贺绍华 李栩铭 邱逸涛 汪 毅
(1.广东工业大学土木与交通工程学院, 广州 510006; 2.中南大学土木工程学院, 长沙 410075)
普通混凝土存在质量大、抗拉强度低、韧性差、补强修复困难等缺点,对结构受力安全和耐久性造成不利影响。为克服上述不足,文献[1-3]基于断裂力学原理给出了聚乙烯醇工程水泥基复合材料(PVA-ECC),并对其基本力学性能进行了系列研究[1-3]。PVA-ECC是一种在水泥砂浆里掺入1%~2%聚乙烯醇纤维(PVA)的纤维增强水泥基复合材料,其相对普通混凝土抗拉强度更高、韧性更好、阻裂能力更强、耐久性更优异。得益于工程水泥基复合材料(ECC)良好的能量耗散及变形能力,其在桥面板、路面修复和翻新、抗震结构等工程建设领域应用广泛[4]。
目前,关于标准养护条件下ECC配合比和基本力学性能的研究已较多[5-6],但对日常气候环境下满足工程实际需求的ECC研究还很少。我国华南地区夏季6—9月日间平均气温30 ℃以上,年平均相对湿度超过80%。采用双掺技术(外加剂和掺和料)和改变水泥用量,虽然可以提高材料的密实性和降低孔隙率,但湿热环境常年较高的温湿度会加快混凝土早期水化,影响ECC的力学性能[7-8]。目前,尚未见针对华南高温潮湿环境下ECC合理使用配比及基本力学性能的研究报道。
近年来,ECC在梁、柱、墙等抗震结构关键部位中的应用日益增多,对其抗压性能的研究也有诸多报道。胡春红等探讨了养护龄期、纤维类型对PVA-ECC抗压强度的影响[9];文献[5,10]通过试验研究发现,ECC的抗压强度随水胶比的增大逐渐降低,而纤维掺量对ECC抗压强度影响较小。国内外对ECC抗压强度尺寸效应的研究也正逐步展开[11-17]。因国内外尚缺乏统一的试验标准,不同学者围绕ECC抗压尺寸效应研究采用的试件类型、试件尺寸和测试方法各不相同,得到的ECC抗压尺寸效应规律也有所差异。李雪阳等通过16组不同配合比的ECC抗压强度试验发现,水胶比对其抗压尺寸效应影响最大,其次是粉煤灰掺量和砂胶比[18]。朱长书等对ECC抗压强度尺寸效应的研究[19]结果显示,ECC的抗压强度随试件尺寸减小逐渐增大,边长为100 mm和40 mm的立方体抗压强度明显高于边长150 mm的立方体抗压强度。李庆华等进行的抗压性能尺寸效应试验[20]结果显示,ECC的抗压强度尺寸效应明显区别于普通混凝土,高宽比大于1∶1后,试件尺寸对ECC抗压强度的影响基本可忽略不计,该试验现象与普通混凝土抗压强度随棱柱体高宽比增大逐渐减小的规律明显不同。在不良的养护环境下,ECC的内部缺陷增加,尺寸效应更明显。实际工程通常为自然养护,其尺寸效应系数取值将区别于标准养护。
为探究适于我国华南地区高温潮湿环境(平均相对湿度超过80%、温度30 ℃以上)的ECC合理使用配合比及其抗压强度尺寸效应,对湿热养护环境下ECC的抗压、抗折和劈拉性能进行研究,分析粉煤灰、PVA纤维、养护环境和试件尺寸等因素对ECC基本材料力学性能的影响,探讨不同养护环境下ECC的破坏模式和抗压强度尺寸效应,并给出适于我国华南湿热地区的ECC合理使用配合比及其抗压强度尺寸效应换算系数。相关成果可为ECC在华南地区的工程应用提供参考。
1.1.1试验配合比
ECC由水泥、粉煤灰、细砂、纤维加水搅拌成型。过高或过低的纤维掺量均将导致ECC强度降低和成本增加,目前较为常用的PVA纤维掺量为0.5%~2.0%[21-25]。粉煤灰颗粒的“微集料”效应可以改变PVA纤维和水泥砂浆基体的界面特性,减缓湿热环境下的早期水化速率从而减少内部缺陷[26-27],并提高其经济性,但过高的粉煤灰掺量会降低ECC抗压强度[22],影响其力学性能。目前,ECC配比中较为常用的粉煤灰掺量为45%~60%,对抗压强度要求较高时掺量可降至20%以下[6,21-25]。基于此,以PVA纤维和粉煤灰掺量为试验参数,设计6组不同ECC配合比,具体如表1所示。以胶凝材料(水泥和粉煤灰)的质量为基准,配合比中胶凝材料的质量比为1.00,粉煤灰掺量有35%和52%两种,PVA纤维掺量分为0.5%、1.0%和1.5%三种,纤维基本力学性能见表2。采用P·O 42.5R水泥,I级粉煤灰,天然河沙。较低的水胶比可提高材料的抗压强度,并有助于PVA纤维的分散[22],试验采用的水胶比为0.29。过高的砂含量会降低复合材料的多缝开裂能力,试验采用的胶砂比均为0.375。
