基体对风积沙高延性水泥基复合材料性能的影响

肖长青,夏多田,张朵,李铮翔,陈瑞林,程建军

(石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003)

高延性水泥基复合材料(ECC),是一种具有优异延性和耐久性的特殊纤维增强混凝土材料[1],为了保证优异的性能,ECC的制备通常要求细骨料的粒径不超过200 μm[2]。目前,通常采用河砂和微石英砂作为ECC的细骨料,但微石英砂生产成本较高,同时,为了保护环境,国家限制了河砂的开采,其价格日益上涨,导致ECC制备成本增高,影响推广应用。为了降低成本,满足ECC的地域化推广,王丹[3]、Che等[4]、谢世光[5]、李祚等[6]利用腾格里沙漠砂、毛乌素沙漠砂、鄯善县沙漠砂、乌兰布和沙漠砂等不同地区的沙漠砂制备了极限拉伸应变为1%～6%的ECC。目前仍缺乏统一普适的配比参考,还存在水泥掺量较大、粉煤灰掺量低和砂胶比小的特点,而且不同地区沙漠砂的差异性会使基体的孔隙结构,基体与纤维界面特性发生变化[7],导致沙漠砂ECC性能差异较大;此外,研究[8-10]还发现掺入适量的粉煤灰、硅粉会影响ECC的力学性能、弯曲韧性和延性。

综上所述,研究新疆地区粉煤灰、硅粉对大掺量风积沙ECC材料性能的影响规律,进而增大风积沙、粉煤灰和硅粉在制备ECC中的掺量,对降低材料成本及推广应用具有重要的理论和实际意义。因此,本文采用新疆境内古尔班通古特沙漠风积沙为细骨料,以粉煤灰和硅粉两种地域性固废为掺合料制备ECC基体材料,设计单因素试验,以流动度、抗压、抗折强度和抗拉强度以及单轴拉伸应变等主要指标,结合微观分析手段,分析3种原材料对ECC工作性能、力学性能、弯曲韧性和延性的影响规律及作用机理,旨在为后续深入研究新疆地域化ECC提供一定的数据参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验所用原材料除PE纤维外,其他均取自新疆石河子当地,其中,42.5普通硅酸盐水泥购自新疆天业有限公司,粉煤灰(F级)和硅粉分别取自新疆越隆达新型建材有限公司和西部合盛硅业有限公司。风积沙取自古尔班通古特沙漠边缘,颗粒形貌见图1。原材料主要化学成分采用XRF测定,材料粒径分布采用激光粒度仪测定,测定结果如表1和图2所示,纤维基本物理性能见表2,可知:水泥、粉煤灰和硅粉的中值粒径分布在10 μm左右,风积沙的中值粒径为227.24 μm。

图1 风积沙颗粒形貌SEM图

图2 原材料粒度曲线

表1 原材料主要化学成分表

表2 PE纤维基本物理性能

1.2 试验设计

基于课题组前期研究结果,在M水泥∶M粉煤灰∶M风积沙=1∶1.5∶0.75的基础配比下,探索增加粉煤灰、风积沙和硅粉掺量对ECC性能的影响。其中减水剂、乳胶粉均为粉料质量的0.4%,详细配合比见表3。

表3 试验配合比设计

1.3 试验方法

试件制备时先将粉料混合慢搅2 min再快搅2 min,然后在慢搅过程中加入提前分散好的纤维,待全部加入后慢搅、快搅各2 min,搅拌均匀后装模成型。材料抗压、抗折及流动度试验方法分别参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》、GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》及GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》,单轴拉伸试验参照JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》进行。试件尺寸、成型图与加载装置如图3所示。采用位移控制的方式进行加载,速度为0.5 mm/min(预加载0.2 kN),拉力下降至峰值强度的80%时停止加载。采用捷克TESCAN MIRA LMS型场发射扫描电镜(SEM)观察纤维在基体中的微观形貌,每组配合比制作9个试件(抗压、抗折、轴拉各3个)共117个试件,标准养护(温度20 ℃、湿度90%)至28 d后进行力学性能试验。

