骨料粒径对纤维增强水泥基复合材料性能的影响

李 祚,潘丁菊,罗月静,彭林欣,2,滕晓丹,2,3

(1.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530004;2.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室,工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁 5 3 0 00 4;3.华蓝设计(集团)有限公司,广西 南宁 530011;4.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530028)

1 前 言

ECC是一种纤维增强水泥基复合材料,将其用于建筑结构中,可显著提高结构的变形能力[1]。ECC 材料较其他水泥基材料具有更强的变形能力,经过合理设计ECC材料极限拉应变能够达到2%以上,为普通混凝土材料的200倍[2],目前已经可以配置出极限拉应变能够达到4%以上的ECC 材料[3]。ECC 材料在受拉过程中,纤维能够抑制裂缝开展,材料整体通过形成多条裂缝获得了极高的拉伸韧性,同时ECC材料的裂缝宽度能够控制在100μm 以下[4]。这种特性使其具有较好的抗渗性、耐久性和自愈能力[2,5-6]。

骨料在水泥基材料中占有较大的体积分数,对材料的强度、延性和弹性模量等方面均具有影响。骨料除了作为降低材料成本经济填充作用外,其另一个重要作用是控制材料整体的干缩,可以认为水泥基材料的收缩变形完全是由骨料颗粒所组成的骨架进行约束和控制的[7-8]。ECC 作为一种水泥基材料,砂作为其骨料,对ECC材料整体的力学性能、拌合物和易性、收缩率和材料造价都有显著影响[2],特别是在纤维的分散性方面,砂的影响尤为明显[9]。使用粒径或形态不合适的砂会对纤维分散性产生不利影响,当纤维分散不均时,纤维量相对较少的断裂面上纤维的桥接能力过弱[10],此断裂面会过早发展成为主裂缝,导致ECC材料延性下降[2],目前来看,ECC 中使用平均粒径为60～110μm 的微硅砂效果较好[11-13]。

但是,在实际工程中使用微硅砂却并不现实。目前ECC材料难以直接代替混凝土大规模应用的最根本原因在于其价格过高,而造成其高价的主要原因在于纤维与微硅砂价格昂贵。由此各国研究人员开展了各种对于ECC骨料的研究,试图使用某种廉价易得的原料代替微硅砂,配置出性能达标的ECC 材料。Sahmaran等[8]使用破碎砂和粒径较大的砂砾石配置了ECC并对其进行了研究,结果表明在粉煤灰掺量足够高的条件下,大粒径砂也能配置出性能较好的ECC材料。Huang等[14]使用平均粒径为425μm 的粗铁矿石尾矿取代硅砂,配置出的ECC 材料在28 d抗拉强度为5.6 MPa,极限拉应变能够达到2.8%。Meng等[15]利用澳洲当地天然砂,按典型的M45 配比[2]配置了ECC 材料,发现极限拉应变介于0.45% 与1.12%之间,平均为0.77%。Paul等[16]使用1.19～2.5 mm 粒径的砂配置出抗拉强度和极限拉应变分别介于1.96%～3.04%和3.07～4.28 MPa的ECC 材料。上述研究均体现出骨料与ECC 的关键力学性能存在着明显的相关性,通过调整骨料来控制ECC材料的性能是合理且可行的。李祚等[17]利用内蒙古的沙漠砂配置了ECC 材料并对其进行了相关的材料性能测试,发现沙漠砂ECC 的极限拉应变最大能达到1.99%左右。

河砂无法直接用于ECC 的主要原因在于砂的粒径和形状,由于工程用砂的使用目标多为混凝土或砌筑砂桨,为实现合理级配与经济性目标,工程用河砂多为中砂,而中砂的粒径对于ECC材料来说不利于其延性,但若能通过简单的分筛,从常用工程用砂中以简单且廉价的方式直接得到可用于配置ECC的骨料,将大大降低ECC成本。另一方面,有研究表明使用本地天然砂替代硅砂可以降低能源消耗,CO2排放和运输成本[18]。目前国际上对于骨料的可行性探索大多面向其本土原料,由于不同地域能够获得的砂在材质上有很大不同,使得国外文献中的某些结论在我国并不适用,因此,本研究针对本土天然河砂应用于ECC 材料进行了探索。

