高强度高延性水泥基复合材料的弯曲性能*

吴立山，余志辉，袁 振，张 聪,2

(1.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214000；2.江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州 221000)

0 引 言

高强度高延性水泥基复合材料(high strength high ductility cementitious composite, HSHDCC)是近年来快速发展的一种新型超高性能建筑材料。相比于传统的聚乙烯醇(PVA)纤维增强高延性水泥基复合材料(PVA-engineered cementitious composite, PVA-ECC), 采用超高分子量聚乙烯(PE)纤维制备的HSHDCC抗压强度通常不低于100 MPa且拉伸延性可达5%～10%，在结构加固、工程抗震、结构轻量化设计等方面具有更加广泛的应用前景[1-5]。但是，昂贵的PE纤维所导致的HSHDCC的高成本始终是限制其大规模工程应用的主要问题。

纤维混杂化是降低HSHDCC成本的重要方法之一[6]。目前，PE纤维与钢纤维混杂是最为常用的一种方式。但是，大量研究表明，采用钢纤维部分取代PE纤维虽然提高了HSHDCC的抗拉强度，但是明显劣化了HSHDCC的延性和裂缝控制能力[7-9]。究其原因，HSHDCC是基于细观断裂力学设计的一种具有应变硬化和多缝开裂行为的高延性材料，在设计中需要通过纤维的有效桥联应力来满足强度准则和能量准则；而相同体积的钢纤维根数与PE纤维根数差异巨大，从而导致纤维的有效桥联应力不足，致使HSHDCC的硬化过程和多缝开裂过程不稳定且不饱和，从而明显劣化了HSHDCC的延性。张聪等人前期的研究发现[10-12]，高强高弹模低成本的文石型碳酸钙晶须对提高传统PVA-ECC的性价比具有显著的效果，利用碳酸钙晶须部分替代价格昂贵的PVA纤维不但可以有效降低PVA-ECC的成本，同时明显改善了材料的应变硬化和多缝开裂行为，这为提高HSHDCC性价比提供了可借鉴的思路。

本文基于前期研究成果[10-12]，首先，通过优化配合比制备了C120强度等级的HSHDCC材料，通过弯曲性能试验确定了最优配合比；其次，通过引入廉价的碳酸钙晶须进一步优化HSHDCC的性能，配制了新型的HSHDCC材料，研究了碳酸钙晶须对弯曲性能的改善效果。本文的研究成果可为HSHDCC的配制与优化提供重要的依据与参考。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

配制HSHDCC所用原材料包括P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥(安徽海螺)、SF96级硅灰(河南铂润)、一级粉煤灰(河南四通)、S105级矿粉(山东蟠龙山)、精细石英砂(粒径100～210 μm，平均粒径150 μm)、聚羧酸高性能减水剂(苏州弗克，减水率≥30%)、碳酸钙晶须(上海峰竺)和PE纤维(东莞索维特)。水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石英砂和碳酸钙晶须的实测粒径分布如图1所示。胶凝材料的化学组成如表1所示。PE纤维和碳酸钙晶须的形貌如图2所示，其基本物理力学性能如表2所示。

图2 PE纤维与碳酸钙晶须的形貌

表1 胶凝材料的化学组成

表2 PE纤维和碳酸钙晶须的基本物理力学性能

图1 原材料的粒径分布曲线

共设计了6组HSHDCC配合比，如表3所示。各组HSHDCC固定PE纤维的体积掺量为1.5%，碳酸钙晶须根据设计需要按0.5%的体积掺量引入。

表3 试验配合比(kg/m3)

1.2 试验方法

采用行星式搅拌机将水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、碳酸钙晶须、石英砂干拌2 min，随后加入水和高效减水剂，搅拌2 min，最后均匀加入PE纤维，搅拌6 min，获得新拌HSHDCC材料。新拌HSHDCC装入100 mm×400 mm×13 mm的钢模后放入混凝土标准养护箱养护24 h，拆模，随后在温度(20±2)℃、湿度95%的标准养护箱中继续将试件养护至28 d，随即进行弯曲性能测试。采用MTS E44电子万能试验机进行弯曲试验，试验的加载装置如图3所示。参照《JC/T 2461—2018 高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》，弯曲试验加载方式为位移控制，加载速率为0.5 mm/min。

