粉煤灰掺量对PVA-ECC性能的影响

李晓琴，周 旭，李世华

(1.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500;2.云南绿色高性能混凝土股份有限公司，昆明 650500)

0 引 言

混凝土凭借组成成分简单及强度高等特点，被广泛应用于实际工程中。但其自身也存在如韧性极差、延展性低、易开裂以及自身脆性大等缺点，严重影响结构的承载能力及耐久性[1]。工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是一种纤维增强水泥基复合材料，但通常是将聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber，PVA)添加至水泥基体中得到PVA-ECC。与普通混凝土相比较，PVA-ECC开裂后可表现出良好的应变硬化行为，具有良好韧性及裂缝控制能力，当PVA纤维的体积分数不超过2%时，其极限拉伸应变可高达3%～5%，裂缝宽度仅为60～80 μm[2-3]。因此，PVA-ECC应用于实际工程中，可有效控制混凝土结构开裂，降低结构维护成本。

尽管PVA-ECC与普通混凝土相比具有良好的性能，为获得应变硬化及高韧性PVA-ECC,只在基体中添加少量细砂，以控制基体的断裂韧性[3-5]，导致其组成成分中的水泥含量极高，由于水泥的生产具有不可持续性，将对环境造成不利影响[6-7]。研究表明，在水泥基材料中掺加粉煤灰替代部分水泥可有效解决这一问题，在减少水泥用量的同时还可降低基体韧度，提高水泥基材料的韧性及耐久性能[6-9]。不足的是，粉煤灰的火山灰反应过程缓慢，会降低PVA-ECC的早期抗压强度[10]。因此，在保证PVA-ECC抗压强度的情况下，适当增加配合比中粉煤灰的含量，可改善其性能。相关研究仅对含粉煤灰的PVA-ECC进行了宏观上的性能研究，并未系统地建立含粉煤灰PVA-ECC强度与其自身韧性、挠度、抗渗性能的关系[6-9]。

基于此，本文拟在PVA-ECC配合比中添加不同含量粉煤灰取代部分水泥，进行抗压试验、单轴拉伸试验、薄板四点弯曲试验以及抗渗性能试验，以此探究粉煤灰含量对PVA-ECC力学性能及抗渗性能的影响，同时系统地建立了不同粉煤灰含量下PVA-ECC抗压强度与其极限拉伸强度、弯曲荷载、极限弯曲韧性指数、挠度、抗渗性能之间的相关性，并进行统计分析以研究不同粉煤灰含量下PVA-ECC的渗水高度概率分布情况，进一步得到不同粉煤灰含量下PVA-ECC平均渗水高度置信区间。最终得到最适粉煤灰含量的PVA-ECC配合比，为其应用于实际工程的提供一定的理论指导。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：采用昆明华新水泥厂制造的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：采用昆明环恒粉煤灰有限责任公司的I级粉煤灰。

细骨料：采用细度模数为2.9的标准石英砂。

PVA纤维：采用日本Kuraray公司的PVA纤维，其性能参数见表1。

表1 PVA纤维的性能参数Table 1 Performance parameters of PVA fiber

减水剂：采用聚羧酸型高效减水剂，其在配合比中含量为水泥与粉煤灰总用量的0.5%。

1.2 配合比

本研究所采用的PVA-ECC配合比如表2所示，编号为PF40、PF50、PF60和PF70，其中水胶比固定不变为0.35，粉煤灰掺量分别为40%、50%、60%、70%(质量分数，下同)，纤维掺量Vf为2%(体积分数，下同)，高效减水剂含量为水泥与粉煤灰总用量的0.5%(质量分数，下同)。

表2 PVA-ECC配合比Table 2 PVA-ECC mix proportions

1.3 试验方法

(1)力学性能试验。采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，在标准养护条件下养护28 d后取出试件，采用万能试验机进行抗压强度测试。采用尺寸为330 mm×60 mm×15 mm的哑铃型试件进行单轴拉伸试验，试验设备取用量程10 kN的电子万能试验机进行位移控制加载，加载速率恒定为0.15 mm/min。采用薄板试件研究弯曲性能，试件尺寸为400 mm×100 mm×15 mm，试验设备取用量程为10 kN的电子万能试验机进行位移控制加载，加载速率0.5 mm/min。弯曲加载试验示意图见图1。

图1 弯曲加载示意图Fig.1 Bending loading diagram

(2)抗渗性能试验。采用尺寸为175 mm×150 mm×185 mm的截锥试件，用渗水高度法进行PVA-ECC抗渗性测试，试验设备采用HS-4S型抗渗仪，试验过程采用一次性加压至1.2 MPa，并持续加压24 h。

