骨料种类对ECC力学性能的影响研究

郝如升,王振波,包想军,李 洋

(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2. 中国矿业大学(北京),北京 100083;3. 中国水利水电第三工程局有限公司, 西安 710024)

0 前 言

水工混凝土性脆易裂,服役过程中产生的毫米级裂缝成为有害离子侵蚀和渗漏的主要通道,加快混凝土保护层剥落和钢筋腐蚀速度,严重影响水工结构的安全性与服役周期[1-3]。将纤维或纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)与混凝土结合可改善其脆性,能在一定程度上提升钢筋混凝土的韧性和变形能力,但拉伸软化并未得到根本改善[4-5]。高延性水泥基材料(Engineered Cementitious Composites, ECC)是为克服传统混凝土脆性、解决其耐久性问题而发展起来的高性能建筑材料,其在复杂荷载作用下仍具有应变硬化、延性高、裂缝小和抗侵蚀等优异性能[6],其拉伸应变能达到混凝土的百倍[7],目前主要被研究应用于建筑加固、混凝土路面、地下水库和建筑加固等工程领域[8-11]。在水工建筑中,ECC已被成功应用于金沙江上游巴塘电站,旨在解决坝基廊道开裂及渗透问题。

ECC主要由纤维、水泥、粉煤灰、水和精细石英砂(75～150 μm)等材料配制而成,高昂的材料成本致使其虽具备优异的力学性能却无法得到大面积的推广与工程应用。其中,精细石英砂不仅制备费用和运输价格高,且大量开采对环境造成不利影响。为此,许多学者开展了替代精细石英砂方面的研究。Sahmaran等[12]通过调整粉煤灰掺量,分别使用破碎砾石砂和石灰岩砂制备出性能优异的ECC,其强度和延性优于精细石英砂ECC;李祚等[13]使用沙漠砂制备了ECC,发现其抗拉、抗剪和抗压强度与精细石英砂ECC相比无明显变化,但极限拉伸应变仅达到精细石英砂ECC的50%;郭丽萍等[14]使用金刚砂和精细石英砂制备了ECC,对比发现,金刚砂ECC的抗拉强度高于精细石英砂ECC,但极限拉应变降低了56%;姚淇耀等[15]使用海沙制备出抗拉强度达到2.70 MPa、延性达到3.99%的ECC。可见,使用不同类型的骨料配置ECC,其性能易可达到甚至超过精细石英砂ECC。类似地,倘若使用工程现场细骨料制备ECC,不仅能够降低ECC原材料成本,还可弥补水工混凝土的性能短板,发挥其高耐久、抗冲击和耐侵蚀的优势,也为构筑高性能水工结构奠定基础。

基于此,本文分别采用某工程现场砂(钙质砂)和石英砂制备了ECC,试验研究了骨料类型对ECC抗压性能、抗弯性能、抗拉性能和裂缝宽度的影响,探寻该现场砂制备ECC的可行性,为构筑高性能水工建筑物提供新思路。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

水泥采用金隅冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其初凝和终凝时间分别为191 min和246 min,化学成分检验结果见表1。选用粉煤灰代替部分水泥可降低砂浆基体的强度,改善纤维与砂浆基体之间的黏结性能,使ECC获得更好的稳态开裂效果。本研究选用I级粉煤灰,其化学成分检验结果列于表1。

表1 胶凝材料化学成分

纤维采用日产聚乙烯醇(PVA)纤维,出厂时纤维表面已进行涂油处理,从而降低纤维与砂浆基体间的化学黏结力,使其发挥更好的桥接效果,单根PVA基本性能参数见表2。

表2 PVA性能参数

本文采用两种砂制备ECC,二者压碎值按照JGJ 52-2006标准[16]测试,其不同粒径区间的压碎值对比见表3。两组ECC均由0.075～0.60 mm粒径区间的砂制备,细度模数为1.23,各粒径占比分别为:0.30 ～0.60 mm占47%,0.15 ～0.30 mm占29%,0.075 ～0.15 mm占24%。

表3 两种砂的压碎值

1.2 试验配合比

两组ECC采用相同的配合比,ECC-1表示用石英砂制备的ECC,ECC-2表示用钙质砂制备的ECC,PVA纤维的体积掺量为2%。此外,为研究PVA纤维对ECC的增强增韧效果,设置了不掺纤维的砂浆基体对比组,即ECC-1M和ECC-2M,具体见表4。