2 实 验

2.1 材料

ECC原材料包括水泥、减水剂、粉煤灰、纤维、水和砂。本研究中,水泥采用海螺牌P.O.42.5水泥,成分见表1;粉煤灰使用某火电厂提供的Ⅰ级粉煤灰,物理参数见表2;纤维使用某公司生产的聚乙烯醇(PVA)纤维,具体参数见表3;拌合用水为市政供水;减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,减水率大于为25%;砂为砂石场提供的建筑用砂,按照我国现行建筑用砂标准(《建筑用砂》GB/T 14684-2011)使用一套标准筛将砂分筛,除去粒径过大无法拌合的2.5 mm以上粒径砂和由于粒径过小难以筛得足量的0.15 mm以下粒径砂,分别选取0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.0 mm 和1.0～2.5 mm 四种范围粒径砂作为研究对象。

表1 P.O.42.5级水泥主要化学成分Table 1 Main chemical characteristics of cement%

表2 粉煤灰物理化学性能Table 2 Physical and chemical characteristics of fly ash %

表3 PVA纤维性能指标Table 3 Physical and mechanical characteristics of PVA fibers

根据四种范围粒径砂,设计的四组试件见表4。

表4 ECC配合比Table 4 Mix proportions of ECC kg·m-3

搅拌使用容量为12 L 的强制式搅拌机进行。首先称取水泥、粉煤灰、砂、减水剂放入搅拌桶中,以100 r/min的转速干拌2 min;然后加入水,以150 r/min的转速搅拌5 min;最后称取纤维,边搅拌边加入,为防止纤维结团,加入过程中进行手工分散。全部纤维加入后继续按150 r/min的速度搅拌5 min以确保纤维分散的均匀性。

2.2 试验方法

本研究对ECC 材料进行了拉、压、剪、弯四类试验。其中抗压试验采用边长为100 mm 的立方体试块,抗拉、抗剪及抗弯试验则均使用了尺寸为15 mm×100 mm×400 mm 的板式试件。将新拌ECC 浇入模具24 h后拆模,后转入标准养护室(温度20 ℃,相对湿度95%)进行为期28 d的养护。

抗压试验采用对混凝土材料常用的单轴压缩测试方式,将试件放入压力机,以1 MPa/s的加载速率进行测试。抗拉试验则采用直接拉伸的方式进行,前国际上常用的测试试件分为两种,分别是在美国常用的矩形薄板试件[4]和在日本常用的哑铃型薄板试件[19]。由于ECC独有的应变硬化特性,即使增大试件两端截面,也无法保证裂缝在中部试验段开展,因此在本研究中使用的是矩形平板式试件。试验中使用万能试验机的平夹头将板式试件夹持固定,加载过程中夹紧力较大,为防止试件两端被试验机夹断,对试件两端被夹持部分使用环氧树脂胶粘贴碳纤维布(CFRP布)进行加固,并在CFRP布外再粘贴铝板以减轻试验机夹紧力可能造成的应力集中,避免试件两端被直接夹碎,试件详图如图1所示。剪切试验与四点弯曲试验采用与单轴拉伸试验相同的板式试件,区别仅为两端不再粘贴CFRP 布与铝板。剪切试验与四点弯曲试验的加载示意图分别见图2,3。

图1 板式试件(单位:mm)Fig.1 Size of plate specimens(units:mm)

图2 抗剪试验加载示意图(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of shear test(units:mm)

拉伸试验结束后,将试件断口利用小型切割机切取面积为15 mm×15 mm 的薄片,使用TM4000扫描电子显微镜(SEM)在15 k V 的加速电压下进行观测,观察断面纤维损伤及分布情况。

图3 四点弯曲加载示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of 4 points flexure test(units:mm)

3 结 果

3.1 量化沙粒尺寸与形态

根据张茂根等[20]提出颗粒尺寸统计方式计算沙粒的平均粒径,通式为:

式中:nt为具有直径Dt的颗粒的数量;D(p,q)具有长度量纲,不同的D(p,q)具有不同的物理意义。在本研究中采用的平均粒径为长度平均直径,即测量颗粒的投影面积,将颗粒视为圆形,计算圆直径,并将全部颗粒的直径相加,除以粒径总数,求得的颗粒平均直径等于所有颗粒直径的算术平均值,称为长度平均直径D。颗粒样本的粒径使用光学显微镜测定,依照投影面积相同的原则,将不规则的颗粒等效为圆形并求得直径。四组砂每组随机抽取20个样本测其粒径并求均值,求得平均粒径D由小到大分别为0.29,0.49,0.91和2.03 mm。

沙粒的形态常用球度(sphericity,S)和圆度(roundness,R)进行量化评定[21]。圆度的评测方式如图4所示。R代表沙粒尖角的平均曲率半径与最大内接圆的半径之比(式(2))。R值介于0与1之间,沙粒圆度越好,R值越接近于1。

