低干燥收缩性能的工程水泥基复合材料配合比研究*

姚仲泳

(平潭综合实验区城乡建设与交通运输服务中心, 福州 350400)

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)在拉力作用下具有拉伸应变硬化的特点，极限拉应变可稳定达到3%，具有多缝开裂特征，最大裂缝宽度可控制在40 μm以下[1]。ECC在国外已经被广泛用于大坝、输水渡槽和桥面连接板等重要工程中的关键部位[2]。然而，由于水泥基材料的固有性质，置于未饱和空气中的ECC会因水分丧失产生体积缩小的变形，即干缩变形。其干燥收缩占总收缩的80%～90%，28 d的干燥收缩值可达1.2×10-3～1.8×10-3，为同龄期普通混凝土的3倍[3]。故ECC作为修复或连接材料时，无法与新浇筑的混凝土或者旧混凝土表面协同工作，由于变形不协调而出现界面破坏，导致新旧材料之间界面分层，翘曲和剥离[4]。例如，美国密歇根州的一座混凝土桥面板伸缩装置采用ECC浇筑[5]，但是在通车之前发现与混凝土连接处出现收缩裂缝，对桥面板的耐久性产生不利影响。因此，研究如何降低ECC的干燥收缩，减小混凝土与ECC之间的收缩差异，将有利于ECC更广泛地推广和应用。

目前研究[6-8]表明，降低水泥基材料干燥收缩最直接的方法是添加减缩剂，最大降低值可达50%～80%，但是存在早强性能差、凝结时间长、抗拉压强度变低以及极限拉应变骤降等问题，甚至使ECC失去特有的应变-硬化特征。吴林妹等研究了在水泥基材料中掺入一定比例的钢纤维，结果表明：当掺量超过2%后，对干燥收缩的改善作用明显降低，3%时干燥收缩仅仅降低了1.5%[9]。苗海强等研究得出：随着聚乙烯醇(PVA)纤维掺量的增加与水胶比的降低，PVA-ECC出现收缩应变减小现象且水胶比对材料前期的收缩影响较大[10]。刘建忠等研究了粉煤灰和矿粉对低水胶比混凝土干燥收缩性能的影响，发现粉煤灰有利于减少低水胶比混凝土的干缩，矿粉次之[11]。周磊生等通过干燥收缩试验研究了纤维掺量、粉煤灰和水胶比对高延性水泥基材料的收缩影响[12]。邱华芳设计PVA-ECC配比的干燥收缩试验，发现PVA-ECC的干燥收缩应变受到水胶比、砂胶比和粉煤灰掺量的影响[13]。由此可知，外加剂、纤维掺量、粉煤灰和矿粉等因素均会对水泥基材料力学性能和应变硬化特性产生一定影响。

为降低ECC的干燥收缩值，减小和混凝土之间的收缩差异，本文将在保证ECC力学性能的原则下，采用分阶段试验设计，拟研究PVA纤维掺量、水胶比、粉煤灰、矿粉和砂胶比等影响因素对ECC干燥收缩的影响规律，基于正交试验分析法确定各因素影响程度的优先级，获得与混凝土干缩变形相协调的低干缩ECC配合比。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥采用P·O 42.5水泥，比表面积为330 m2/kg。粉煤灰是由河南铂润铸造材料有限公司提供的5 000目I级优质粉煤灰，比表面积为436 m2/kg。矿粉是精磨后得到的1 000目S95矿渣粉，比表面积为453 m2/kg。PVA纤维采用日本Kuraray公司进口的聚乙烯醇纤维，其技术参数见表1。配制ECC所用的细砂为天然河沙，过筛，最大粒径不大于0.3 mm，使用前测定含水率。减水剂为科之杰新材料公司提供的聚羧酸型高效减水剂，减水率高达38%以上。

表1 PVA技术参数Table 1 PVA technical parameters

1.2 配合比设计

干燥收缩试验不掺入任何抑制收缩的外加剂，只调整水泥基质。试验分为两阶段进行，第一阶段采用控制变量法研究水胶比(W/C)和砂胶比(S/C)，使得ECC的尺寸变化率与混凝土变形协调，避免两种材料的界面边缘出现翘曲、剥离。第二阶段通过正交试验设计，基于粉煤灰掺量、矿粉掺量和PVA纤维掺量，在保证良好力学行为前提下进一步优化ECC的干燥收缩性能，获得能够与混凝土干燥变形相匹配的ECC配合比。

