粉煤灰掺量对HDCC力学及收缩性能的试验研究

马 东,王成生,周建国,田 砾*,王鹏刚

(1.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033;2.中交天津港湾工程设计院有限公司青岛分公司,天津 300000;3.山东路桥集团青岛分公司,山东 青岛 266033)

高延性纤维增强水泥基复合材料(HDCC)是Li基于微观力学、断裂力学和统计力学,通过调整纤维、基体和纤维-基体界面微观力学参数设计的一种纤维增强水泥基复合材料[1],因其具有应变硬化和多缝开裂特点被广泛研究和应用,尤其应用于混凝土结构修复加固、桥梁连接板、抗震结构重要节点和机场跑道等方面[2-5]。粉煤灰作为一种常见的辅助胶凝材料[6],已被广泛应用到HDCC中,通过粉煤灰取代水泥不仅可以提高HDCC材料的性能,还可以降低HDCC的生产成本。Wang等[7]研究表明,大掺量粉煤灰(粉煤灰掺量为60%)可显著降低HDCC基体的强度,获得较高的拉伸应变。Yang等[8]研究了粉煤灰掺量占胶凝材料总量75%～85%的HDCC,结果表明,90 d龄期HDCC仍能维持2%～3%的拉伸应变,且裂缝宽度显著减小。Zhu等[9-10]研究表明粉煤灰掺量为50%～80% 能显著提高HDCC的抗弯性能和细化裂缝等。然而,上述相关研究采用的是进口高强度、高弹性模量的PVA纤维或者PE纤维,导致HDCC成本较高。我国是PVA纤维生产大国,2021年我国PVA纤维产量高达100万吨。与进口纤维相比,国产PVA纤维强度和弹性模量均较低,但成本仅为进口纤维的1/5。因此,许多研究学者尝试采用国产PVA纤维制备HDCC,研究结果表明,采用国产PVA纤维同样制备出相对较好的拉伸性能和力学性能[11-14]的HDCC。然而,对HDCC的微观机理方面的相关研究尚不完善,同时HDCC收缩显著高于普通水泥基材料的问题亟待解决。针对上述问题,本文采用国产PVA纤维和大掺量粉煤灰等材料制备低收缩HDCC,系统研究粉煤灰掺量对HDCC微结构、力学及收缩性能的影响。为低成本、低收缩HDCC制备与应用提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

采用P.O 52.5水泥和Ι级低钙粉煤灰,水泥和粉煤灰的化学组成见表1。石英砂粒径为80～120目,减水剂为聚羧酸高效减水剂,减水率为30%。采用国产PVA纤维,其物理力学性能见表2。

表1 水泥和粉煤灰的化学组成(单位:%)Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash (unit: %)

表2 PVA纤维物理力学性能指标Tab.2 Physical and mechanical properties of PVA fiber

1.2 配合比

HDCC配合比和基体净浆配合比见表3和表4。其中,水胶比为0.36,粉煤灰掺量分别为水泥掺量的1.2倍、1.5倍和2.2倍,砂胶比为0.36,PVA纤维的体积掺量为2%。

表3 HDCC配合比(单位:kg/m3)Tab.3 Mix proportion of HDCC (unit: kg/m3)

表4 HDCC基体配合比(单位:kg/m3)Tab.4 Mix proportion of matrix of HDCC(unit:kg/m3)

1.3 试验方法

采用TAM air八通道等温量热仪,测试不同样品的水化热。按照表4称量各种原材料,采用净浆搅拌机搅拌,用胶头滴管将样品装入安倍瓶中,然后将安倍瓶放入等温量热仪进行测试,测试环境温度为(20±2)℃,相对湿度为60%±5%。

采用PQ001型低场核磁共振分析仪测试试样的孔结构。按照表3准备试样,试样在混凝土标准养护室(温度(20±2)℃,相对湿度≥95%)养护至14和56 d后用小锤子轻轻敲碎,取2～3 mm的碎块进行饱水处理,然后将待测试样放入LF-NMR仪器的圆柱筒中,调整好仪器相关参数进行测试。

