SAP对高性能工程水泥基复合材料性能的影响

姜爱国,杨维斌,2,蔡 杰

(1.烟建集团有限公司,烟台 264000;2.烟台大学土木工程学院,烟台 264000)

0 引 言

高性能工程水泥基复合材料(high performance engineered cementitious composites, HP-ECC)是一种抗压强度大于80 MPa,拉伸延伸率大于3%,并且具有多缝开裂特性的短切纤维增强水泥基复合材料[1]。这种优良的水泥基材料能够满足我国快速城市化进程中建筑工程结构逐渐向大跨度和超高层等方向发展的要求。

在HP-ECC的设计中,通常用细硅砂代替粗骨料,降低砂与胶凝材料的比例可获得更低的基体断裂韧度,从而提高HP-ECC的拉伸延伸率[2-3]。使用低水胶比和超细矿物掺合料还可以确保HP-ECC的强度[4]。胶凝材料在水化过程中会消耗一部分水,导致基体内部相对湿度急剧下降,这会加强孔隙内部的毛细管张力,并导致材料早期自收缩增加[5]。此外,由于后期的水化反应和蒸发作用,基体内部的水分进一步耗散,也会导致基体发生干燥收缩[6]。上述因素导致的HP-ECC内部收缩量远大于普通混凝土收缩量,这可能会导致结构开裂,进而降低结构的使用安全性。因此,收缩问题成为了阻碍HP-ECC广泛应用的瓶颈。

超吸水性聚合物(superabsorbent polymer, SAP)作为一种具有亲水网络的新型功能聚合物材料,可以吸收大量的水[7]。在早期水化过程中,当相对湿度急剧下降时,SAP逐渐将水释放到硬化的基体中,补充水化反应引起的水分消耗,从而降低毛细管压力,缓解收缩效应[8]。因此,SAP通常被视为一种内部养护外加剂,用于缓解混凝土收缩[9]。Yao等[10]研究表明加入SAP颗粒可以明显提高ECC的拉伸应变能力和韧性,由于SAP颗粒具有吸水性,在基体中引入SAP可有效降低ECC试件的干燥收缩和约束收缩。Khan等[11]研究了养护温度和SAP含量对ECC应变硬化性能的影响,发现SAP的质量分数为0.6%时可抵消温度对ECC性能的负面影响。Zhang等[12]发现SAP的应用降低了ECC的抗压强度和极限抗拉强度,但使其应变能力提高了56.0%～81.3%,同时,ECC表现出较低的自收缩和干燥收缩。

本文以SAP作为内部养护外加剂,对SAP采用质量分数计算,研究了SAP掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)对HP-ECC抗压强度、拉伸性能、干燥收缩和自收缩的影响,并采用扫描电子显微镜分析了纤维在基体中拔出后的表面形貌。

1 实 验

1.1 原材料

胶凝材料采用普通硅酸盐水泥P·Ⅱ 52.5(portland cement, PC),辅助胶凝材料采用硅灰(silica fume, SF)和S95级粒化高炉矿渣(granulated blast furnace slag, GGBS),其化学组成如表1所示。集料采用石英砂(silica sand, SS),其最大粒径小于300 μm,平均粒径为135 μm,表观密度为2 850 kg/m3。纤维采用超高分子量PE纤维,长度12 mm,弹性模量100 GPa,拉伸强度3 000 MPa,SEM照片如图1所示。SAP为交联聚丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物,其吸水能力约为260 g/g,SEM照片如图2所示,最大粒径为200 μm,平均粒径为 95 μm。采用聚羧酸系高效减水剂(superplasticizer, SP),固含量大于20%,减水率为30%。拌合水(water, W)为自来水。

图1 PE纤维的SEM照片Fig.1 SEM image of PE fiber

图2 SAP的SEM照片Fig.2 SEM image of SAP

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical composition of cementitious materials

1.2 配合比及制备方法

HP-ECC的原材料配合比如表2所示,所有HP-ECC的原材料在标准混合器中混合。首先将配合比中干燥的SAP进行饱水处理,备用。将所有固体成分,包括PC、SF、GGBS和SS,干燥混合搅拌约2 min。然后将W、SP、SAP添加到干燥混合物中,搅拌3 min,得到砂浆。再将PE纤维缓慢添加到砂浆中并混合搅拌,直到所有纤维均匀分布,得到混合物。最后将混合物浇铸到模具中,24 h后脱模。脱模后,所有试样在标准养护室中养护28 d,养护温度为(20±2) ℃,相对湿度为(90±5)%。