表4 ECC配合比

1.3 试验方法

两组ECC试件的成型与养护的步骤如下:① 将砂投入搅拌机后加入总拌合水的8%搅拌1 min,使砂子充分预湿;② 将胶凝材料加入搅拌机与砂子搅拌2 min,待混合均匀后,缓慢加入剩余拌合水和减水剂并继续搅拌2 min,获得均匀流动的浆体;③ 将纤维缓慢撒入浆体内,充分搅拌以保证纤维分散均匀;④ 将搅拌好的ECC浆体,分2～3次分别浇筑至对应模具(抗压、抗弯和抗拉试件),振捣后抹面,并使用聚乙烯保鲜膜覆盖表面以防止水分散失;⑤ 将浇筑好的ECC静置1 d后拆模,并将试件移入标准养护室分别养护至7 d和28 d,在测试前将试件从养护室中取出进行相关力学性能试验。

ECC基体抗压试验按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[17]进行。ECC抗压试验的试件采用边长为70.7 mm的立方体,加载速率为0.5 mm/min。抗拉试件采用日本土木工程学会(JSEC)推荐的狗骨型试件[18],其具体尺寸见图1。

试验过程中,在试件两侧分别安装两个引伸计,并由计算机实时采集拉伸荷载值和试件受拉区的轴向拉伸应变,试验加载速率为0.15 mm/min。抗弯试件选用160 mm×40 mm×40 mm(长×宽×高)的长方体,三点弯曲加载速率为0.15 mm/min,跨距为100 mm。

2 试验结果与分析

2.1 抗压性能

从两组ECC抗压应力-应变曲线对比可以看出(见图2),抗压试件达到峰值荷载后,强度随应变增加而缓慢降低,曲线趋于平滑,在停止试验前(2.5%应变前),试件仍具有一定的承载力,残余强度介于20～40 MPa。试验过程中ECC的破坏过程如下:加载初期,试件表面无明显变化;荷载增加至峰值荷载的80%左右,试件表面首先出现微裂纹,随着荷载的继续增加,原裂纹延伸扩展的同时伴随新裂纹的产生,可听到纤维断裂和拔出的“嘶嘶”声;达到峰值荷载时,主裂纹虽贯穿试件,但试件裂而不碎;此后,试件承载力随着位移的增加而缓慢下降,裂缝继续扩张,试件横向变形明显增大,侧表面出现“鼓包”和剥落现象,停止加载后,试件仍具有较高的整体性。整个受压过程中,ECC表现出优异的抗压韧性和延性破坏,与砂浆的脆性破坏形式有明显差异,这归功于内部PVA纤维的增韧阻裂作用。

图2 ECC抗压应力-应变曲线

图3汇总了两组ECC的抗压强度,与ECC-1M和ECC-2M相比,掺入纤维使其抗压强度分别降低了30%和18%。这是因为,试件搅拌成型时,掺入PVA纤维在ECC中引入界面和气孔等内部缺陷,导致试件孔隙率增大、抗压强度降低。值得注意的是,ECC-2的7 d抗压强度达到28 d的75.8%,远高于ECC-1的57%。上标是因为ECC-2中的钙质砂内部含有氯离子(Cl-),可促进铝酸钙(C3A)和硅酸三钙(C3S)的水化作用[19],有利于ECC早期强度发展。

图3 抗压强度对比

2.2 抗拉性能

图4绘制了两组ECC的抗拉应力-应变曲线。从图4中可以看出,应力应变曲线均经历3个阶段:① 线弹性阶段,此阶段试件表面保持完整,应力随应变线性增加;② 应变硬化阶段,在产生第一条裂纹后,ECC进入应变硬化阶段,此阶段试件表面呈现多点开裂的特征,抗拉强度随应变增加抖动上升,应力的每一次抖动都代表着一条新裂缝的产生;③ 应变软化阶段,拉伸应力达到峰值后,最薄弱的裂缝持续张开发展为主裂缝,最终导致试件断裂破坏。

图4 ECC抗拉应力-应变曲线

从抗拉应力-应变曲线中提取出两组ECC的开裂强度、抗拉强度和极限拉应变等参数,并汇总于图5中。ECC-1的7 d和28 d开裂强度达到2.94 MPa和3.25 MPa,分别是ECC-2的1.31倍和1.40倍。这是因为ECC的拉伸开裂强度主要取决于砂浆基体的开裂强度,而钙质砂的压碎值低于石英砂(见表3),致使ECC-2的拉伸开裂强度低于ECC-1。相较于两组ECC的开裂强度,二者之间的抗拉强度差距缩小,ECC-1的抗拉强度仅为ECC-2的1.08倍和1.09倍。反观二者的极限拉伸应变,ECC-2的7 d和28 d极限拉应变分别达到4.23%和5.15%,分别是ECC-1的5.42倍和2.96倍。