2 结果与讨论

2.1 力学性能试验

(1)抗压强度试验

在不同粉煤灰含量下，各组别PVA-ECC试件的各龄期抗压强度试验结果见图2。由图2不难看出，粉煤灰含量的增加会导致PVA-ECC早期抗压强度出现降低的趋势，例如养护龄期在28 d时，相对于PF40，PF50、PF60、PF70的抗压强度分别下降约3.8%、14.1%、22.8%，且在更早龄期时PVA-ECC抗压强度下降更明显；粉煤灰含量越高，对PVA-ECC早期抗压强度影响越明显。粉煤灰含量增加会降低PVA-ECC的早期抗压强度，其原因可能是粉煤灰活性较低，在养护早期时，粉煤灰并不能充分发挥自身的火山灰性质，导致其早期强度降低；其次是因为粉煤灰含量较多的情况下，水泥含量较少，再加上粉煤灰活性较低，导致粉煤灰与水泥发生的二次水化反应有限，剩余粉煤灰颗粒仅对PVA-ECC基体起到填充作用，并不能充分发挥活性凝胶作用来增加PVA-ECC的抗压强度[6,8]。

图2 各组别PVA-ECC抗压强度与龄期关系Fig.2 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ages

(2)拉伸试验

图3为28 d时不同粉煤灰含量下的PVA-ECC的拉伸应力-应变曲线。由图3可知，随着粉煤灰含量增加，PVA-ECC的极限拉伸应变都有所提高，相对于PF40，PF50、PF60、PF70的极限拉伸应变分别提高约为9.2%、19.2%、29.7%。图4为不同粉煤灰含量对PVA-ECC试件的拉伸初裂强度与极限拉伸强度的影响。由图4可知，随着粉煤灰含量增加，PVA-ECC的抗拉强度逐渐降低；粉煤灰掺量由40%增加到70%时，初裂强度由3.61 MPa降低为2.48 MPa，降低了约31.3%。出现上述现象的原因为：随着粉煤灰掺量的增加，基体的断裂韧度降低，即降低了基体与纤维之间的化学粘接，使得PVA-ECC满足开裂强度准则，在拉伸荷载下表现出应变硬化特性[2,6]。

图3 拉伸应力-应变曲线Fig.3 Tensile stress-strain curves

图4 粉煤灰含量对拉伸强度的影响Fig.4 Effect of fly ash content on tensile strength

(3)薄板四点弯曲试验

弯曲韧性的评价采用ASTM C1018韧性指数法[11]，简述如下，通过PVA-ECC的荷载-挠度曲线确定初裂点，初裂点所对应的挠度为初裂挠度δ0，计算出初裂挠度δ0与初裂荷载P0所围成的曲线面积S0，将S0定义为PVA-ECC的初裂韧度；其次分别取5.5δ0、15.5δ0、25.5δ0、35.5δ0和峰值荷载Pmax时跨中挠度δmax所对应的曲线下面积Sn与S0的比值定义为弯曲韧性指标Ir，计算公式如式(1)所示。

Ir=Sn/S0

(1)

式中：r=2n-1，r取值为10,30,50,70,n取值为5.5,15.5,25.5,35.5。

PVA-ECC能量吸收能力评价指标TI定义如下：峰值荷载时的跨中挠度δmax对应荷载-挠度曲线下的面积Smax与试件进行弯曲试验时有效受力体积的比值，计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：b、h和l0分别代表抗弯试件的宽度、高度和有效跨度;P(δ)为弯曲荷载，即跨中挠度δ所对应的弯曲荷载P。

对不同粉煤灰含量的PVA-ECC进行弯曲试验，试验结果及韧性指数、挠度参数等见表3。各组别试件的荷载-跨中挠度曲线见图5。图6总结了不同粉煤灰含量对PVA-ECC试件的峰值荷载Pmax所对应的极限韧性指数Imax与能量吸收能力TI的影响。研究表明，对于具有良好应变硬化的材料，其韧性指数Ir应大于值r且Imax应大于(2δmax-δ0)/δ0[12]。由图5、6可知，随着粉煤灰掺量的增加，PVA-ECC初裂荷载逐步降低，相对于PF40组别，PF50、PF60和PF70分别降低约为10.1%、23.9%和28.7%，这是由于粉煤灰的增加会降低PVA-ECC基体的早期强度。此外，随着粉煤灰含量的增加，PVA-ECC的极限弯曲荷载逐渐下降，试件挠度则表现出增大的趋势，相对于PF40组别，PF50、PF60和PF70挠度分别提高约为29.4%、64.7%和79.4%，表明粉煤灰可以有效提高材料的延性和韧性。

