养护龄期对大掺量粉煤灰UHTCC力学性能和变形能力影响试验研究

张文帅，马倩敏，郭荣鑫，颜 峰，付朝书，彭玉清

(昆明理工大学建筑工程学院，云南省土木工程防灾重点实验室，昆明 650500)

0 引 言

混凝土作为传统的土木工程材料具有原材料容易获取，加工制作方便和抗压强度高等优点，成为了建筑行业中使用最为广泛的土木工程材料之一[1]。但混凝土脆性大、抗开裂性能差、抗拉强度低，这些缺点容易引起混凝土开裂从而造成混凝土保护层剥落，加速钢筋锈蚀，从而影响建筑工程的耐久性，降低工程的寿命[2]。超高韧性纤维增强水泥基复合材料(UHTCC)具有延性好、抗拉强度高、裂缝控制能力强等特点，能够有效抑制混凝土裂缝的产生与发展[3-4]。

UHTCC中掺入粉煤灰可以改善基体的微观结构，提高复合材料的变形能力和基体断裂韧度[5]。因此UHTCC制备时往往掺加大量的粉煤灰，但是大量粉煤灰的掺入可能会带来UHTCC早期强度低的问题[6-8]。因此本文从宏观性能和微观结构角度就养护龄期对大掺量粉煤灰UHTCC的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度等基本力学性能，变形能力，裂纹发展以及材料破坏形态的影响展开了研究。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

本实验采用昆明华新水泥(红河)有限公司生产的P·O 42.5水泥制备UHTCC。所掺加的粉煤灰采用宣威电厂的Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的密度为1.9 g/cm3，比表面积为4 500 cm2/g。

图1 粉煤灰的XRD谱
Fig.1 XRD pattern of fly ash

图2 粉煤灰的SEM照片
Fig.2 SEM image of fly ash

图3 石英砂粒径分布图Fig.3 Grain size distribution of quartz sand

水泥和粉煤灰的主要化学组成见表1。粉煤灰的XRD谱和SEM照片分别见图1和图2。骨料使用优质石英砂(其中SiO2≥90%)，粒径主要分布在20～200 μm，石英砂的粒径分布图见图3。纤维采用日本可乐丽公司生产的PVA纤维，其物理参数见表2。拌合用水采用的是自来水。为提高纤维与基体间的粘结强度，采用羟丙基甲基纤维素作为增稠剂。减水剂采用西卡(中国)有限公司生产的聚羧酸类减水剂，减水率为30%。UHTCC的配合比见表3，水胶比为0.26，纤维体积掺量为1.7%。

表1 粉煤灰和水泥主要化学组成Table 1 Main chemical composition of fly ash and cement /wt%

表2 PVA纤维的物理性能参数Table 2 Physical performance parameters of PVA fibers

表3 UHTCC配合比Table 3 Mix proportion of UHTCC /(g/L)

1.2 试件制备

先将水泥、粉煤灰、石英砂混合干拌2～3 min，然后将减水剂在水中混合均匀后分3次加入到拌合物中，继续搅拌3 min直到拌合物具有良好的流动度，再将PVA纤维分3次均匀加入到拌合物中，待纤维全部加入后继续搅拌4 min以保证纤维分散均匀。

成型50 mm×50 mm×50 mm的立方体试件、400 mm×100 mm×15 mm的薄板试件、330 mm×60 mm×15 mm的狗骨型试件，分别用于抗压强度、四点弯曲和直接拉伸测试。拌合物入模振捣密实后覆膜养护24 h，试件拆模后放入标准养护室养护至规定龄期。

1.3 实验设备与方法

试件养护至相应龄期后从养护室内取出擦干表面水分。立方体抗压实验采用YES-300型电液压式压力实验机以0.8 kN/s加载速率控制加载。薄板四点弯曲实验跨度为300 mm，使用UTM-30万能材料实验机进行位移加载，位移加载速率为0.2 mm/min，跨中挠度通过LVDT传感器进行测量，加载过程中通过计算机自动采集荷载和跨中挠度，当薄板底部出现贯穿裂纹时停止加载。直接拉伸实验同样采用UTM-30万能材料实验机进行位移加载，位移加载速率为0.1 mm/min，标距段的伸长量用LVDT传感器进行测量；在直接拉伸实验过程中，采用DIC系统对试件标距段的开裂过程进行采集，裂纹采集区域为图4中的标距段。