图5 抗拉参数对比

ECC是基于微观力学设计的高性能水泥基复合材料,其具有的应变硬化行为本质上是“拉伸强度增大-基材开裂-断面间纤维发挥桥接作用-拉伸应变持续增加-拉伸强度增大”的循环往复过程,正是因为ECC-2较低的开裂强度,更易满足设计原理中的强度准则,致使PVA纤维在ECC-2的应变硬化过程中发挥了更好的桥接作用,从而表现出更优异的延性。也正是通过应变硬化过程,弥补了ECC-2自身拉伸开裂强度的不足。但整体而言,两组ECC的延性均远超于普通混凝土的延性,ECC-1的极限拉应变超过1.5%,可满足多数水工结构对材料延性的需求。

图6展示了拉伸过程中两组ECC的裂缝形态发展,图中括号内的数字代表该应变下裂缝的平均宽度。由图6可以看出,随着应变的增加,裂缝宽度和裂缝数量逐渐增大。与传统混凝土破坏时展现出的宏观裂缝不同,两组ECC在应变硬化过程中的裂缝始终控制在微米级。研究表明,宽度不超过150 μm的裂缝具有优异的自愈合性能,且裂缝宽度越小,愈合效率越高[20]。因此,ECC的这一优异的裂缝控制能力,对于有严格抗渗要求的水工结构是非常有利的。

图6 ECC裂缝发展

2.3 抗弯性能

两组ECC的抗弯荷载-位移曲线如图7所示。由图7可知,与抗拉应力-应变曲线相同,荷载-位移曲线也经历了线弹性、应变硬化和应变软化3个阶段。从曲线中提取出两组ECC的抗弯荷载和极限挠度,并绘制于图8,可以看出,ECC-2的28 d抗弯荷载和极限挠度分别达6.83 kN和1.83 mm,均高于ECC-1,说明使用钙质砂制备ECC具有更优的抗弯性能。此外,根据ASTM C1018[21]计算了ECC的弯曲韧性,抗弯过程中,ECC的各级韧性指数(In)均满足硬化弹塑性材料的条件。

图7 ECC抗弯荷载-位移曲线

图8 抗弯参数对比

图9展示了两组ECC抗弯试件28 d的受弯试件侧面的裂纹形态,拍摄时间对应位移-荷载曲线上的峰值荷载(试件处于加载状态)。其中,对试件纯弯段进行了二值化处理,以便观察裂纹分布形态。可以看出,两组ECC均表现出不同程度的多点开裂特征,其破坏形态与钢筋混凝土类似,这是因为乱象分布的PVA纤维在ECC内部形成稳定的支撑体系,在基材开裂后承担一部分应力,避免了应力的突然释放,抑制了ECC的开裂过程,提高其抗折和抗弯性能。

图9 ECC弯曲破坏形态

3 结 论

本文分别使用石英砂和钙质砂制备了ECC,并通过抗压试验、抗拉试验和抗弯试验,研究对比了骨料类型及养护龄期对ECC基本力学性能的影响,并分析了PVA纤维对ECC的增强增韧作用机理,得出以下主要结论:

(1) 与ECC-1M和ECC-2M相比,掺入PVA纤维使两种ECC的28 d抗压强度分别降低了18%和30%,但抗压试验中表现出优异的延性和韧性。钙质砂ECC的早期强度发展速度快于石英砂ECC,其7 d抗压强度可达到28 d的75.8%。

(2) 两种砂制备的ECC在抗拉过程中均展现出优异的应变硬化效果,其平均裂缝宽度不超过100 μm。钙质砂ECC的拉伸开裂强度和抗拉强度均低于石英砂ECC,但其极限拉应变远高于石英砂ECC,7 d和28 d分别达到了4.23%和5.15%。

(3) 两种ECC的抗弯荷载位移曲线均经历了线弹性、应变硬化和应变软化3个阶段,二者均满足弹塑性材料的韧性指标。与石英砂ECC相比,钙质砂ECC具有更优的抗弯性能,其28 d抗弯荷载和极限挠度分别达6.83 kN和1.83 mm。