图4 砂粒几何特征示意图Fig.4 Geometric characteristics of sand particle

式中:ri表示沙粒尖角的曲率半径,rin表示最大内接圆的半径,N为每粒砂的总尖角数量。

球度则描述了沙粒的投影与一个圆形的接近程度。根据沙粒最大投影面积,球度S是沙粒最大宽度d2与最大长度d1的比值(式(3))。对于球体而言,S为1,长条形的沙粒球度则远小于1。

在图5中给出了本研究中四种粒径沙圆度与球度的计算示例,其中绿色圆形代表尖角曲率最大处的内切圆,红色圆形代表整个投影面积下的最大内接圆。将每种粒径的砂随机挑选20个样本,计算后取其均值,结果汇总于表5中。可以看出,四种粒径的砂圆度介于0.219与0.482之间,S1的圆度最高,S2的圆度最低;球度则较为接近,介于0.791与0.850之间,球度值最高的为S1,最低的为S3。

图5 四组砂粒尺寸、圆度与球度计算示意图Fig.5 Calculation diagram of four groups sand of particle size,roundness and sphericity

表5 砂粒粒径与形态Table 5 Size and geometric of sand particles

3.2 单轴抗压性能

各组试件单轴抗压试验的结果汇总于表6中。抗压试验结果表明,随粒径增大,单轴抗压强度(UCS)呈减小趋势(如图6所示),式(4)给出了强度与粒径关系的线性回归(最小二乘法)结果。强度最高的为S1组,达到45.9 MPa,与强度最低的S4组38.8 MPa相比相差18.3%。从S1～S4 的静力弹性模量数据来看,随砂粒径变大,材料的刚度降低。

图6 抗压强度与粒径的关系Fig.6 Relation between unconfined compressive strength and particle size

表6 单轴压缩试验结果汇总Table 6 Uniaxial compression test results

式中:UCS抗压强度经线性回归的估计值;R为回归系数。

3.3 单轴抗压性能

每组试件单轴抗拉试验得到的应力-应变曲线及结果见图7,表7。从图、表可见抗拉强度(UTS)与粒径呈线性相关,但不显著。极限拉应变(TSC)最高的为S1,达到1.12%,最低的是S4组,仅有0.47%,S1组较S4组提高了138%。极限拉应变表现出了与砂粒径显著的线性相关性(如图8(b)所示),即随粒径增大,极限拉应变降低,这与抗压强度有着相同的趋势。式(5),(6)分别给出了抗拉强度和极限拉应变二者与粒径关系的线性回归表达式。

表7 单轴拉伸试验结果Table 7 Uniaxial tensile properties and residual crack patterns of ECC

图7 单轴拉伸的应力-应变曲线Fig.7 Uniaxial tensile stress-strain curves

图8 (a)抗拉强度和(b)极限拉应变与粒径的关系Fig.8 Relation between tensile strength and(a)particle size;(b)roundness

3.4 抗剪性能

参考混凝土抗剪试验方法,对ECC板进行四点剪切试验,测量其抗剪强度(USS),结果见表8。S1～S4 峰 值 荷 载 均 值 分 别 为9.12、8.95、9.62 和11.95 k N,基本表现出随粒径变大,抗剪强度提高的趋势(图9(b)所示),这与抗压、抗拉试验中所表现出的趋势相反。将荷载数值换算成切应力,矩形截面抗剪强度最大值为:

表8 剪切试验结果汇总Table 8 Shear test results

图9 抗剪强度与粒径的关系Fig.9 Relation between shearing strength and particle size

计算得到S1～S4的抗剪强度分别为9.12、8.95、9.62和11.95 MPa。此数值远高于普通混凝土抗剪强度数值,约为C40混凝土材料抗剪强度的3倍[22]。ECC材料中乱向分布的纤维其中按剪切方向分布的纤维对ECC基体的剪切变形起到了约束作用,使得基体的切应力能够转化为纤维材料的正应力,从而使其抗剪强度明显提高。有研究者对使用ECC 材料代替混凝土材料浇筑成的钢筋-ECC 梁进行四点弯曲试验,结果表明,是否配箍筋对试验结果无影响,无箍筋的钢筋-ECC梁不发生剪切破坏[23]。值得注意的是,ECC的剪切破坏也表现出了一定程度的延性,这与混凝土或水泥砂浆材料完全脆性的剪切破坏模式不同。式(7)为抗剪强度与粒径关系的线性回归表达式。

3.5 抗弯性能

如图10,表9 结果表明,所有试件均表现出明显的变形硬化特性,试件受拉侧有大量细密裂缝。S1组试件表现出远高于其他组别试件的弯曲变形能力,其跨中最大挠度(UD)达到了41.0 mm,较表现最差的S4组16.2 mm 提高了153%。UD随粒径变化的关系如图11(a)所示,其线性回归表达式见式(9)。