第一阶段控制胶凝材料为定量，以水胶比和砂胶比为变量。同时考虑抗压强度和流动性的影响，在保持足够强度的同时，减水剂的掺量适当 ，尽量减少外加剂对力学性能的不利影响，设置三组水胶比：0.25、0.30、0.35；考虑抗拉强度和极限拉应变等因素[14]，设置三组砂胶比：0.4、0.5、0.6；其他参数为固定值，具体见表2。

表2 第一阶段配合比设计Table 2 Mix proportion design in the first stage

以第一阶段确定的水胶比和砂胶比为定量，考虑粉煤灰、矿粉和PVA纤维掺量三个因素，每个因素取三个水平变量，如表3所示。粉煤灰掺量的三个水平变量为其代替胶凝材料中水泥质量的百分数，从经济性方面考虑，粉煤灰掺量越多越经济，但粉煤灰过多会大幅度降低水泥基材料的初凝强度[15]，故取50%、60%和70%，分别用A1、A2和A3表示；矿粉掺量的三个水平变量为其代替胶凝材料中水泥质量的百分数，因大掺量的矿粉容易产生离析，使ECC在早期失去更多的水分并加快内部干燥的过程，故取10%、15%和20%，分别用B1、B2和B3表示；PVA纤维掺量的三个水平变量为ECC总体积的百分数，纤维掺量过少不能最大程度发挥其抗裂功能，过多易使ECC结团，流动性差[16]，故取1.7%、2%和2.3%，分别用C1、C2和C3表示。

表3 各因素水平Table 3 Levels of each factor %

1.3 ECC干燥收缩试验

根据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，干缩试件采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体三联模。待浇筑完成4 h后，移入标准养护室养护7 d，拆模、编号并标明测定方向。随后将试件移入恒温恒湿养护室(温度为(20±2) ℃，湿度为60%±5%)中预置4 h，按标明的测试方向测定初始长度。试验采用立式砂浆收缩仪测量，上部千分表量程是12.5 mm，最小刻度为0.001 mm，如图1所示。分别测试养护7，14，21，28，56，90 d时试件的长度。各测试龄期的干燥收缩值按下式计算：

a—标定； b—测量。图1 ECC干燥收缩测量Fig.1 The measurement for dry shrinkage of ECC

(1)

式中：εnt为养护第t天时的干燥收缩值；L0为试件初始长度；L为试件初始长度，取160 mm；Ld为两个收缩头埋入砂浆中长度之和；Lt为养护第t天时的实测长度。

1.4 混凝土干燥收缩试验

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，试块尺寸100 mm×100 mm×515 m，标准养护7 d后，移入干缩室，采用SP-540型接触式收缩膨胀仪测试7，14，21，28，56，90 d的干燥收缩值，如图2所示。

a—标定； b—测量。图2 混凝土干燥收缩测量Fig.2 The measurement for dry shrinkage of concrete

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对ECC干燥收缩的影响

水胶比对ECC干燥收缩的影响如图3所示。由图可知，所有ECC试样的干燥收缩都随龄期的增加而增大，前14 d增加很快，14～28 d增加速度略有降低，28 d后增加缓慢，最后趋于稳定。对于不同的水胶比，ECC的干燥收缩随着水胶比的增加而增大，且水胶比越小时，增大的程度越明显[17]。在相对湿度为60%的情况下，ECC干燥收缩主要原因是由于毛细孔中水分蒸发而造成部分毛细孔不能被水饱和，周围的颗粒彼此拉近，产生的宏观体积收缩。而且毛细孔联通的越多，蒸发失去的水分就越多，ECC的干燥收缩也就越大。随着龄期的增加，ECC毛细孔中水分逐渐消耗，此时粉煤灰和矿渣粉的填充效应堵塞了毛细孔，使得孔结构更加的密实，孔中水分散失的越来越少，所以随着龄期的增加，ECC的干燥收缩越来越小。

a—水胶比为0.25时干燥收缩值； b—水胶比为0.30时干燥收缩值； c—水胶比为0.35时干燥收缩值。图3 水胶比对ECC干燥收缩的影响Fig.3 Effects of rates of water to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.2 砂胶比对ECC干燥收缩的影响