表1 ECC配合比Table 1 Mix proportion of ECC
表2 PVA纤维性能指标Table 2 Property indexes of PVA fibers
1.1.2试件制作与测试
为研究ECC抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度随各参数的变化规律,参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》,立方体抗压和劈裂抗拉试验均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试件,抗折试验采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件。
各配合比均制作3个立方体抗压试件、3个棱柱体弯折试件和3个立方体劈裂抗拉试件,共54个试件。所有试件采用塑料模具成型,混凝土浇筑完成后自然养护24 h脱模,然后置于平均相对湿度为80%、温度为30 ℃的(华南湿热环境)环境下养护150 d。其中立方体抗压试验和劈裂抗拉试验均通过量程为300 kN的C088-01压力试验机加载,三点抗折试验采用量程为10 kN的YAW-300C抗折试验机加载。
1.2.1破坏形态
图1为ECC立方体抗压试件的典型破坏形态。不同于普通混凝土和常规水泥砂浆的受压脆性破坏,ECC基体内乱向分布的PVA纤维桥接作用有效阻止了初始微裂纹发展,使得其整体抗压韧性得到显著增强。ECC立方体受压后竖向微裂纹非常丰富,表面无明显的外鼓和剥落,其破坏后仍保持了较好的完整性。
图1 立方体试件受压破坏形态Fig.1 The failure mode of cubic compression specimens
图2为ECC棱柱体抗折试件的典型破坏形态。加载过程中,棱柱体跨中底部首先开裂,随着荷载增大裂缝不断向上延伸。对于纤维掺量较高的ECC棱柱体,由于连接裂缝两侧水泥砂浆的PVA纤维参与抗拉,裂缝宽度得到有效抑制,试验观察到跨中裂缝最终未贯穿整个棱柱体。
图2 抗折试件破坏形态Fig.2 The failure mode of shearing specimens
图3为ECC劈裂抗拉试件的典型开裂形态。劈裂荷载作用下,ECC立方体的上、下承压面几乎同时开裂,裂缝不断向立方体中部延伸直至贯通整个侧面。由于PVA纤维桥接作用有效增强了材料韧性和延性,峰值荷载后ECC立方体仍保持了较好的完整性。
图3 抗拉试件破坏形态Fig.3 The failure mode of tensile specimens
1.2.2试验数据
由不同配合比得到的ECC立方体抗压、三点抗折和劈裂抗拉结果见表3。参照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009,以每组3个试件的强度平均值作为试验结果。可以看出:ECC的各类强度指标随粉煤灰和PVA纤维掺量的变化差异较大,粉煤灰掺量较低的配比(1~3组)各强度指标整体优于粉煤灰掺量较高的配比(4~6组)。
表3 ECC试件实测强度Table 3 The measured strength of ECC MPa
图4为ECC立方体抗压强度随PVA纤维掺量的变化情况。可以看出,粉煤灰掺量为35%时,ECC的抗压强度随PVA纤维掺量增大先保持不变然后迅速减小。这是因为纤维掺量超过1.0%后,ECC制作过程中PVA纤维极易结团,使混凝土内部缺陷增多,导致抗压强度降低。PVA纤维掺量由0.5%增加至1.5%,ECC的抗压强度降低了9.4%。粉煤灰掺量为52%时,ECC的抗压强度随PVA掺量增加近乎线性增大。纤维掺量由0.5%提高至1.5%,ECC的抗压强度提高了10.6%。这是由于较多的粉煤灰显著改善了PVA纤维与水泥砂浆基体的界面特性,搅拌过程中PVA纤维不易成团,且能充分发挥其增韧阻裂效果,进而提高了ECC的抗压强度[26]。
图4 PVA纤维掺量对ECC抗压强度影响Fig.4 Influence of the PVA fiber content on ECC compressive strength