表3 弯曲试验结果Table 3 Bending test results

图5 PVA-ECC荷载-挠度曲线Fig.5 PVA-ECC load-deflection curves

图6 粉煤灰含量对Imax和TI的影响Fig.6 Effect of fly ash content on Imax and TI

由表3可知，由于PF40组别跨中挠度未达到25.5δ0以上，导致部分韧性指数并未计算出来，但明显可看出，I30>30，Imax=55.6>49.6，表明该组别PVA-ECC已经具备一定的韧性。除PF50组别中I10<10以外，PF50、PF60和PF70组别的弯曲韧性指数Ir均大于r，Imax也大于(2δmax-δ0)/δ0，表明各组别的弯曲韧性指标均达到上述指标要求[12]，均具备应变硬化的特征；同时由图7中的拟合曲线可以看出，随着粉煤灰含量的增加，Imax与TI呈现出明显的增长趋势，进一步证明PVA-ECC的韧性随粉煤灰含量增加而增大。同时不难看出，在同一组别PVA-ECC中，弯曲韧性指数Ir随着下标r的增大，弯曲韧性指标Ir与r的差值逐渐增大，说明随着PVA-ECC弯曲变形的增加，材料的韧性逐步增加。因此，可由弯曲试验得到既满足结构强度要求又具备一定韧性及延性的PVA-ECC配合比。

2.2 抗渗性能试验

采用渗水高度法测得PVA-ECC的试验结果见表4，各试件的平均渗水高度与粉煤灰含量的关系见图7，为进一步探明渗透性与粉煤灰含量之间的关系，拟采用箱形图对各组别渗透高度进行离散程度分析见图8。由表4及图7可知，随着粉煤灰含量的增加，相对于PF40组别，PF50、PF60和PF70组别渗水高度及渗透系数K均有所降低，其中渗水高度分别降低约为PF40组别的6.3%、4.5%和4.2%。当粉煤灰含量由50%增加至70%时，渗水高度及渗透系数K呈现增长的趋势，出现抗渗性能降低的趋势。出现上述现象的原因为粉煤灰粒径小于水泥颗粒粒径，增加粉煤灰的含量会对渗水孔隙进行填充作用，同时粉煤灰会与水泥发生二次水化反应，二次水化反应会生成凝胶物质硅酸钙(C-S-H)等物质可填充基体的孔隙，提高PVA-ECC的密实性，导致其抗渗性能增加。但是粉煤灰活性较低，过高的粉煤灰含量导致水泥量减少，不能充分发生二次水化反应，剩余粉煤灰颗粒只能起到填充作用，导致高粉煤灰PVA-ECC基体密实性不足，孔隙率增大，抗渗性能降低[13]。

图7 粉煤灰含量对渗透性的影响Fig.7 Effect of fly ash content on permeability

表4 PVA-ECC抗渗试验结果Table 4 PVA-ECC impermeability test results

由图8可知各组别PVA-ECC的渗水情况，在PF50组别中，各组别ECC的渗水高度中位线及渗水高度平均值大致将箱型图等分为两部分，渗水高度均值接近中位数，同时上尾与下尾长度接近一致，渗水高度分布无异常值，呈现出良好的正态分布。PF40组别中，则出现异常值，表现为下尾较上尾长；PF60、PF70组别渗水分布情况良好，均呈正态分布。因此，粉煤灰的含量对PVA-ECC的渗透性影响较大，而渗透性作为耐久性的重要指标之一，为保证PVA-ECC的抗渗性能，应选取适量的粉煤灰替代部分水泥。

图8 箱形图与渗水分布情况图Fig.8 Box diagram and permeability distribution diagram

2.3 PVA-ECC抗压强度与其余试验指标的相关性

抗压强度作为一个重要的力学性能指标，是评定水泥基材料质量的首要检测指标，测定水泥基材料抗压强度的试验方法较其余性能指标的测定方法简单。因此，有必要建立含大量粉煤灰的PVA-ECC抗压强度与极限拉伸强度、极限弯曲荷载、极限韧性指数Imax、挠度、抗渗性的相关性。

建立PVA-ECC抗压强度与极限拉伸强度、极限弯曲荷载的关系见图9、10。由图可知，PVA-ECC抗压强度与极限拉伸强度、极限弯曲荷载呈正比关系。随着抗压强度的增加，极限拉伸强度、极限弯曲荷载增加。可为实际工程中PVA-ECC提供合理的强度选择范围。

图9 PVA-ECC抗压强度与极限拉伸强度的关系Fig.9 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ultimate tensile strength

图10 PVA-ECC抗压强度与极限弯曲荷载的关系Fig.10 Relationship between PVA-ECC compressive strength and ultimate load