采用FSF003高精度纤维性能测试仪进行单纤维拔出试验,按照表3配合比,试样尺寸为10 mm的立方体,纤维一端埋入基体内部1 mm,覆膜养护1 d后拆模,然后将试样放入混凝土标准养护室养护7 d后取出,待表面干燥后用AB树脂胶在纤维另一端进行纤维挂胶球处理[15]。待胶球强度达到待测强度进行试验,测试拉伸速率为3 μm/s。

抗压、抗折强度试验参照GB/T—17671《水泥胶砂强度检验方法》进行,试块成型1 d后拆模,然后放入标准养护室进行养护,之后分别测试14、28、56和90 d龄期的抗压和抗折强度。

单轴拉伸试验采用“哑铃型”试块进行拉伸性能的测试[16]。试件尺寸示意图和试验测试图如图1所示。试块成型后覆膜养护1 d后拆模、编号,将试块放入标准养护室养护28 d,到待测龄期后取出试块,并擦干表面水分,采用电子拉伸试验机进行测试,采用外接引伸计(测量标距为80 mm,最大测量变形为20 mm)同步采集纵向变形,加载方式按位移加载,加载速率为0.3 mm/min。

图1 单轴拉伸试验和试件示意图Fig.1 Schematic diagram of uniaxial tensile tests and specimens

自收缩和干收缩试验按照规范JCT/603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件,成型24 h后拆模。拆模后将自收缩试块放入恒温恒湿养护室(温度(20±2)℃,相对湿度60%±5%)静置4 h后,用铝箔纸将其全部密封,分别进行编号、标记测试方向。干燥收缩试块成型后24 h后拆模,然后将试块放入混凝土标准养护室养护至28 d,取出试块放入恒温恒湿养护室(静置4 h后,沿两个长度方向用铝箔胶带密封,只保留两个暴露面。使用标准杆调零后,将试块放在水泥砂浆比长仪上进行测试,测试结束后将试块放入恒温恒湿养护室。自收缩和干燥收缩试块分别以1和28 d的长度为初始长度,分别测试不同龄期的试块长度,通过计算得到试块收缩变形量。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对HDCC净浆水化速率的影响

与硅酸盐水泥的水化过程相似,HDCC净浆的水化反应同样包括初始期、诱导期、加速期、减速期和稳定期五个反应过程。从图2可知,随着粉煤灰掺量的增加,HDCC净浆的水化放热峰值和累计放热量均显著降低。从图2(a)可知,随着粉煤灰掺量的增加,初始期提前。产生上述的原因:当HDCC的胶凝材料用量固定不变时,随着粉煤灰掺量的增加减少了水泥用量,而粉煤灰早期不参与水化反应,相当于增大了HDCC的有效水胶比,使更多的水参与水泥初始期的水化,导致初始期提前。而诱导期、加速期、减速期和稳定期均出现明显的延迟现象。产生上述的原因:(1)粉煤灰掺量增大了有效水胶比,一方面降低了孔隙溶液的Ca2+浓度,另一方面粉煤灰颗粒对Ca2+有吸附作用,因此,Ca2+需要更长的时间达到过饱和,导致诱导期延后[18];(2)随着粉煤灰掺量的增加导致水泥用量的减少,使HDCC净浆体系水化反应生成的氢氧化钙(CH)和水化硅酸钙(C-S-H)明显减少,进而导致水化过程延迟且放热峰显著降低。从上述分析可知,随着粉煤灰掺量的增加,显著降低和延迟了HDCC的水化放热速率,从而引起HDCC净浆累计放热量的显著降低。

图2 粉煤灰掺量对HDCC净浆水化放热速率和累计放热量的影响Fig.2 Effect of fly ash amount on the heat release rate of hydration and cumulative heat release of HDCC matrix

此外,与普通硅酸盐水泥水化放热相比,在加速期新增了一个放热峰,产生的原因是与粉煤灰的矿物组成有关[17]。产生第二个放热峰的原因是由于粉煤灰中氧化铝(Al2O3)含量较高,水化反应生成的铝酸盐相与钙矾石反应形成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)有关,此过程放出一定的热量,造成加速期新放热峰的出现。