图3 试件尺寸及单轴拉伸试验装置

2 结果与分析

试验测得材料流动度及基本力学性能如表4所示,由于A2.75组试件制备过程中基体过干而无法拌合成型,因此无数据。

表4 试验结果

2.1 各因素对材料流动度的影响

根据试验数据绘制各因素掺量变化对流动度的影响曲线图,结果(图4)显示:

图4 不同基体材料对流动度的影响

(1)粉煤灰掺量从1.5增加到3.5时,流动度从157 mm增大到160 mm。粉煤灰对材料流动度有一定的改善作用。粉煤灰为玻璃球状小颗粒,在拌合物中充当“滚珠”,有益于拌合物的流动度[11]。

(2)风积沙掺量从0.75增加到2.25,流动度降低了15.92%。风积沙掺量的增大会降低材料流动度,因为风积沙的比表面积大,对水分的吸附能力较强,掺量增大导致体系中自由水的含量降低[12],使流动度降低,正是此原因导致A2.75组的材料无法拌合成型。

(3)硅粉掺量从0.0增加到1.2时,流动度降低了33.76%。硅粉掺量的增大会显著降低材料流动度,极细的硅粉颗粒会在拌合物表面产生润滑层,当硅粉掺量为水泥质量的15%时,材料有较好的工作性能[10]。但本文所采用的硅粉中值粒径在10 μm左右,粒径较大且掺量为水泥质量的30%以上,过量的硅粉增大了拌合物的黏度,从而导致流动度降低。

2.2 各因素对材料力学性能的影响

2.2.1 对材料抗压、抗折强度的影响

图5为粉煤灰、风积沙、硅粉掺量对抗压、抗折强度影响的变化曲线,由图5可知:

图5 不同基体材料对抗压、抗折强度的影响

(1)增加粉煤灰掺量会降低抗压强度,掺量从1.5增加到3.5时,抗压强度降低了28.55%。随着粉煤灰掺量增加,抗折强度先增大后减小,掺量为2.5时达到最大值13.36 MPa。这是由于粉煤灰活性较低、水化反应较慢,甚至养护28 d后依然存在未水化的粉煤灰[11];同时,粉煤灰掺量增加会导致水泥含量减少,这也是ECC抗压强度下降的原因之一。

(2)随着风积沙掺量的增大,抗压强度先增大后减小,掺量为1.25时达到最大值42.93 MPa。抗折强度随风积沙掺量增大而增大,掺量为2.25时达18.52 MPa,相较基准组增大了98.50%。风积沙粒径在175 μm以下的微颗粒具有一定的火山灰效应,能够促进水泥水化[13],表明适量的风积沙可以提高基体密实度,提升抗压强度。但掺量过大时会导致砂胶比变大,体系中胶凝材料减少,对抗压强度产生负面影响。此外,结合图2可知,试验所用风积沙的圆度和球度较低,一定程度上增大了浆体中砂粒与纤维之间的摩擦,这有助于提升ECC的抗折强度[7]。

(3)硅粉掺量的增加对抗压强度与风积沙影响的规律一致。掺量为0.6时达到最大值47 MPa,抗折强度随掺量增大逐渐减小,掺量为1.2时较基准组降低了36.76%。这表明适量的硅粉可以填充体系中的孔隙,提高基体密实度,进一步增大抗压强度。硅粉掺量过大会导致大量冗余,既不能填补孔隙又不能充分的二次水化生成高密度凝胶,反而弱化了纤维与基体的界面黏结,导致抗折强度降低[10]。

2.2.2 对材料弯曲韧性评价

弯曲韧性指数是目前衡量ECC韧性最为常用的指标。本文采用ASTM C1018评价方法,通过计算弯曲韧性指数I5、I10、I20、I30和I40来评价粉煤灰、风积沙及硅粉掺量增大对ECC弯曲韧性的影响。参数Ωδ、Ω3.0δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ、Ω15.5δ、Ω20.5δ以及初裂点的选取方法如图6所示,各组弯曲韧性指数的计算结果绘制成图7。

