坏照片Fig.8 DamageFigure of compressive test

对于普通混凝土，由于粉煤灰的“密实效应”(活性高的细粉煤灰包含有较多表面光滑致密的球状颗粒玻璃体，可通过相互堆积和填充作用，使水泥基体结构密实，具有良好的宏观力学性能),在相同的水化条件下，越细的粉煤灰对提高混凝土材料的抗压强度越有利[12]。从本实验结果可以看出ECC试件的抗压强度受细度影响亦颇为明显，但并不同于普通混凝土，反而表现出比表面积较小的A组试件，平均抗压强度为45.4MPa，而C组的平均抗压强度只有32MPa，抗压强度随粉煤灰细度变大而趋于变小。当粉煤灰代替大量水泥后，溶液中钙离子浓度降低，当粉煤灰-水泥体系在室温下水化时，由于粉煤灰活性不能完全被激发，浆体不能完全水化，使得基体的水化反应程度很低；同时，由于粉煤灰为低钙粉煤灰，CSH凝胶形成较少，因此基体强度将有所降低[13-16]。本次实验中所用粉煤灰

含钙量较低，CaO含量仅有1.83%。

因此，造成实验结果与文献资料描述不同的原因，是由于粉煤灰经机械研磨之后，虽然粒径变小、粉煤灰颗粒变细，但是其水化能力及活性却随之变差[17]。机械研磨的时间越长，水化能力及与水泥生成凝胶的能力损失越大。相比于抗拉强度，粉煤灰细度对ECC基体的抗压性能的影响表现得更为显著。

3.3 灰色关联度分析

以粉煤灰的比表面积为母序列，试件的抗拉抗压强度、应变为子序列进行灰色关联度计算，结果见表8。

从表8可以看出，在配比相同的情况下，粉煤灰的细度与ECC基体性能的关联度值均超过0.5，这表明粉煤灰细度对基体性能的影响确实存在。对比抗拉强度与应变的关联值可以看出，粉煤灰细度对于基体延性的影响要大于对基体强度的影响，28d应变的关联度值为0.829，而强度关联度值最大为0.641。这与抗拉实验结果一致，即粉煤灰细度对试件延性好坏的影响比较明显，而对抗拉强度的影响并不突出。该结果间接表明，抗压试验中表现出的试件抗压强度随粉煤灰细度的增大而减小的原因并非归因于细度的变化，而是与粉煤灰本身的活性有关。

表8 比表面积与基体性能的灰色关联度Table 8 Grey connection degree between specific surface area and matrix properties

4 结 论

1.在相同的配合比并且使用同种粉煤灰的条件下，ECC基体的抗拉强度随细度的变化并不明显；对于极限拉伸应变，粉煤灰的细度在比表面积值[646m2/kg～850 m2/kg]区间内，极限拉应变值先大后小，二者并非简单的线性关系。

2.ECC基体的抗压强度随粉煤灰细度的增大而减小，其主要原因是由于主导基体强度的因素不是粉煤灰细度，而是粉煤灰活性。

3.通过灰色关联度分析可知，在相同的条件下，粉煤灰细度对于ECC拉伸应变的影响大于其对拉伸强度的影响。在特定条件下，通过改变粉煤灰的细度，可以在不影响基体强度的情况下改善ECC的延性。

[1] Kunieda M. Recent Progress on HPFRCC in Japan-Required Performance and Applications[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2006, 4(1): 19～33.

[2] Yang E H, Yang Y Z, Li V C. Use of High Volumes of Fly Ash to Improve ECC Mechanical Properties and Material Greenness[J]. Aci Materials Journal, 2007, 104(6): 620～628.

[3] 杨英姿,姚燕.高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能[J].中国材料进展, 2010, 29(9): 19～24.

[4] 薛永杰, 玄东兴, 曾艳. 粉煤灰细度对水泥胶砂性能的影响[J]. 粉煤灰, 2006, 18(2): 10～11.

[5] 徐世烺, 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]. 土木工程学报, 2008, 41(6): 45～60.

[6] 杨英姿, 祝瑜, 高小建, 等. 掺粉煤灰PVA纤维增强水泥基复合材料的试验研究[J]. 青岛理工大学学报, 2009, 30(4): 51～54.

[7] Xu A, Sarkar S L, Nilsson L O. Effect of fly ash on the microstructure of cement mortar[J]. Materials & Structures, 1993, 26(7): 414～424.

[8] Li V C. Interface Tailoring for Strain-hardening PVA-ECC[J]. Aci Materials Journal, 2002, 99(5): 463～472.

[9] Wang S, Li V C. Engineered Cementitious Composites with High volume Fly Ash[J]. Aci Materials Journal, 2007, 104(3): 233～241.

[10] Lepech M D, Li V C, Robertson R E, Keoleian G A. Design of Green Engineered Cementitious Composites for Improved Sustainability[J]. Aci Materials Journal, 2008, 105(6): 567～575.

[11] 西晓林, 房满满,文梓芸, 等. 聚乙烯醇在高性能水泥基材料中的作用机理分析[J]. 材料科学与工程学报, 2008, 26(2): 264～267.

[12] 刘宝举, 谢友均, 张艳芹. 粉煤灰细度和掺量对水泥基材料性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2003, 6(4): 426～430.

[13] 林建辉, 余江滔, Li V C. 超高韧度水泥基复合材料经亚高温处理后的性能[J]. 硅酸盐学报, 2015, 43(5): 604～609.

[14] Wang S, Wu C, Li V C. Tensile Strain-hardening Behavior of PVA-ECC[J]. ACI Materials Journal,2001,98(6):483～492.

[15] 阚黎黎, 曹号, 盛昊煜, 等. 用纳米压痕技术表征超高韧性水泥基复合材料(ECC)的裂缝自愈合特性[J]. 材料科学与工程学报, 2016, 34(3): 394～399.

[16] 黄其秀. 大掺量粉煤灰复合水泥物理性能与混凝土性能[J]. 材料科学与工程学报, 2002, 20(2): 259～262.

[17] 钱文勋, 蔡跃波. 活性激发过程中粉煤灰硅氧多面体结构变化的核磁共振研究[J]. 材料科学与工程学报, 2004, 22(4): 561～563.

[18] Zhang Y, Zhang X, Dou J. Grey Connection Analysis between Particle Size Distribution of Slag Powder and Its Activity Coefficient[J]. Journal of Building Materials, 2001,4(1):44～48.

[19] 王晓钧, 施书哲. 粉煤灰机械研磨后热学性质变化的研究[J]. 材料科学与工程, 2001, 19(2): 61～65+75.

EffectofFinenessofFlyAshonPropertiesofEngineeredCementitiousComposites

KANLili,TAOYichen,ZHUJin,XUChao,CAOHao

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

In order to study the fineness of fly ash on the properties of engineered cementitious composites (ECC), the tensile and compressive properties of ECC specimens which were made of three different fineness fly ash were investigated and the grey relational analysis were also performed in this paper. The results show that the tensile strain of ECC does not have a simple linear relationship with the fineness of fly ash, and the fineness is also not the key factor to ECC compression performance, but all of them are dependant on the activity of fly ash. In certain conditions, by changing the fineness of fly ash, the ductility of ECC can be improved without affecting the strength of matrix.

Engineered cementitious composites(ECC); fineness of fly ash; grey correlation analysis

2016-06-03；

2016-07-18

国家自然科学基金资助项目(51508329)

阚黎黎(1980-)，女，副教授，硕导。研究方向：新型建筑材料。E-mail：kanlili@usst.edu.cn。

1673-2812(2017)06-0934-06

TQ172.71+5

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.015