图5为ECC抗折强度随PVA纤维掺量的变化情况。由于水泥砂浆基体的抗折强度很低,ECC的抗折主要通过PVA纤维抗拉实现。由图5可知,ECC的抗折强度随纤维掺量增多整体呈增大趋势。PVA纤维掺量由0.5%增加到1.5%,粉煤灰掺量为35%和52%的ECC抗折强度分别提高了51.2%和30.0%。可见,适当增加ECC中PVA纤维掺量,可以显著改善ECC的抗折性能。
图5 PVA纤维掺量对ECC抗折强度影响Fig.5 Influence of the PVA fiber content on ECC flexural strength
图6为ECC抗拉强度随PVA纤维掺量的变化规律。可以看出,随着纤维掺量增加,ECC的抗拉强度先增大后减小。这是由于PVA柔软易弯曲,过高的纤维掺量将增大水泥砂浆的黏稠度,使PVA纤维缠绕成团,进而导致劈裂面缺陷增多影响其抗拉强度。结合表3,粉煤灰掺量为35%时,PVA纤维掺量由0.5%增加到1.0%,ECC的抗拉强度提高了32.9%;继续提高PVA纤维掺量至1.5%,ECC的抗拉强度降低了9.2%。粉煤灰掺量为52%时,PVA纤维掺量由0.5%增加到1.0%,ECC的抗拉强度提高了46.0%;继续提高PVA纤维掺量至1.5%,其抗拉强度降低了18.1%。可见,适量的PVA纤维有利于增强ECC抗拉性能。
图6 PVA纤维掺量对ECC抗拉强度影响Fig.6 Influence of the PVA fiber content on ECC tensile strength
综上所述,随着纤维掺量不断增加,ECC的抗折强度逐渐增大,而劈拉强度呈先增大后降低趋势。这是由于采用的40 mm×40 mm×160 mm抗折试件破断面小,受随机分散的内部缺陷影响也小,增加纤维掺量可显著增强断面两侧纤维的桥接作用,抗折强度也随纤维掺量增加逐渐提高。而采用的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体劈拉试件破断面相对较大,受初始缺陷的影响也更大,纤维掺量超过1.0%后,由于纤维结团导致的断面初始缺陷增多,致使抗拉强度有所降低。
图7为粉煤灰掺量对ECC基本力学性能的影响情况。可以发现,由于粉煤灰不存在二次水化过程,粉煤灰掺量过多将导致ECC内部水泥水化产物不足,其抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均有所下降。
图7 粉煤灰掺量对ECC基本力学性能的影响Fig.7 Influence of the fly ash content on ECC mechanical properties
结合表3,将粉煤灰掺量由35%提高至52%,0.5%纤维掺量的ECC的抗压强度、抗折强度和抗拉强度分别降低了21.0%、7.0%和23.7%,1.0%纤维掺量的ECC的抗压强度、抗折强度和劈拉强度分别降低了19.9%、8.1%和16.2%,1.5%纤维掺量的ECC抗压强度、抗折强度和劈拉强度分别降低了7.4%、21.6%和24.4%。
比较可知,随着PVA纤维掺量增加,粉煤灰对ECC抗压强度的影响逐渐减小,但对其抗折强度影响逐渐增大。这是由于粉煤灰颗粒的“微集料”效应虽可改善PVA纤维与水泥砂浆基体间的界面特性,减少纤维搅拌成团,但立方体试件内部任一部位缺陷均将减小其受压面积,致使立方体抗压强度降低[28]。三点抗折试验棱柱体破坏面位于跨中,仅当PVA纤维成团位于跨中附近时,其抗折强度才可能受到影响。综上,PVA纤维掺量是影响ECC抗压强度的关键因素,而增加粉煤灰和PVA纤维掺量均能提高ECC抗折强度。
此外,图7显示粉煤灰掺量从35%提高至52%时,不同纤维掺量的ECC抗拉强度均降低了约0.6 MPa。由于1.0%纤维掺量的ECC抗拉强度显著高于其余纤维掺量配比,随着PVA纤维掺量增大,粉煤灰对ECC抗拉强度的影响先减小后增大。综上,ECC抗拉强度主要由PVA纤维掺量控制,而增加粉煤灰掺量也会降低ECC的抗拉强度。