2.2 粉煤灰掺量对PVA纤维-基体界面微观力学参数的影响

图3和表5分别为单纤维拔出荷载-位移曲线和PVA纤维-基体界面微观力学参数。可以看出,粉煤灰掺量的增加引起拉伸荷载的降低,FA2.2出现了明显的荷载陡降段,该现象表示PVA纤维与基体的脱粘现象。根据文献[19]中公式,计算出化学结合能Gd、界面摩擦力τ0和滑移硬化系数β,计算结果如表5所示。由于FA1.2基体强度高,产生较大的Gd,导致纤维因较高的Gd发生断裂,使基体无法进入脱粘和滑移强化阶段。对于FA1.5和FA2.2,随着粉煤灰掺量的增加,会显著降低纤维与基体之间的化学结合能Gd、界面摩擦力τ0,但滑移硬化系数β逐渐增大。这是因为粉煤灰掺量的增加,延迟了HDCC基体的水化放热速率,导致HDCC基体强度显著降低,未水化的球状粉煤灰颗粒在基体中起到填充和润滑作用。因此,这三个微观参数的改变会使纤维在基体中由纤维拔断变为纤维拔出[19],这种变化对于提高HDCC的延性十分有利。

图3 单纤维拔出试验曲线Fig.3 Single fiber pull-out test curve

表5 PVA纤维-基体界面微观参数Tab.5 Microscopic parameters of PVA fiber-matrix interface

2.3 粉煤灰掺量对HDCC孔结构分布的影响

粉煤灰掺量对HDCC孔径分布的影响如图4所示。从图4(a)和(b)可知,随着粉煤灰掺量的增加,波峰和孔隙累计体积都增大。随着养护龄期的增加,波峰和孔隙累计体积显著降低。在14 d龄期时,曲线第一个波峰对应的孔径(最可几孔径)随着粉煤灰掺量的增加右移(FA1.2、FA1.5:20.39 nm,FA2.2:25.85 nm)。而56 d的最可几孔径分别为(FA1.2、FA1.5:19.02 nm,FA2.2:21.85 nm)。这是因为粉煤灰掺量的增加,引起HDCC内部水化产物相对稀疏,使最可几孔径右移,而随着龄期的增加,最可几孔径左移,这是因为粉煤灰的二次水化反应,生成的水化产物填充了HDCC的内部孔隙。根据研究表明[20],水泥基材料的孔结构可分为凝胶孔(<10 nm)、小毛细孔(10～50 nm)、大毛细孔(50～100 nm)以及有害孔(>100 nm)。此外,从图4(b)的孔隙累计体积曲线可计算出各种孔径的占比,如图4(c)所示。可知,随着粉煤灰掺量的增加,小毛细孔占比降低,有害孔占比增大。HDCC的总孔隙率如表6所示。很明显,随着粉煤灰掺量的增大,HDCC的总孔隙率变大。因此,粉煤灰的掺入显著改变了HDCC的内部孔隙结构,从而影响HDCC的力学和收缩变形性能。

图4 粉煤灰掺量对HDCC孔径分布的影响Fig.4 Effect of fly-ash amount on the pore distribution of HDCC

表6 HDCC孔隙率Tab.6 Porosity of HDCC

2.4 粉煤灰掺量对HDCC单轴拉伸性能的影响

HDCC单轴拉伸应力-应变曲线如图5所示。可知,所有配合比的极限拉伸应变均大于0.5%,且极限拉伸应变随着粉煤灰掺量的增加而增大。根据JC/T 2461—2018的规定,极限拉伸应变超过0.5%且裂缝宽度不超过200 μm,即为高延性纤维增强水泥基复合材料。与FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的极限拉伸应变分别提高了89%和128.7%,但极限抗拉强度随粉煤灰掺量的增加而减小,分别降低了14.6%、25.2%。HDCC多缝开裂情况如图6所示。可知,随着粉煤灰掺量的增加,HDCC多缝开裂和应变硬化特性更明显。从2.2节可知,粉煤灰掺量越大,对降低化学结合能Gd和界面摩擦力τ0越明显,基体中的纤维从纤维拔断变为纤维拔出,促进纤维-基体更好地发挥桥接作用,使HDCC的延性显著提高。