图4 狗骨型试件示意图
Fig.4 Schematic diagram of dog bone specimen

2 结果与讨论

2.1 立方体抗压性能

2.1.1 立方体抗压实验现象及破坏形态

普通水泥混凝土受压时产生的裂缝通常为“八字”形[9]，在加载到极限荷载时试件中部外鼓剥落，试件失效，属于脆性破坏。实验中，当加载到极限荷载的50%左右时，UHTCC立方体试件中部开始出现细微的竖向裂纹。随着荷载的增大，裂纹向两端延伸然后斜向发展。加载到极限荷载时，部分裂纹贯穿试件，试件承载力下降继而失效。与普通水泥混凝土相比，由于纤维的阻裂作用[10]，UHTCC试件在受压破坏后裂纹较细，无明显外鼓以及剥落现象，试件的完整度较好。

图5 立方体抗压强度Fig.5 Cube compressive strength

2.1.2 立方体抗压强度

UHTCC立方体抗压强度见图5。图中的强度值为3个试件的平均值。从图中可以看出UHTCC试件28 d的抗压强度较7 d时增长了48.8%。由于粉煤灰火山灰效应发挥滞后[11]，28 d后试件的强度仍有明显增长，56 d时的强度值较28 d时增长了25.9%。之后强度基本保持恒定。

2.2 薄板四点弯曲性能

2.2.1 破坏形态和荷载-挠度曲线

图6为UHTCC薄板试件在不同龄期条件下的荷载-挠度曲线，从图中可以看出，随着养护龄期的增长，试件所能承受的初始开裂荷载也相应的增加。之后，各龄期试件均表现出不同程度的应变硬化现象。养护龄期较短时(如7 d和28 d)，试件极限弯曲荷载较小而对应的跨中挠度较大。由于粉煤灰火山灰效应发挥滞后，此时基体的开裂应力较低，纤维的桥接作用大于基体的开裂应力。试件表面虽然产生了许多裂缝，但裂缝并没有贯穿整个试件，跨中挠度较大。但试件所能承受的极限弯曲荷载仍主要由基体强度决定，所以此时极限弯曲荷载较小。随着养护龄期延长至56 d和90 d，基体开裂应力随之增大，纤维的桥联作用小于基体开裂应力，所以试件的跨中挠度较小。在基体和纤维的共同作用下，试件所能承受的极限弯曲荷载较高。综上，随着养护龄期的增长，UHTCC试件所能承受的初裂荷载和极限荷载随之增大，但是材料的延性却在下降。

图6 荷载-挠度曲线
Fig.6 Load-deflection curves

2.2.2 薄板四点弯曲强度

图7 试件弯曲初裂强度和极限强度Fig.7 Bending initial crack strength and bending ultimate strength of specimens

图7是UHTCC薄板试件四点弯曲初裂强度和极限强度。图中的数值为3个试件的平均值。UHTCC试件弯曲初裂强度和极限强度随着龄期的发展规律与立方体抗压强度类似，56 d前强度随着龄期增长明显，之后基本恒定不变。UHTCC弯曲初裂强度主要由基体强度决定，极限强度则是基体和纤维共同作用的结果。

2.3 直接拉伸性能

2.3.1 直接拉伸强度与应力-应变曲线

图8所示为UHTCC狗骨试件在不同龄期时的拉伸应力-应变曲线。表4给出了试件在不同龄期时的拉伸初裂强度和极限抗拉强度，以及与之相对应的应变。从表4可以看出，UHTCC试件拉伸初裂强度基本随着龄期增长而增大。与弯曲性能类似，UHTCC试件拉伸初裂强度主要由基体强度决定，而大量粉煤灰的掺入使得试件基体强度发展较为滞后。早期大量粉煤灰还未参与水化反应，基体结构疏松，纤维与基体的粘结作用较弱，纤维易于被拔出而不断裂。纤维在逐渐拔出的过程中赋予了试件较大的变形能力，使得试件具有较大的极限拉应变。后期粉煤灰逐渐与水泥水化生成的Ca(OH)2及高Ca/Si的C-S-H凝胶发生二次水化反应，大量生成低Ca/Si的C-S-H凝胶。使纤维与基体界面过度区更加致密，由此增大纤维与基体的粘结强度[12-15]，纤维在拉伸过程中易断裂而造成试件极限拉应变下降。虽然试件在56 d和90 d时的极限拉应变较28 d时大幅下降，但仍有2%左右，表现出较好的应变硬化行为。