混凝土尺寸效应直接关系到其真实抗压强度和承载性能。由于ECC中乱向分布的PVA纤维可延缓、约束基体裂缝,使其具有良好的韧性和多裂缝开展能力,其抗压尺寸效应将区别于脆性破坏的普通混凝土。为研究ECC的抗压性能尺寸效应,在前述最佳配合比(配合比2)基础上,对不同养护环境下ECC抗压尺寸效应展开研究。
2.1.1养护条件
为探究不同养护环境下ECC的抗压尺寸效应,试验参照GB/T 50081—2016和JIS A1805—2001《混凝土生产管理用试验方法》,设计3种不同养护条件:
1)标准养护环境:试块浇筑完成24 h后脱模,放入温度为(20±2) ℃、相对湿度95%以上的标准养护箱中养护28 d。
2)湿热养护环境:试块浇筑完成24 h后脱模,与9月置于月平均温度33 ℃、相对湿度80%的华南地区室外自然湿热环境养护28 d。
3)温水养护环境:试块浇筑完成1 h后,将密封试模放入(55±2) ℃温水中养护24 h,然后取出脱模室内常温养护28 d。
在高校协同创新成为国家战略的背景下,大学生创业教育作为高等教育的重要内容和办学理念,也应该成为协同创新体系中的重要内容之一。协同创新是开放式的创新模式,强调组织内和组织外资源的挖掘和整合,具有开放、合作、共享等特点。基于协同创新内涵梳理,我们可以这样理解:协同是手段,创新是目的。创业教育协同就是把与创业教育相关的主体联动起来,把相关资源整合起来,共同服务于创业教育的根本目标——创新。
其中,标准养护环境是ECC材性测试的基准养护条件,湿热养护环境反映了华南地区常见的高温潮湿气候特征,温水养护环境模拟了华南地区易发的强对流极端气候特征。
2.1.2试件制作及测试
为探究不同养护环境下ECC的抗压强度尺寸效应,参照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009,设计立方体试件尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm、100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm,棱柱体尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×140 mm、100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm。
3种养护环境下,每种尺寸分别制作3个试件,共计54个,采用量程为300 kN的C088-01压力试验机进行加载。
2.2.1主要试验结果
不同养护环境下,3种尺寸的立方体破坏形态与图1基本一致,养护环境和试件尺寸对ECC棱柱体破坏形态影响不明显。图8为棱柱体试块的典型裂缝分布情况。加载过程中,可听到PVA纤维的拉断和拔出的声响,破坏后裂缝与棱柱体浇筑面呈30°~40°夹角。受PVA纤维横向约束作用的影响,加载过程中未观察到ECC脆性剥落,且试件破坏后整体性较好。
图8 ECC棱柱体受压破坏形态Fig.8 The compressive failure mode of prism specimens
表4为3种养护环境下不同尺寸试件得到的ECC抗压强度试验结果。可以发现,同种养护条件下,ECC的抗压强度随试件尺寸增大总体呈先提高后降低的变化趋势;不同养护条件下,相同尺寸试件得到的ECC抗压强度差异明显。随着养护环境温度不断升高,由边长100 mm和150 mm立方体得到的ECC抗压强度先增大后减小,边长70.7 mm立方体得到的抗压强度先增大后趋于稳定;由100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱体得到的ECC轴心抗压强度先降低后趋于稳定,70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱体得到的轴心抗压强度呈先增大后减小趋势。究其原因,随着养护环境温度升高,ECC中胶凝材料水化速度加快且渐趋充分[6,9],立方体抗压强度整体呈增大趋势。对于边长为100 mm和150 mm的立方体,由于试块体积和理论厚度较大,水化加速导致内部缺陷增多,立方体抗压强度略有减小。与此类似,随着养护温度升高,试块体积和理论厚度均较小的70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱体轴心抗压强度逐渐增大,而体积和理论厚度均较大的100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱体轴心抗压强度整体呈减小趋势。