1.3 测试方法

抗压强度和抗折强度根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)进行测试,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。拉伸性能根据《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JCT2461—2018)进行测试,试样尺寸如图3所示。自收缩和干燥收缩根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行测试。采用扫描电子显微镜(SEM)观察HP-ECC拉伸后的纤维表面微观形貌。

图3 拉伸性能测试试样的尺寸Fig.3 Specimen size of tensile performance test

2 结果与讨论

2.1 抗压强度和抗折强度

图4为不同掺量的SAP对HP-ECC抗压强度和抗折强度的影响。结果表明,随着SAP掺量的增加,HP-ECC的抗压强度和抗折强度逐渐降低,这意味着SAP对HP-ECC的抗压强度和抗折强度具有负面影响,尤其是在养护3 d时。当使用更高掺量的SAP时,抗压强度和抗折强度损失更加明显。随着SAP掺量从0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d时的抗压强度分别降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折强度分别降低了33.9%、20.8%和17.1%。抗压强度降低的原因主要与SAP吸收的水释放到基质后形成的空隙有关。值得注意的是,掺入更多的SAP也会导致基体的孔隙率升高,从而降低抗压强度和抗折强度。但是,在HP-ECC的后期阶段可以观察到SAP轻微的强度补偿效应。相比于S-0试样,S-0.1、S-0.2和S-0.3试样从28 d到90 d的抗压强度分别提高了34.9%、23.3%和11.6%。这主要归因于SAP的水解效应促进了HP-ECC中无水水泥颗粒的进一步水化反应,以及硅灰和矿渣的二次水化反应,进而增强了基体的C-S-H凝胶含量,改善了界面过渡区[13]。

图4 SAP对HP-ECC抗压强度和抗折强度的影响Fig.4 Effect of SAP on compressive strength and flexural strength of HP-ECC

2.2 拉伸性能

图5为HP-ECC的单轴拉伸应力-应变曲线,样品编号后的-1#、-2#、-3#为三个平行试样。HP-ECC在轴向拉伸下的行为可分为三个阶段:弹性上升阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段。所有试样在拉伸试验过程中都表现出显著的应变硬化行为。

图5 HP-ECC的拉伸应力-应变曲线Fig.5 Tensile stress-strain curves of HP-ECC

基于HP-ECC的拉伸应力-应变曲线,表3列出了拉伸性能的关键参数,包括初裂强度、极限拉伸强度、拉伸延伸率和拉伸应变能。结果表明,随着SAP掺量的增加,HP-ECC的初裂强度和极限拉伸强度逐渐降低,这与HP-ECC的抗压强度和抗折强度变化趋势相似。与S-0试样相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3试样的极限拉伸强度分别降低了5.7%、12.0%和15.6%。显然,SAP作为有机聚合物会增加基体的孔隙率。尽管SAP在水泥基复合材料中具有内养护作用,可以改善HP-ECC的微观结构,但SAP导致的基体孔隙效应高于SAP引起的纤维-基体界面黏结效应。由于PE纤维在拔出过程中具有相对更小的摩擦阻力,纤维的桥接作用更弱,从而降低了试样的极限拉伸强度。然而,HP-ECC的拉伸延伸率随着SAP掺量的增加而增加,这是因为SAP颗粒可以被视为基体内部预先存在的缺陷,存在更多促进多重开裂的潜在开裂源,从而提高了HP-ECC的拉伸应变能力。应变能是评价试样拉伸性能的一个重要指标,可以反映试样的拉伸韧性。在HP-ECC的拉伸应力-应变曲线中通过从初裂点到极限拉伸强度峰值点的积分来计HP-ECC的能量吸收能力。随着SAP掺量的增加,HP-ECC的拉伸应变能逐渐增加,应变能的增加主要来自于基体更多的开裂耗能。图6为HP-ECC拉伸开裂图像,结果表明,随着SAP掺量的增加,HP-ECC拉伸后的裂纹数量逐渐增多。

图6 HP-ECC的拉伸开裂图像Fig.6 Tensile cracking images of HP-ECC

表3 不同SAP掺量下HP-ECC拉伸应力-应变曲线的关键参数Table 3 Key parameters of tensile stress-strain curves of HP-ECC with different SAP dosage

