粉煤灰掺量对PVA-ECC性能的影响

高曙光，马锋玲、2，刘艳霞、2，郑银林、2

（1.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院材料研究所，北京 100038）

0 引言

以聚乙烯醇（简称PVA）纤维为增强材料的水泥基复合材料ECC（Engineered Cementitious Composites），是一种比较突出的超高韧性水泥基复合材料，在PVA掺量为2%时，极限应变可达3%以上，是普通混凝土和砂浆的数百倍。粉煤灰作为一种火山灰质材料，是由晶体、玻璃体及少量未完全燃烧碳组成的一个复合结构混合体，本身没有水硬胶凝性能，但在混凝土中能在常温下与Ca（OH）2或其他碱性金属氢氧化物发生反应，生成水硬胶凝化合物，有助于降低水泥水化热温升，改善新拌混凝土流动性和混凝土耐久性。本试验采用I级粉煤灰进行试验，研究不同掺量的粉煤灰对PVA-ECC力学性能的影响。

1 原材料

水泥采用北京太行前景水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其密度为3.08g/cm3，碱含量为0.75%，28d抗压强度为59.4MPa。粉煤灰采用云南宣威发电公司生产的I级粉煤灰，细度为2.09，需水量比为94%，烧失量为1.04%。外加剂采用粉状聚羧酸系高效减水剂、羟丙基甲基纤维素醚增稠剂。试验砂采用北京地区生产的石英砂，粒径为40~70目、80~120目、120~200目，表观密度分别为2.65g/cm3、2.65g/cm3、2.63g/cm3。试验用水为普通自来水。纤维采用日本尤尼吉可公司生产的聚乙烯醇（PVA）纤维，该纤维由碳、氢、氧组成，燃烧时转变成为H2O和CO2，不会产生有害物质，与水泥材料有良好的吸附性，与水泥基体的界面粘结除借助于范德华力外，氢键也有不容忽视的作用。

2 配合比及力学性能试验

试验固定PVA体积掺量2.0%、灰砂比2.7，分别在不同水胶比、不同石英砂粒径下，进行35%、45%、55%三种粉煤灰掺量的力学性能试验。其中抗拉试验采用哑铃形试件，试件中部直线段长100mm，宽、厚均为25mm；抗压强度试验采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件。配合比及试验结果列于表1，抗拉试验结果均为6个试件试验的平均值。

3 力学性能分析

粉煤灰对极限应变的影响试验结果如表1、图1所示，其中0.4水胶比时，不同粉煤灰掺量的应力-应变曲线试验结果如图2、图3所示，表明极限拉应变可随粉煤灰掺量的增加而增加。如0.40水胶比（编号49与50、编号59与60）时，当粉煤灰掺量由35%提高到45%时，其极限拉应变分别由1.54%和1.90%增加到2.98%和3.51%，分别增加了93.5%和84.7%；编号69与48、编号49与41、编号90与89及编号59与63，当粉煤灰掺量由45%提高到55%时，其极限拉应变分别由2.92%、2.98%、1.86%、3.51%增加到5.72%、4.73%、3.53%、6.23%，分别增加了95.8%、58.7%、89.8%、76.5%。其中55%粉煤灰掺量的配合比，其极限应变均超过3.5%，最大的极限拉应变达6.23%。表1中，针对0.35水胶比、0.40水胶比，分别在石英砂粒径80~120目、120~200目下进行了35%、45%、55%粉煤灰掺量的ECC力学性能试验。结果表明0.35水胶比时，粉煤灰掺量对提高极限拉应变未见明显效果；而当水胶比0.40时，粉煤灰对提高极限拉应变有明显效果。从图2、图3可以看出，掺55%粉煤灰的拉伸应力-应变曲线相对平缓，说明水泥基复合材料更加均匀，纤维增强效果明显，可避免由于内部材料不均导致的局部缺陷集中产生，确保了材料的高延性。因此，提高粉煤灰掺量，有利于PVA-ECC材料的延性和韧性提高，本试验条件下，粉煤灰掺量为55%时PVA-ECC的韧性最好。分析原因认为，试验所用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰掺量的增加虽然降低了基体强度，但粉煤灰中的玻璃微珠起到了“滚珠润滑”作用，提高水泥浆体的流动性能，使ECC内部结构更加均匀，高掺量粉煤灰不仅使各断裂面之间的结构差异相对缩小，大量紧密堆积粉煤灰球形颗粒进一步增加了纤维与基体的摩擦力，改善了纤维-基体的界面过渡区，减少了内部缺陷，使得杂散分布在基体内的纤维承担拉应力的比例增加，则多重开裂的现象更易发生，见图4。

图2 不同粉煤灰掺量应力-应变曲线（石英砂：40~70目50%，80~120目50%）

图3 不同粉煤灰掺量应力-应变曲线（石英砂120~200目）

图4 PVA-ECC试件多重开裂的现象（编号：63）

表1 配合比与力学性能试验结果

图1 粉煤灰对极限拉应变的影响

4 结语

随着粉煤灰掺量的增加，水泥基复合材料的极限应变明显增大，抗拉、抗压强度有所降低。因此在实际应用中，在满足抗压强度的前提下，应适当增加粉煤灰掺量，有助于进一步提高水泥基复合材料的延性、韧性。本文中55%的粉煤灰掺量极限应变最大，均超过了3.5%，最大的极限应变达6.23%。