砂胶比对ECC干燥收缩的影响如图4所示。可见，随着砂胶比的增大，ECC的干燥收缩增加，但是影响力并不显著，在14 d前几乎无差别[17]。细骨料本身的吸水率较大，在相同水胶比的情况下，细骨料越多，吸收的水分越多，待水分蒸发后，干燥收缩越大。

a—砂胶比为0.4时干燥收缩值； b—砂胶比为0.5时干燥收缩值； c—砂胶比为0.6时干燥收缩。图4 砂胶比对ECC干燥收缩的影响Fig.4 Effects of rates of sand to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.3 ECC干燥收缩优化分析

试验为三因素三水平正交试验，试验指标为ECC试块的干燥收缩值，采用L9(34)正交表，共9组配合比，配合比设计及试验结果如表4所示。对试验结果进行极差分析，以确定各因素影响程度的主次顺序。

各因素极差R的大小表示该因素对试验结果影响的大小，其值越大说明该因素对试验结果的影响越大，将极差从大到小排序，就可以确定各个因素对试验结果影响大小的主次顺序，同时也说明了因素对于试验结果的重要性。现以因素A粉煤灰掺量为例说明极差的计算方法。

R1=(Ki)max-(Kj)min

(2)

各因素的极差分析计算方法与粉煤灰相同，结果见表4。由表4可以看出，对于90 d龄期的干燥收缩，试验所考虑的三个因素中，极差从大到小依次为：粉煤灰掺量、矿粉掺量、PVA纤维掺量，并且粉煤灰掺量的极差为620，远大于其他两个因素的差值，这说明粉煤灰对ECC干燥收缩的影响最大，为主要影响因素，矿粉掺量次之，PVA纤维掺量影响最小。

表4 干燥收缩优化试验结果Table 4 Dry shrinkage optimization test results

为了进一步分析各因素水平变化对ECC干燥收缩的影响，以水平变化为横坐标，各因素水平的总干燥收缩值为纵坐标，得到因素水平与干燥收缩值的关系，如图5所示。

由图5可知，随粉煤灰、矿粉和PVA纤维掺量增加，干燥收缩值均有降低的趋势，具体影响如下：

图5 不同因素下各水平的平均干燥收缩值Fig.5 Average drying shrinkage values under different factors and levels

1)粉煤灰对ECC干燥收缩的影响。不同掺量粉煤灰对ECC干燥收缩的影响如图6所示。从图中可以看出，各粉煤灰掺量ECC的干燥收缩应变值随着时间的增加而增长，总体上看，28 d前增长速度快，28 d后逐渐趋于稳定。但是不同掺量的粉煤灰，对ECC干燥收缩影响程度不同，随着粉煤灰掺量的增加，ECC的干燥收缩应变呈现大幅度降低[18]，粉煤灰掺量为70%时的干燥收缩应变值仅为掺量50%的一半。这是由于粉煤灰参与水化反应的程度和速度都远低于水泥，在水化反应的早期，粉煤灰对其抑制作用显著，从而也抑制了ECC的干燥收缩。由于粉煤灰颗粒的弹性模量高于水泥颗粒，随着粉煤灰的增加，ECC中有效的水灰比增大，自由水增多，在ECC浆体内起着限制浆体收缩的作用，这些都会造成ECC干燥收缩应变的下降。

图6 不同粉煤灰掺量对ECC干燥收缩的影响Fig.6 Effects of the fly ash content on drying shrinkage of ECC

2)矿粉对ECC干燥收缩的影响。不同掺量矿粉对ECC干燥收缩的影响如图7所示。从图中可以看出，各矿粉掺量ECC的干燥收缩应变值随着时间的增加而增加，总体上的趋势与粉煤灰的影响类似。但在28 d前，ECC的干燥收缩随着矿粉的增加先减小后增加，15%矿粉掺量使ECC达到前期的最小干缩值。28 d后，高矿粉掺量的干缩增长率明显低于低矿粉掺量的，在90 d干燥收缩应变稳定后，呈现随着矿粉掺量的增加，干燥收缩应变值降低的现象[19]。这是由于矿粉的掺入，细化浆体孔结构的同时 降低了空隙的连通性，增加了干燥条件下水分迁移的难度，有效地降低了ECC的干燥收缩。

图7 不同矿粉掺量对ECC干燥收缩的影响Fig.7 Effects of the mineral powder content on drying shrinkage of ECC