表9 四点弯曲试验结果Table 9 Four points flexural test results

图10 四点弯曲荷载-挠度曲线Fig.10 Four point flexural load-deflection curves

抗弯强度(UFS)是反应材料抗弯性能的另一个重要指标,其值可通过弯矩与截面尺寸计算得出。结果表明,UFS的结果与跨中最大挠度有着相同的分布情况。变形能力最强的S1组同时也具有最高的抗弯强度,达到8.5 MPa,而变形能力最差的S4也是抗弯强度最低的一组,为6.9 MPa,UFS随粒径变化的的关系如图11(b)所示,式(10)给出了其对应的线性回归表达式。

图11 (a)跨中最大挠度与粒径的关系;(b)弯曲强度与粒径的关系Fig.11 Relation between (a)ultimate deflection and particle size;(b)ultimate flexure strength and particle size

4 基于扫描电镜观测的机理分析

ECC材料能够获得高延性的原因在于其受拉过程中独特的多重开裂现象,为判断多重开裂现象能否出现,Li[1]提出了基于细观力学的强度准则和能量准则作为判断标准。强度准则认为若ECC 能够发生多重开裂现象,则受拉过程中,基体在预先存在的裂缝基础之上开展裂缝的拉应力σcr必须小于穿过该裂纹的纤维的桥接应力σ0。图12显示,随用砂平均粒径增大,纤维分布的均匀程度逐渐变差。纤维分散的均匀度能显著影响ECC局部的纤维桥接应力σ0,较差的分散均匀度将削弱σ0值[10],从而降低了σcr与σ0之间的差值,使多重裂缝开展现象更早停止,导致极限拉应变降低。

图12 ECC拉伸断裂面纤维分布Fig.12 Fiber dispersion of the ECC tensile fracture surface

除纤维分布均匀度外,ECC 受拉过程中,纤维的破坏模式也决定了其延性大小。能量准则认为,纤维/基体的粘结强度不能过弱,但同样也不能过强,理由是强粘结虽然能够提高纤维桥接应力σ0,但会使裂缝最大张开宽度δ0减小,导致裂缝张开过程消耗的能量σ0δ0的值降低,至使ECC材料变形能力降低。纤维/基体粘结过强的外在表现是断面纤维的破坏情况,过强的粘结将导致纤维断裂,而适中的粘结则表现为纤维从基体中拔出。图13中可以看出随砂粒径增大,纤维断裂的情况趋于严重,S1与S2组能够观测到完整的纤维端部,而到S4组则只能观测到断裂的纤维。这说明使用大粒径砂会使纤维/基体界面强度增强,使材料整体变形能力下降。在单轴拉伸试验中,S4组的平均极限拉应变较S1组降低了58%,同时在四点弯曲实验中,S4组的平均跨中最大挠度与S1组相比降低了60%。从宏观试验结果可以看出,用砂粒径增大影响了ECC材料纤维分散均匀度和纤维破坏模式,降低了ECC的延性。

图13 ECC拉伸断裂面纤维破坏情况Fig.13 Fiber damage of the ECC tensile fracture surface

5 结 论

随砂粒径变小,ECC材料抗压强度与弹性模量均提高,其中抗压强度在0.29 水胶比下最高能达到45.9 MPa。由于纤维的桥接作用,ECC受压破坏后有相比于混凝土材料更加平缓的下降段,且大概下降至峰值应力的35%后残余抗压强度几乎不再下降,且受压破坏后立方体试块仍保持完整性,不发生剥离破坏。

随砂粒径变小,ECC材料抗拉强度与极限拉应变均提高,用砂粒径最小的S1组较粒径最大的S4组,延性提高了138%。

ECC抗剪强度随砂粒径变大增加,且具有一定的延性。ECC抗剪强度是相应抗压强度混凝土的3倍。

四点弯曲试验结果与单轴拉伸试验结果能够相互印证,随砂粒径变小,试件的最大挠度提高,粒径大小对抗弯刚度无影响。

随砂粒径增大,纤维在断面上的分散的均匀性变差,且发生断裂破坏的纤维增多。根据强度准则和能量准则,以上二者均会降低裂缝张开所需的能量,使得能量准则难以得到持续满足,从而降低材料整体的延性。

使用小粒径的砂作为骨料,能够提高ECC材料的综合性能。天然河砂通过分筛和选择,有潜力代替经典ECC材料中的硅砂作为其骨料,这对控制ECC 材料价格,加速其推广应用具有积极意义。