超高韧性水泥基混凝土拉伸性能影响因素试验研究

肖 杰 叶 明 李俊禧 姜海波

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

1 引言

为了解决混凝土脆性这一个致命的缺陷，许多的专家与学者开始了增强混凝土韧性的实验研究。经过大量研究，一种超高韧性水泥基混凝土（E ngineer ed C ement it ious C omposit e，简称ECC）得以发展与完善，这种混凝土有望有效解决了混凝土脆性破坏这一难题，因此该混凝土在工程中具有良好应用前景。

ECC 是由密歇根大学V ict or. C. Li 教授等人在1992 年发明的短纤维增强水泥基复合材料，通过细观力学和断裂力学原理，以体积不超过2%纤维制成薄板构件并做直接拉伸试验，通过试验获得的极限拉伸应变能够达到3%以上，并且在拉伸过程形成许多小于100μm 的细小裂纹[1]，是一种高韧性，高延展性和具有多缝开裂特性的纤维增强水泥基复合材料。Ranade 等[2]在宏观尺度上将M45-ECC 和HF A-ECC 两种高延性水泥基混凝土的裂缝特征进行了对比，结果表示，M45-ECC的裂缝宽而少，而HF A-ECC 裂缝的细而多，同时得出裂缝概率密度函数可以用对数正态分布很好的描述。Kamil e 等[3]使用荧光显微镜和先进的数字图像分析了两种不同的ECC 在基质流动性方面的纤维分布对ECC的拉伸延性的作用，得出第一条裂缝开裂强度与最大裂缝尺寸的平方根成反比。Yang 等[4]研究了拉伸应变速率对P VA-ECC 拉伸性能的影响，建立了高负荷下材料微观结构与拉伸应变硬化的动态微观力学模型，研究发现在聚乙烯醇纤维增强ECC 体系中纤维刚度、纤维强度、基体韧性和纤维界面化学键强度对加载速率敏感，并且它们随着加载速率增加而增大。P ang 等[5]研究了粉煤灰含量和砂含量对P VA-ECC 性能的影响，得出随着粉煤灰掺量的增加和砂含量的减少，P VA-ECC 的拉伸应变增加。张菊等[6]研究了氯盐环境对P VA-ECC 质量损失率、相对动弹性模量和抗冻性的影响，得出了氯盐环境中P VA-ECC 试件的质量损失率增大，相对动弹性模量明显下降，抗冻性显著下降，表明氯盐环境对P VA-ECC 的性能有重大影响。除此之外，各位学者专家对ECC 的研究涉及各各方面，一些学者研究化学外加剂[7-10]的对其韧性的影响，一些研究P VA 纤维掺量[11-14]、水胶比[9-10，15]、砂[12-13]与粉煤灰等矿物掺合料的种类和掺量[10，12，15]等对ECC 变形能力的影响，还有一些学者研究ECC 的临近裂缝宽度[17]等。

尽管ECC 的配制方法已多有报道[18-22]，但影响ECC拉伸性能的因素众多，因此系统地整理这些影响因素尤为重要。本文以纤维掺量、水胶比、骨料粒径、减水剂品牌、粉煤灰掺量等为变量，配制出了拉伸应变稳定在3%以上的ECC，此处在骨料粒径上本人采用了粗砂（粒径过3mm 的方孔筛子），同时还研究了不同的减水剂品牌对ECC 拉伸性能的影响，这与以往学者的研究稍有不同，这一研究结果又为P VA-ECC 这一新型材料的理论体系作了补充。

2 试验

2.1 原材料

试验水泥采用石井牌P·O42.5R 级普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用Ⅰ级高钙粉煤灰；纤维选用日本Kur ar a y 公司生产的K-Ⅱ可乐纶纤维，参数如表1 所示；细骨料采用两种不同的材料，细骨料A 采用粒径为100目和200 目的广西生产的石英砂按50%混搭；细骨料B采用粒径过3mm 孔径筛子的精细砂；减水剂采用两种不同减水率的材料进行对比，减水剂A 采用江门生产的聚羧酸类高效减水剂，减水率为20%;减水剂B 采用西卡生产的高效减水剂，减水率为40%。

表1 PVA 纤维的基本特性

2.2 配合比设计

试验中水胶比为0.22 和0.24；粉煤灰掺量为80%、70%；试件纤维体积掺量为0%、1%、1.5%、2%、2.5%；砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂；A 与B 两种减水剂品牌。共设计了9 组配合比，每组3 个构件。配合比如表2 所示。

2.3 试件制作工艺

P VA 纤维水泥基复合材料除了配合比影响其工作性能外，各种材料的添加顺序、添加后的搅拌时间也会对其产生影响，经过重复试验，对P VA 纤维水泥基复合材料采用以下试件制备成型方法：

首先按配合比质量将粉状材料(包括水泥、粉煤灰和石英砂)称好、倒入JJ-5 型搅拌机混合搅拌2min 其次，将已称好的减水剂加入水中，搅拌均匀后全部倒搅拌桶内，先低速搅拌4min，接着高速搅拌2min，此时拌合材料呈糊状，且具有良好的流动性。最后，缓慢均匀地P VA 纤维，待人工将纤维全部加入到搅拌桶后，先低速搅拌2min，接着高速搅拌1min。若拌合物呈现出良好的粘聚性，且无结团与泌水现象，则搅拌过程完成。

试件尺寸为330mm×600mm×15mm 哑铃型试件，如图1 所示。试件浇筑完成后用塑料薄膜覆盖并置于室内，试件初凝后将其表面进行抹平，所有试件24h 拆模后薄膜养护，养护温度为(23±2)℃，养护时间为28d。