图6 弯曲韧性指数计算方法示意图

图7 不同基体材料对韧性指数的影响

由图7和表4可知:与基准配合比相比,粉煤灰、风积沙和硅粉掺量的增加均有利于弯曲韧性的增大,3种材料掺量分别为3.5、2.25以及0.9时,韧性指数均为同组中最大值。王义超等研究表明适合的基体初裂强度有利于发展纤维的桥接力,基体初裂后纤维受力使开裂界面得到补强,荷载继续上升并不断产生新的裂缝,ECC延性因此得以发展[14]。随着粉煤灰掺量增加,ECC的抗折强度和初裂荷载均先增大后减小,弯曲韧性逐渐增大。

当风积沙掺量增大时,抗折强度逐渐增大,基体初裂荷载呈现降低趋势,材料的弯曲韧性先增大后减小再增大。硅粉掺量从0.0增大到0.9时,抗折强度、基体初裂荷载都呈现降低趋势,但是弯曲韧性却先降低后增大。表明风积沙ECC的弯曲韧性并不是随着抗折强度或基体初裂荷载的变化而单调变化,并不能直接从材料抗折强度或基体初裂荷载的大小判断材料弯曲韧性的优劣,基体和纤维的协同工作性能同样也是影响ECC弯曲韧性的重要因素。

2.3 各因素对材料单轴拉伸性能的影响

拉伸强度、峰值应变是反映ECC抗拉性能最直接和量化的指标,而拉伸应力-应变曲线则可以直观反映材料的破坏过程和变形特征。本试验中3种原材料掺量变化与ECC的拉伸强度、峰值应变以及拉伸应力-应变曲线关系如图8、图9所示,试件拉伸破坏段的破坏形式如图10所示。

图8 不同基体材料对拉伸强度及峰值应变的影响

图10 试件拉伸破坏形态

(1)拉伸强度随粉煤灰掺量增加先减小后增大,掺量3.0时开始反弹,掺量从3.0增大到3.5拉伸强度增大了11.49%;峰值应变呈增大趋势,掺量从2.0增大到3.5应变增大了88.40%,达到3.41%,其极限拉应变超过4.00%(图8、图9)。随着掺量的增大,曲线“应力波”越来越密集,且在掺量为3.5时应力-应变曲线最为饱满(图9)。粉煤灰掺量的增加会使风积沙ECC裂缝宽度减小,裂缝分布更加均匀,延性增大(图10b),这与Wang等[8]和杨英姿等[9]的研究结果一致。本试验中粉煤灰掺量为水泥的3.5倍,比现有部分风积沙ECC的制备掺量更大,更有利于环境保护。

(2)随着风积沙掺量的增加,拉伸强度呈增大趋势,掺量为2.25时抗拉强度达2.58 MPa。随着风积沙掺量的增大拉伸应变逐渐降低,相较于基准组,掺量为1.25时峰值应变降低了73.27%。此外,随着掺量的增加,拉伸应力-应变曲线裂缝稳定开展阶段明显缩短,极限拉伸应变显著降低。尽管风积沙掺量的增大提高了拉伸强度,但延性反而降低,说明拉伸强度的大小并不能直接反应材料延性的优劣(图8、图9)。结合弯曲韧性结果及分析可知:过多的风积沙破坏了基体与纤维最佳协同工作环境。大掺量风积沙试件表面粗糙,几乎不存在多缝开裂现象(图10c),这与李祚等[6]研究得出的“风积沙掺量增大会降低ECC延性”的结论一致;此外,本试验中砂胶比(风积沙质量与水泥和粉煤灰总质量的比)的范围为0.3～0.9,这与文献[6]砂胶比高于0.66材料延性较好的推断不同,证明了不同地区风积沙制备的ECC性能存在一定的差异。当砂胶比为0.9时(第A2.25组),即风积沙掺量为水泥质量的2.25倍时,胶凝材料用量大幅降低,可有效降低材料的制备成本,且具有较好的力学性能(抗压、抗折及拉伸强度分别为39.01、18.52、2.58 MPa),完全可以根据实际工程需要选取合适的砂胶比。

(3)随着硅粉掺量的增加,拉伸强度、峰值应变总体呈现逐渐降低趋势。相较于基准组,掺量为1.2时拉伸强度、峰值应变分别降低了53.98%、84.55%,另外,拉伸应力-应变曲线变得越来越短(图8、图9)。结合图10d可知,硅粉掺量达1.2时材料延性损失更为明显。李晓琴等研究表明硅粉掺量的增加可提高ECC的力学性能和韧性[10],但其硅粉掺量最大仅为水泥质量的20%,而本试验硅粉掺量范围为水泥质量的30%～120%,且硅粉粒径较大(图1),表明大幅度增加硅粉掺量会导致水泥和粉煤灰的含量减少,这是因为过多的大颗粒硅灰仅起到物理填充作用,水化反应程度低,硅粉掺量的增大反而使风积沙ECC的延性降低。