建立PVA-ECC抗压强度与极限韧性指数Imax、挠度的关系见图11、12。由图可知，PVA-ECC的抗压强度与极限韧性指数、挠度呈现一定的反比例关系。当PVA-ECC抗压强度小于50 MPa时，极限韧性指数Imax均大于55.6，跨中挠度均大于10.2 mm。当抗压强度在38～50 MPa之间时，极限韧性指数Imax在55～93之间；同时跨中挠度明显变化，从10.2 mm到18.3 mm不等，且两者随抗压强度的减小出现增长的趋势，但到后期时的增长趋势有所减缓。由以上结果可表明，PVA-ECC较低的抗压强度容易出现较大的极限韧性指数及优异的挠度，进一步证明了较低的抗压强度有利于基体具有良好的PVA-ECC韧性，表明粉煤灰的含量增加有利于PVA-ECC延性的发展，但会降低一定的抗压强度[6,9]。因此，可根据抗压强度与韧性指数、挠度之间的关系合理选择具有一定强度而不失韧性、延展性的PVA-ECC。

图11 PVA-ECC抗压强度与Imax的关系Fig.11 Relationship between PVA-ECC compressive strength and Imax

图12 PVA-ECC抗压强度与挠度的关系Fig.12 Relationship between PVA-ECC compressive strength and deflection

建立PVA-ECC抗压强度与抗渗性能的关系见图13。由图可得，PVA-ECC的抗压强度与抗渗性能具有良好的相关性。随着粉煤灰含量增加，PVA-ECC的抗压强度降低，平均渗水高度相对于PF40组别均有所降低，抗渗性能提高。粉煤灰含量由40%增加至50%时，抗压强度降低趋势较平缓，而渗水高度降低趋势则较为明显；粉煤灰含量由50%增加至70%时，抗压强度降低趋势较明显，而渗水高度相对于PF50组别出现增加的趋势。出现上述现象原因是粉煤灰含量增加，水泥用量减少，粉煤灰不能很好地发生二次水化反应，导致强度降低；其次粉煤灰的二次水化反应并不是无限进行，当粉煤灰含量超过一定限度时，未反应的粉煤灰颗粒主要起填充作用，没有更多的二次水化反应副产物生成，不能大幅度提高基体密实度、降低孔隙率[6,14-15]，导致基体的抗渗性能及强度不如粉煤灰含量限度之前的PVA-ECC基体好，因此当煤灰含量由50%增加至70%时，抗压强度与抗渗性能均降低。

图13 PVA-ECC抗压强度与渗透高度的关系Fig.13 Relationship between PVA-ECC compressive strength and height of permeability

2.4 抗渗性能统计数据分析

进行PVA-ECC抗渗性能试验时，每组配合比以6个试件作为一组进行试验，试验完成后将试件劈开，测量渗透水迹线高度，每个试件平均十等分取点，每组配合比共60个渗水高度数值。各组别渗水高度样本数量n>30，对其进行数据统计分析；其次渗水高度具有随机分布性，可采取正态分布曲线对各组别试件渗水高度进行拟合，得到PVA-ECC的渗水高度分布概率。根据各组别PVA-ECC的渗水高度样本，采用正态分布曲线进行拟合，得到渗水高度的频率分布直方图及正态分布曲线，如图14所示。

图14 PVA-ECC渗透性能的概率分布Fig.14 Probability distribution of PVA-ECC permeability

同时还可计算出平均渗水高度的95%置信区间[16]，即在该组配合比下，渗水高度平均值有95%的概率在该区间内；置信区间计算公式如式(3)～(5)所示，各组别的置信区间计算结果见表5所示。

表5 平均渗水高度的95%置信区间Table 5 95% confidence intervals of average seepage height

Pr(c1≤X-≤c2)=0.95

(3)

(4)

(5)

式中：Pr为概率；c1为95%置信区间下限；c2为95%置信区间上限；δ为标准差；X-为渗水高度平均值。

3 结 论

(1)PVA-ECC的早期强度随粉煤灰含量的增加呈现降低趋势；极限拉伸应变均有所提高，最大提高约29.7%。同时，随着粉煤灰含量的增加，PVA-ECC的极限弯曲荷载逐渐下降，试件挠度增大，最大提高约79.4%，弯曲韧性指数Ir均大于r，能量吸收能力逐渐增大，表明粉煤灰可以有效提高材料的延性和韧性。

(2)随着粉煤灰含量的增加，抗渗性能相对于PF40组别均有所增加。当粉煤灰含量超过50%后，各组的抗渗性能相对于PF50组别有所降低。因此，为保证PVA-ECC具有良好的抗渗性能，表明粉煤灰含量应控制在合理范围内。

(3)通过建立PVA-ECC的抗压强度与其余强度、抗渗性能之间的关系，得到抗压强度与挠度、韧性指数等韧性评价指标成反比关系，拉伸强度、弯曲荷载与抗压强度成正比关系，抗压强度与抗渗能力有良好的相关性。当抗压强度保持在一定范围内，为获得具有良好韧性、抗渗性能的PVA-ECC配合比，可以通过本研究所建立的相关性获得。

(4)对PVA-ECC的渗水高度的频率分布直方图采用正态分布进行统计分析，得到渗水高度的概率分布图，同时得到了平均渗水高度的95%置信区间。