3)PVA纤维对ECC干燥收缩的影响。不同掺量的PVA纤维对ECC干燥收缩的影响如图8所示。从图8可以看出：各PVA纤维掺量ECC试样的干燥收缩随着龄期的增加而增大，总体呈现随着纤维量的增加，干燥收缩有降低的趋势，但是各水平之间差别很小，最大相差不到1.0×10-4[20]。这是由于PVA纤维使ECC内部的孔隙出现细微的变化，孔隙结构中出现了一些直径较大的孔，并且随着PVA纤维掺量的增加，较大毛细孔的数量越多，从而降低了水分扩散引起的毛细管压力；同时PVA纤维的存在使渗水通道曲折或者堵塞了渗水通道，使ECC内部与外部湿度扩散降低，从而减少了收缩。

图8 PVA纤维掺量对ECC干燥收缩的影响Fig.8 Effects of the PVA fiber content on drying shrinkage of ECC

2.4 最小干缩ECC配合比的确定

ECC干燥收缩优化试验的各参数因素水平对90 d干燥收缩值的影响如表4和图5所示，由图5中极差和斜率可以看出：粉煤灰掺量的最高水平和最低水平相差48.8%，而矿粉掺量和PVA掺量在既定的水平因素内，干燥收缩值仅差14.2%和6.8%。因素影响由大到小的排序依次为：粉煤灰、矿粉、PVA纤维。通过因素的水平分析，得到干燥收缩值的最优配合比的水平为A3B3C3。

3 混凝土和ECC的干缩协调分析

混凝土和70%粉煤灰掺量的ECC干燥收缩变化如图9所示。前28 d，混凝土与S7配比的ECC干燥收缩差值大约为(1.5～2.0)×10-4，由于干燥收缩相差较大，两种材料界面变形不协调，且早期的强度较低，极易出现干缩裂缝，甚至出现剥落和分离；养护到第90天时的干燥收缩值，S8和S9都与混凝土较接近，并且混凝土与ECC已经达到设计强度，抗裂能力强，能够满足两种材料的变形协调的要求，不出现干缩裂缝。根据混凝土和ECC整个龄期的干燥收缩变化分析，最终确定S8和S9作为能够与混凝土相匹配的低干缩配合比，最大程度地降低了干缩裂缝和变形不协调对混凝土与ECC交界面的影响。

图9 混凝土和ECC的干燥收缩对比Fig.9 Comparisons of drying shrinkage between concrete and ECC

4 低干缩ECC的基本力学性能

ECC作为修复和连接材料，干燥收缩值降低至能够与混凝土干缩变形协调的同时，其力学性能应满足结构能正常服役的基本要求。依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，对能够与混凝土干缩变形协调的S8和S9两组低干缩ECC的拉、压、弯性能进行试验研究，其力学性能指标见表5，拉伸应力-应变曲线和四点弯曲力学行为曲线见图10。

表5 ECC基本力学指标Table 5 Basic mechanical indexes of ECC

a—单轴拉伸应力-应变曲线； b—弯曲力学行为曲线。图10 ECC基本力学行为曲线Fig.10 Basic mechanical property curves of ECC

试验结果显示：S8和S9两组低干缩配比ECC的抗压强度达到C40以上，单轴直接拉伸曲线和四点弯曲曲线均具有明显的应力-应变硬化阶段，试件的破坏模式均表现为典型的多缝开裂特征，破坏时能够保持试件的完整性。

文献[6-8]研究表明，外加减缩剂虽保证材料的低干缩，但严重削弱了ECC的拉伸应变硬化特性。优化后的两组ECC配比相比于文献[10]，两者在低收缩值差异不大的区间内，本文配比纤维用量更少，水泥占比低，总成本更低。对比于文献[13]的配比，本文所给配合比ECC拉伸应变硬化性能更好，干燥收缩值更小，基本力学性能更优。综上所述，S8和S9两组配合比的低干缩ECC具有干燥收缩值低，与普通混凝土干缩协调性能好，力学性能优异和多缝开裂延性高的特性。

5 结束语

1)随着水胶比和砂胶比的增大，ECC的干燥收缩值增加，同时水胶比对ECC干燥收缩的影响远大于砂胶比。

2)随着粉煤灰、矿粉和PVA纤维掺量的增加，ECC的干燥收缩值降低，其中粉煤灰对降低干燥收缩效果最佳，矿粉次之，PVA纤维影响最小。

3)低水胶比ECC，当粉煤灰掺量达到70%时，ECC干燥收缩应变与混凝土接近，两种材料的交界面不会由于变形不协调而导致干缩裂缝。

4)低干缩ECC的抗压强度达44.5 MPa以上，抗拉和抗弯强度分别超过2.5 MPa和10 MPa，极限拉应变稳定超过3%，具有明显的应变-硬化特征。