2.4 微观机理分析

为了初步探究纤维与基体的协同工作机理,选取分别代表增加粉煤灰、风积沙以及硅粉掺量下的ECC微观形貌的三组试样F3.50、A2.25、S1.20,从拉伸破坏界面处取样,其微观形貌如图11所示。

图11 三种不同基体材料拉伸破坏界面微观形貌

由图11a、d可见:基体中的粉煤灰尚未完全反应且纤维存在明显拔出-滑移的痕迹,表明试件开裂后纤维没有直接绷断或整根拔出,而是能够与基体良好的协同工作。部分粉煤灰反应生成C-S-H凝胶(水化硅酸钙)以及AFt(钙矾石)有效调节了基体与纤维之间的摩擦、黏结作用。大量尚未反应的粉煤灰除了起到填充作用外,还会稀释基体中的Al3+和Ca2+浓度,降低强化学键的形成,从而降低基体初裂强度[8]。轴拉时纤维桥接应力大于基体开裂强度,满足初裂强度准则,同时,粉煤灰掺量的增大使基体中风积沙颗粒分布更为均匀,进一步调节了基体与纤维之间的协同工作性能,使风积沙ECC的延性得到增强。

由图11b、e可以看出:基体密实程度高,纤维被风积沙颗粒紧紧挤压固定,从纤维端头可以看出纤维属于拉断破坏。试验采用的风积沙圆度和球度较差,极大的增强了基体内部风积沙颗粒对纤维的机械咬合力,使纤维被牢牢的卡在基体中,同时风积沙导致基体存在一定的自收缩,粒径小的风积沙可以细化、密实基体结构并诱导更多毛细孔产生,增加基体收缩应力[15],进一步限制了纤维的滑移。轴拉时,纤维受力变形直至被拉断,导致试样无法多缝开裂。

由图11c、f可以看出:基体中大量圆球状硅粉,整根纤维被拔出,纤维表面存在划痕,表明试件单轴拉伸试验时破坏形式为单缝开裂。其原因如下:在基础配比下硅粉的掺入进一步填补了基体中的空隙,增大了基体抗压强度。但大量硅粉在基体中仍保持圆滑的颗粒并分布在原来风积沙和纤维接触的界面之间,减小了风积沙颗粒对纤维的物理摩擦力以及粉煤灰水化产物对纤维的黏结力,导致大量纤维受力时被整根拔出,纤维桥接应力小于基体开裂强度。

3 结论

(1)随着粉煤灰掺量的增大,ECC的抗压强度和拉伸强度增大,流动度和抗折强度减小;掺量为3.50时,单轴拉伸峰值应变得到显著提升,最大拉伸应变达3.41%。微观分析表明,适量的粉煤灰改善了基体与纤维之间的界面特性,降低了基体初裂强度,提高了基体与纤维之间的协同工作性能,从而提高了材料的延性。

(2)随着风积沙掺量的增大,ECC的抗压强度、拉伸强度以及弯曲韧性也增大,但流动度减小;风积沙的掺量对抗折强度的影响最为显著,掺量为2.25时抗折强度达到最大值18.52 MPa。微观分析表明,过多的风积沙导致基体对纤维的约束力增强,限制了纤维在基体中的滑移,从而阻碍了试件的多缝开裂。

(3)ECC的流动度、抗折强度、拉伸强度以及拉伸峰值应变均随着硅粉掺量的增大而减小,但掺入硅粉可以进一步提高ECC的抗压强度,硅粉掺量为0.60时ECC的抗压强度达到最大值47.00 MPa。微观分析表明,大掺量硅粉降低了基体对纤维的约束能力,导致纤维直接拔出和ECC的延性变差。

(4)利用新疆地区的沙漠风积沙可以制备出性能优异的地域性大掺量风积沙ECC,且可以根据工程实际需求适当调整配比。