表4 ECC抗压尺寸效应试验结果Table 4 Test results for compressive size effect of ECC MPa
2.2.2抗压强度尺寸效应
以边长为100 mm的立方体抗压强度(fcu100)为基准立方体抗压强度,图9给出了3种养护环境下ECC立方体抗压强度fcui与fcu100的比值分布。
立方体尺寸单位为毫米。图9 ECC立方块抗压强度尺寸效应系数Fig.9 The size effect coefficient for compressive strength of cubic ECC specimens
可以发现,除温水养护环境下的fcu70.7与fcu100接近外,其余各组试件得到的fcui/fcu100均小于1.0。这是由于试验采用的PVA纤维长度达到12 mm,边长100 mm立方体相对70.7 mm立方体尺寸更大,更利于发挥其内部PVA纤维的桥接增韧阻裂作用。而对于边长150 mm的立方体,增大立方体尺寸虽更好地发挥了PVA纤维的增韧阻裂作用,但也使立方体内部缺陷显著增多,测得的立方体抗压强度相对基准强度也有所降低。
标准养护条件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分别为0.83和0.80,湿热养护条件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分别为0.92和0.83,温水养护条件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分别为1.02和0.71,3种养护环境下的立方体抗压强度平均比值为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78。文献[15]给出的ECC抗压强度比值为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.03∶1.00∶0.95,而文献[21]给出的相应比值为fcu40∶fcu70.7∶fcu100=1.04∶1.00∶1.07。可以发现,不同学者得到的ECC立方体抗压强度比值差异较大。这是由于ECC中包含大量柔性PVA纤维,随着立方体尺寸增大,纤维的桥接增韧阻裂作用逐渐增强,而ECC内部缺陷也迅速增多,两者共同作用导致得到的ECC立方体抗压强度尺寸效应有所差异。
以尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的棱柱体抗压强度(fc100)为基准轴心抗压强度,图10给出了3种养护环境下ECC轴心抗压强度fci与fc100的比值分布。可以看出,与立方体抗压强度尺寸效应类似,除湿热养护下fc70.7高于fc100外,其余试件得到的fci/fc100均小于1.0。标准养护条件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分别为0.81和0.92,湿热养护条件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分别为1.21和0.91,温水养护条件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分别为0.87和0.97,3种养护条件下的ECC轴心抗压强度平均比值为fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。文献[22]得到的ECC轴心抗压强度随尺寸增大规律与本试验结果相同,给出的fc40∶fc70∶fc100=0.96∶1.00∶0.90。而文献[21]发现ECC轴心抗压强度随试件尺寸增大先减小后增大,给出的fc40∶fc70∶fc100=1.04∶1.00∶1.18。可见,ECC的轴心抗压强度尺寸效应与普通混凝土轴心抗压强度随尺寸增大逐渐减小的规律并不一致,其原因与立方体抗压强度尺寸效应的原因相同。