图8 UHTCC拉伸应力-应变曲线
Fig.8 Tensile stress-strain curves of UHTCC

表4 抗拉强度及应变
Table 4 Tensile strength and strain

Age/dσfc/MPaεfc/%σtu/MPaεtu/%72.76±0.140.06±0.054.08±0.226.43±0.49282.72±0.130.08±0.024.77±0.265.60±0.09564.19±0.070.04±0.015.08±0.261.98±0.10903.88±0.260.07±0.025.28±0.142.04±0.08

Note:σfcis the initial crack strength;εfcis the corresponding strain to the initial crack strength;σtuis the ultimate tensile strength;εtuis the ultimate tensile strain.

2.3.2 开裂情况

多缝开裂和优异的裂缝控制能力是UHTCC相比普通水泥混凝土和砂浆最重要的优势[16]。图9为UHTCC狗骨试件在直接拉伸实验过程中采用DIC系统所拍摄的照片，由于裂纹细而密集很难分辨，经VIC-2D软件分析标距段内的位移场得到裂纹详图，其中养护龄期为90 d时由于架设DIC系统的时候出现问题所以用未经处理的原图代替。由图9可以看出，7 d和28 d时裂纹较窄且密集；随着龄期的增加，到56 d时裂纹宽度变化不大，但数量大幅减少；到90 d时裂纹的数量和56 d时相差无几。龄期较短时试件基体强度较低，纤维的桥接能力大于基体的开裂强度，纤维的桥接作用得到充分发挥，所以试验过程中产生的裂纹细而密，试件极限拉应变较大(见表4)。随着龄期增长基体强度增加，纤维与基体的粘结强度增大，纤维易被拉断致使其桥接作用减弱，故而裂缝的数量有所下降，试件极限拉应变降低(见表4)。

图9 不同龄期试件的裂纹详图
Fig.9 Crack details of specimens at different ages

2.3.3 PVA纤维形貌

图10为UHTCC试件拉伸实验后，试件断口处的纤维形貌图。养护龄期为7 d时，纤维是从基体中拔出，在拔出的过程中纤维表面几乎没有损伤，相对完整。此时基体内大量掺入的粉煤灰还未开始反应，未水化的粉煤灰玻璃微珠颗粒在基体中对纤维起到润滑作用[17]，削弱了纤维与基体之间的粘结力，使得纤维易于从基体中拔出。在纤维拔出过程中，试件产生了大量细而密集的裂纹，同时对试件的极限拉应变带来较大贡献。28 d时，随着粉煤灰逐渐开始反应，纤维与基体间的粘结力增大，纤维在拔出的过程中已经开始出现刮削现象。UHTCC试件的极限拉应变也相应地有所降低。56 d及之后，随着水化反应进一步进行，纤维与基体间的粘结作用进一步增强，纤维难以从基体中拔出而开始出现颈缩断裂或直接断裂现象。相对应的，试件的极限拉应变较早期有所降低。

图10 断口处的纤维形貌图
Fig.10 Fiber morphology of fracture

3 结 论

(1)在UHTCC中掺入大量粉煤灰可以提高材料的应变硬化和多缝开裂能力，但由于粉煤火山灰效应发挥滞后，降低了UHTCC在养护初期的强度。

(2)UHTCC的抗压强度、薄板四点弯曲强度和抗拉强度随着养护龄期的增长得到提高，达56 d后，各项强度趋于稳定。

(3)随着养护龄期的增长，纤维与基体的粘结强度增大，纤维对材料的变形能力的贡献小，从而降低了UHTCC应变硬化和多缝开裂的能力。