图1 哑铃型钢模板

2.4 试验加载与测试

试件两端采用铝板进行粘贴加固，铝板与试件之间采用502 胶水进行粘结。固定完毕后在微电控制电液伺服万能试验机W A W-300 型（如图2）中进行直接拉伸试验，试验数据由D H3819 静态数据测试系统进行采集，荷载由10k N 外置拉压传感器采集，加载速率采用位移控制，整个试验过程中保持加载速率为0.5mm/min。试件加载前，使用铝质位移计固定装置将位移计安装于标距长度为90mm 的试件两侧，试验加载装置如图3 所示。试验变形值取两侧位移计测量值的平均值，应力值和应变值取试件实际尺寸进行计算。

图2 电液伺服万能试验机

图3 试验加载图

表2 配合比

3 试验结果分析

3.1 试件应力应变曲线

图4 给出了9 组试件的应力应变曲线图。

3.2 纤维体积掺量对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

为了研究纤维掺量，对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响，本试验共五种不同的纤维掺量，即0%、1%、1.5%、2%、2.5%。

根据应力应变曲线可以看出，在水胶比、减水剂及粉煤灰都相同的情况下，纤维的加入使P VA-ECC 的拉伸性能逐渐提高，在纤维掺量为2%时，其拉伸性能表现最为优越和稳定，表现出较高的拉伸应变。而当纤维的量大于2%时，纤维就会出现结团现象，纤维掺量为2.5%的应力应变曲线就可以看出，纤维的加入过多，不仅抗拉强度下降，应变硬化现象也很不明显。从经济效果以及搅拌工艺上考虑，2%的纤维掺量明显优于2.5%的纤维掺量，而且2%纤维掺量的ECC 的细密裂缝条数明显多而密，可以使纤维的利用率最大化。

3.3 水胶比对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

图4 应力应变曲线图

为了研究水胶比对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响，本试验共设计了两种不同的水胶比，即0.22 和0.24。

如图4，由应力应变曲线图可知，纤维掺量在2.5%的情况下，水胶比从0.22 增大到0.24，从流动性讲和拉伸效果讲，都有一定的提高，但由于纤维掺量过多，使得该混凝土有结团的现象。由于纤维结团会造成混凝土试件的不密实，所以不利于试件开裂强度的提高及多条细密裂缝的形成。不过适当地提高水胶比可以使混凝土流动性提高，从而提高该试件的密实度，对于配制自密实ECC 大有好处。

3.4 砂的粒径对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

为了研究砂的粒径对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响，本试验共设计了两种不同的砂的粒径，即砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂。由图4 可知，砂的粒径越大，不利于曲线的振荡段的形成，即难以出现应变硬化现象。因此，砂子粒径的大小对于配制高韧性混凝土尤为重要，而对于ECC 的配制，砂子粒径至少控制在3mm 以下。

3.5 A 与B 两种减水剂品牌对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

本次实验对比了纤维体积掺量在2.5%的情况下，不同的减水剂品牌对其拉伸性能的影响。如图，由于减水剂会影响混凝土的流动性，从而影响P VA-ECC 单轴拉伸性能。而减水剂B 由于减水率高，可以大大提高混凝土流动性，且不出现严重的泌水现象，因此配出来的试件不仅拉伸性能高，而且具有明显的多裂缝开裂现象，应变硬化现象比减水剂A 所配出来的试件更明显。

3.6 粉煤灰对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

在粉煤灰为80%的应力应变曲线中，由于粉煤灰掺量的增加，颗粒与颗粒之间的相对滑动增加，从而使混凝土的流动性增加，可以最大限度地使纤维分散均匀，因此裂缝条数多而密。在粉煤灰为70%和80%的应力应变曲线中，由于水胶比低，粉煤灰的减少，不利于混凝土和易性，但一般来说，可以增大了混凝土的初裂强度。对比这两种应力应变曲线中，由于纤维的量为2%，流动性好，因此拉出来的应变硬化结果都很明显，极限抗拉应变都超过3%。总的来说，80%的粉煤灰掺量下，应变硬化效果更明显一点。

4 结论

本文通过单轴拉伸试验，研究了P VA 纤维掺量、水胶比、细骨料粒径、减水剂品牌、粉煤灰掺量对P VA-ECC单轴拉伸性能的影响，研究结果表明：

⑴随着纤维掺量的增加，P VA-ECC 的拉伸性能逐渐提高，在纤维掺量为2%时，其拉伸性能表现最为优越和稳定，表现出较高的拉伸应变。

⑵水胶比0.22 的情况下，粉煤灰掺量为80%的P VA-ECC 试件表现出高强度和高延性，且表现出多缝开裂特征，具有优异的裂缝控制能力。

⑶砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂，砂的粒径越大，可以提高初裂强度，但不利于多裂缝的出现，极限拉应变也大大降低。

⑷B 品牌减水剂由于减水率高，可以大大提高混凝土流动性，且不出现严重的泌水现象，因此配出来的试件不仅拉伸性能高，而且具有明显的多裂缝开裂现象，应变硬化现象比减水剂A 所配出来的试件更明显。

⑸由于粉煤灰掺量的增加，颗粒与颗粒之间的相对滑动增加，从而使混凝土的流动性增加，可以最大限度地使纤维分散均匀，因此粉煤灰80%的掺量比70%的拉伸性能好，裂缝条数多而密。●