棱柱体尺寸单位为毫米。图10 ECC轴心抗压强度尺寸效应系数Fig.10 The size effect coefficient for axial compressive strength of ECC specimens
2.2.3抗压强度的尺寸换算系数
标准养护条件下,ECC的立方体抗压强度尺寸换算系数为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.83∶1.00∶0.80,轴心抗压强度尺寸换算系数为fc70.7∶fc100∶fc150=0.81∶ 1.00∶0.92;湿热养护条件下,立方体抗压强度尺寸换算系数为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.92∶1.00∶0.83,轴心抗压强度尺寸换算系数为fc70.7∶fc100∶fc150=1.21∶1.00∶0.91;温水养护条件下,立方体抗压强度尺寸换算系数为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.02∶1.00∶0.71,轴心抗压强度尺寸换算系数为fc70.7∶fc100∶fc150=0.87∶1.00∶0.97。
可以发现,除温水养护条件下边长为70.7 mm的立方体抗压强度尺寸换算系数接近1.0外,其他养护条件下的立方体抗压强度尺寸换算系数均小于1.0。这是由于试验采用的PVA纤维较长,边长70.7 mm立方体因尺寸较小不利于纤维桥接增韧阻裂作用的发挥,致使强度相对基准强度(fcu100)有所降低。温水养护由于温度最高,胶凝材料水化更充分,促进了ECC强度的发展,使得该养护条件下fcu70.7与fcu100接近。对于边长150 mm的立方体,增大立方体尺寸虽更好地发挥了纤维的增韧阻裂作用,但也使立方体内部缺陷显著增多,导致fcu150相对fcu100的尺寸换算系数均小于1.0。
此外,除湿热养护条件下70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱体轴心抗压强度尺寸换算系数大于1.0外,其他养护条件下各尺寸试件的轴心抗压强度换算系数均小于1.0。其原因与立方体抗压强度尺寸换算系数类似,由于70.7 mm×70.7 mm×140 mm尺寸较小限制了PVA纤维的桥接增韧阻裂作用,导致fc70.7相对fc100要小。湿热养护相对湿度最低,70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱体具有相对较小的理论厚度,有利于水分向试件内部扩散,从而促进胶凝材料水化,使得fc70.7相对其他尺寸试件更大。
以粉煤灰、PVA纤维、养护环境和试件尺寸为基本参数,对适于我国华南自然湿热环境的ECC合理使用配合比和抗压强度尺寸效应进行研究,探讨了不同因素对ECC抗压、抗折和劈裂抗拉强度的影响,得到了不同养护环境下的ECC抗压强度尺寸效应系数,主要结论如下:
1)PVA纤维的桥接作用可显著改善ECC水泥基体的阻裂能力,并在一定程度上起到增强作用,但过量的PVA纤维将使ECC内部纤维结团而降低其抗压强度。
2)增大粉煤灰掺量会导致ECC立方体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度降低,但有利于改善PVA纤维和基体的界面特性。
3)ECC抗压强度主要受PVA纤维控制,提高纤维掺量有利于增强ECC抗折强度,但会降低其抗拉强度,华南自然湿热环境下,粉煤灰掺量为35%、PVA纤维掺量为1.0%的ECC配合比综合性能最佳。
4)ECC的立方体抗压强度和轴心抗压强度随试块尺寸增大先提高后降低,小尺寸试块受环境因素的影响相对较大。标准养护、湿热养护、温水养护下的立方体抗压强度尺寸效应平均系数为fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78,轴心抗压强度尺寸效应平均系数为fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。