图5 HDCC单轴拉伸应力-应变曲线Fig.5 Uniaxial tensile stress-strain curve of HDCC

图6 不同粉煤灰掺量HDCC的多缝开裂情况Fig.6 Multiple cracking of HDCC with different fly-ash dosages

2.5 粉煤灰掺量对HDCC抗压强度和抗折强度的影响

HDCC的抗折强度和抗压强度如图7(a)和(b)所示。养护90 d后,与FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的抗折强度和抗压强度分别降低了8.8%、16.5%和9.6%、36%。产生上述的原因如下:(1)粉煤灰的反应活性较低,使HDCC内部反应生成的水化产物减少。(2)从表6可知,粉煤灰的掺入增大了HDCC的总孔隙率,导致抗压、抗折强度的显著降低。与28 d强度相比,三组配合比在90 d龄期的抗折强度和抗压强度分别增加了14.6%、13.4%、7%和13.9%、20.2%、27.2%。这是由于养护龄期的增加,未水化的水泥颗粒的继续水化和粉煤灰中SiO2和Al2O3与孔溶液中的Ca(OH)2发生二次火山灰反应[21],生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)填充HDCC内部孔隙。

图7 HDCC的抗折和抗压强度Fig.7 Flexural and compressive strengths of HDCC

2.6 粉煤灰掺量对HDCC自收缩和干燥收缩的影响

图8为粉煤灰掺量对HDCC收缩变形的影响。可以看出,28 d自收缩变形发展较快,且自收缩变形随龄期的增加而增大,90 d后趋于稳定,与FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d龄期自收缩分别降低了14.2%和30%。可见,随着粉煤灰的掺入可显著降低HDCC的自收缩变形。产生上述的原因如下:(1)从2.1节可知,粉煤灰掺量对HDCC净浆体系早期的水化有延迟作用,HDCC内部水分消耗量减少。由Kelvin方程可知,较高的相对湿度可降低HDCC自收缩驱动力。(2)从图5(c)可知,粉煤灰掺入减少了小毛细孔(10～50 nm)范围的孔径比例,而HDCC的自收缩变形主要与小毛细孔有关,小毛细孔径的减少是HDCC自收缩变形减小的另外一个原因。

图8 粉煤灰掺量对HDCC收缩变形的影响Fig.8 Effect of fly ash amount on shrinkage deformation of HDCC

HDCC干燥收缩曲线如图8(b)所示。与FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d干燥收缩分别降低了16.2%和36.1%。可见,随着粉煤灰掺量的增加,HDCC的干燥收缩变形显著减小。这是因为:(1)未水化的粉煤灰颗粒作为细集料,抑制了HDCC的干燥收缩变形。(2)由于外界湿度保持恒定,而HDCC内部水分向外扩散,毛细孔弯液面半径逐渐减小[22],引起干燥收缩。因此,随着粉煤灰掺量增加,水化产物的减少,导致干燥收缩因毛细失水而降低。

3 结论

1)粉煤灰掺量的增加引起水泥用量的减少,增大了体系的有效水胶比,促进初始期水泥颗粒的水化。而水泥用量的减少,导致体系更快地完成水化,使稳定期提前。此外,由于粉煤灰颗粒的稀释和吸附作用,使Ca2+浓度过饱和的时间延长,反应生成物延迟了诱导期、加速期和减速期。

2)粉煤灰掺量的增加,降低了基体的强度,引起微观力学参数的改变,促使基体中的纤维由拔断转为拔出,进而提高了HDCC延性和韧性。

3)粉煤灰掺量的增加,增加了HDCC的总孔隙率,导致了抗压、抗折强度和极限抗拉强度的降低。而小毛细孔径占比降低和内部相对湿度高引起自收缩显著降低,干燥收缩降低是未水化的粉煤灰颗粒的微集料效应和水化产物减少毛细失水降低引起的。