2.3 自收缩

不同SAP掺量的HP-ECC成型后72 h内的自收缩发展曲线如图7所示。由图7可知,随着SAP掺量的增加,HP-ECC的自收缩显著降低。HP-ECC混合料在10 h内水化速度快、弹性模量低的特点导致了该阶段自收缩的快速演变,并随着养护龄期的延长,自收缩趋于稳定增长。由于HP-ECC具有水胶比低、仅含细骨料、水泥和硅灰含量高等特点,基体微观结构中的内应力较大,HP-ECC表现出非常大的自收缩。S-0试样中的最大自收缩值为2 408 με,与S-0试样相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3试样的自收缩率分别降低了8.1%、23.7%和42.9%。SAP含有的聚丙烯酸侧链具有羟基官能团,可以与水分子上的氢键相互作用形成交联[4]。SAP的收缩缓解机制如图8所示。当基体内的相对湿度因水化作用而急剧下降,SAP中被交联聚电解质吸附的水分子就会因渗透压释放到基体中。SAP在HP-ECC混合物的初始搅拌过程中可吸收部分游离水,并随着水泥水化过程中内部相对湿度的降低,被视为一个内部蓄水池,以抵抗毛细收缩应力引起的自收缩。此外,SAP的引入还可以有效地延缓内部相对湿度的降低,从而减少自收缩。

图7 HP-ECC的自收缩Fig.7 Autogenous shrinkage of HP-ECC

图8 SAP的收缩缓解机制Fig.8 Mechanism of shrinkage mitigation for SAP

2.4 干燥收缩

所有HP-ECC混合物的干燥收缩如图9所示。结果表明,对于所有HP-ECC试样,在21 d之前,干燥收缩均显著增加。随着HP-ECC养护龄期的增加,基体越来越致密,内部自由水减少,水分蒸发量减少,因此,HP-ECC的干缩曲线发展趋于平缓。随着SAP掺量的增加,HP-ECC的干燥收缩逐渐降低。与S-0试样相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3试样的干燥收缩量分别降低了8.5%、16.4%和26.9%。SAP降低HP-ECC干燥收缩量的机制是SAP颗粒的蓄水池效应。在HP-ECC中引入SAP可以阻碍其内部的水分蒸发,有效解决水泥基体内部缺水的问题,促进未水化水泥的水化进程,并减少HP-ECC混合物的干燥收缩量[14]。

图9 HP-ECC的干燥收缩Fig.9 Drying shrinkage of HP-ECC

2.5 纤维拔出微观形貌

图10为拉伸后的HP-ECC纤维SEM照片。在S-0试样中观察到拔出后的纤维表面出现了一些丝状物,这是纤维在拔出过程中受到挤压导致的,说明纤维-基体界面黏结性能良好,这也是S-0试样拉伸强度最高的原因之一。此外,由于纤维在拔出过程中与拉伸应力轴向方向存在夹角,纤维在拔出位置受到基体楔形的尖锐切削作用,也会造成纤维损伤。随着SAP掺量的增加,HP-ECC拉伸后的纤维表面越来越光滑,这意味着纤维-基体界面黏结性能降低。因此,纤维表面损伤也受基体的致密性影响。显然,SAP掺量的增加提高了基体的孔隙率,降低了纤维周边的基体密实度,进而降低了纤维-基体界面摩擦黏结应力。

图10 拉伸后的HP-ECC纤维SEM照片Fig.10 SEM images of HP-ECC fibers after stretching

3 结 论

1)随着SAP掺量的增加,HP-ECC的抗压强度和抗折强度呈降低的趋势。随着SAP掺量从0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d时的抗压强度分别降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折强度分别降低了33.9%、20.8%和17.1%。然而,在HP-ECC的后期阶段可以观察到SAP轻微的强度补偿效应。当SAP掺量为0.1%时,SAP的强度补偿效应最显著。

2)所有HP-ECC试样在拉伸过程中均表现出显著的应变硬化行为。随着SAP掺量的增加,HP-ECC的初裂强度和极限拉伸强度逐渐降低,分别从4.07和7.25 MPa降为1.84和6.12 MPa。然而,随着SAP掺量的增加,HP-ECC的拉伸延伸率和拉伸应变能分别从3.62%和203.4 J·m2增加到5.27%和240.8 J·m2。

3)SAP在HP-ECC中可充当“蓄水池”,释放的水保持了内部的相对湿度,有效缓解了HP-ECC的自收缩和干燥收缩,使HP-ECC的自收缩和干燥收缩分别从2 408和505 με降低到1 372和369 με。

4)随着SAP掺量的增加,在HP-ECC基体中拔出后的纤维表面越来越光滑,这意味着纤维-基体界面黏结性能降低。