图3 弯曲试验加载装置

2 结果与讨论

2.1 水胶比对抗弯性能的影响

图4(a)为HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3试件的代表性弯曲荷载-挠度曲线；图4(b)为HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3试件的抗弯强度、极限挠度随水胶比的变化关系。由图4可以看到，各组试件的抗弯强度均高于10 MPa，是传统PVA-ECC抗弯强度的2倍，且均表现出了不同程度的弯曲挠度硬化行为，具有较高的延性。HSHDCC的抗弯强度与水胶比近似呈负线性相关，随着水胶比增大，HSHDCC的抗弯强度逐渐降低；相比于0.14水胶比，当水胶比提高至0.16时，HSHDCC的抗弯强度降低了31.6%。相反地，HSHDCC的极限挠度与水胶比近似呈正线性相关，随着水胶比增大，HSHDCC的极限挠度明显提高；相比于0.14水胶比时的15.4 mm，当水胶比增大到0.16时，HSHDCC的极限挠度提高至45.7 mm，提高了196.7%。究其原因，适当增大水胶比降低了HSHDCC的初裂强度(如图4(a)所示)和弹性模量，使纤维的桥联应力始终大于材料的开裂应力，从而保证了HSHDCC稳定的多缝开裂；同时，较低的开裂应力和弹性模量也保证了HSHDCC的基体断裂韧度小于纤维的桥联余能，从而实现HSHDCC稳定的硬化行为，表现出更高的延性[13-15]。

图4 试件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的弯曲性能

图5为试件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的弯曲裂缝形态。可以看到，试件的裂缝形态符合图4(a)中的荷载-挠度曲线结果，因为HSHDCC的延性在宏观上表现为材料的多缝开裂程度；随着水胶比由0.14提高至0.16，试件的裂缝根数由9条增加至45条，裂缝变得更为细密。

图5 试件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的弯曲裂缝形态

2.2 碳酸钙晶须对抗弯性能的影响

图6为0.15水胶比未掺粉煤灰的HSHDCC-2和HSHDCC-4组试件的弯曲荷载-挠度曲线，其中，HSHDCC-4混杂使用了1.5%体积掺量的PE纤维和0.5%体积掺量的碳酸钙晶须。可以看到，引入碳酸钙晶须并未对HSHDCC的抗弯强度产生明显的劣化，但是显著改善了材料的延性，试件的极限挠度由未掺晶须的34.1 mm提升至57.1 mm，提高了67.4%。

图6 碳酸钙晶须对不掺粉煤灰HSHDCC弯曲性能的影响

同样地，对于0.16水胶比掺加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6组试件，由图7可以看到，掺入粉煤灰能够提高HSHDCC的延性，而碳酸钙晶须的引入可以进一步改善HSHDCC的抗弯强度和延性。究其原因，碳酸钙晶须能够通过晶须拔出、裂纹偏转和裂纹桥联等微观作用机制(如图8所示)增加砂浆基体中微裂纹的数量，进而产生更多的微裂源，提高裂缝的稳定扩展能力，从而改善HSHDCC的多缝开裂能力和弯曲挠度硬化行为[16-19]。

图7 碳酸钙晶须对掺粉煤灰HSHDCC弯曲性能的影响

图8 碳酸钙晶须的微观作用机制

图9为0.16水胶比掺加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6组试件的弯曲裂缝形态。可以看到，相比于单掺1.5%体积掺量的PE纤维，混杂使用0.5%体积掺量的碳酸钙晶须使试件的弯曲裂缝数量增加，裂缝间距减小，多缝开裂现象更加明显。

图9 试件HSHDCC-5和HSHDCC-6的弯曲裂缝形态

3 结 论

研究了C120强度等级的HSHDCC材料的弯曲性能，并通过引入廉价的碳酸钙晶须配制了新型的HSHDCC材料。研究了碳酸钙晶须对新型HSHDCC材料弯曲性能的改善效果，可以得到以下结论：

(1)水胶比对HSHDCC的弯曲性能有显著影响，HSHDCC的抗弯强度与水胶比近似呈负线性相关，而弯曲极限挠度和延性与水胶比近似呈正线性相关。

(2)HSHDCC的弯曲裂缝随水胶比的提高而愈发饱和、细密，引入碳酸钙晶须可以进一步改善HSHDCC的多缝开裂行为。

(3)碳酸钙晶须通过晶须拔出、裂纹偏转和裂纹桥联等微观作用机制改善了HSHDCC的弯曲性能，材料的挠度硬化行为更加显著，延性提升明显。