高韌性水泥基材料基本性能研究

郭 鋒，蘇 駿,2，周 翔

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2 湖北省橋梁安全監控技術與裝備工程技術研究中心，湖北 武漢 430068)

高韌性水泥基材料(High Toughness Cementitious Composites，簡稱HTCC)是具有應變硬化效應、延性好、阻裂能力強的新型建筑材料。與普通混凝土相比，HTCC具有抗拉強度高和耗能能力強等優點，具有廣泛的應用前景。鄧明科[1]研究了通過在剪力墻塑性鉸區域采用高延性水泥基復合材料來提高結構的抗剪性能；胡春紅[2]對不同類型的水泥基材料試件進行受壓性能試驗，結果發現立方體試件受壓時強度高于圓柱體試件且變形效果較好；陳升平[3]采用改變纖維摻量和配合比來研究水泥基材料力學性能試驗，結果表明纖維摻入約提高了材料抗壓強度的10%；徐世烺[4]對水泥基材料進行碳化試驗發現碳化深度與C40混凝土相當，但裂縫控制均在100 μm以下。通過改性PVA纖維來增大纖維與基體之間摩擦力能夠顯著提高復合材料的力學性能[5-7]。蔡向榮[8]研究了超高韌性水泥基復合材料的拉彎性能，對其應變硬化過程進行理論分析并得到了相應的理論模型。綜上可知高韌性水泥基材料可以提高結構和構件力學性能，研究不同摻量下其力學性質具有極其重要的實際意義。

1 試驗概況

1.1 試件制作與配合比

本試驗所使用的高韌性水泥基材料主要組成成分為：華新水泥鄂州有限公司制造生產的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)、Ⅰ級粉煤灰、精細沙(最大粒徑1.30)、日本Kuraray公司生產的PVA纖維，聚羧酸粉末減水劑。以高韌性水泥基材料抗壓強度、纖維摻量、養護時間為設計參數，共設計5組試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試件制作時采用后摻法以保證纖維的分散性、親水性充分發揮其阻裂增強增韌效果。試件采用標準條件養護[9]。纖維基本參數如表1所示，配合比如表2所示。

表1 PVA纖維基本參數

表2 試驗材料配合比 kg/m3

1.2 抗壓試驗加載方式

高韌性水泥基材料立方體試塊抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081)[10]進行測試。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；采用微機控制電液伺服試驗機對試件進行均勻連續加載，峰值荷載出現之前采用位移控制，加載速率為0.1 mm/min，峰值荷載之后改為應力控制，加載速率為0.3 MPa/s，直至試驗破壞。立方體抗壓強度按每組的結果取三個試件測定的算術平均值。

式中：fcu為高韌性水泥基材料立方體抗壓強度，MPa；Fmax為試驗測得峰值荷載，kN；A為立方體試塊受力面積,mm2。

1.2.1 試件破壞形態圖1是不同纖維摻量的試件破壞形態，圖2為不同纖維摻量試件的荷載位移曲線圖，觀察分析可知，相比于普通混凝土，破壞過程為：荷載加載初期，荷載成線性增加，隨著荷載的增加，試塊由底部出現細微裂縫，緩緩上移，直至破壞，破壞時出現“嘭”聲。對比摻加纖維后，基體破壞面出現絲狀纖維拔出，試件表面有破皮、剝落，出現“藕斷絲連”的狀態。相比普通混凝土試塊，高韌性水泥基材料的整體性較好，纖維在基體中發揮橋接作用，破壞時產生良好的延性變形。

高韌性水泥基材料受壓破壞過程與基準試件(纖維摻量0)有明顯區別。試驗過程中上下加載板使得立方體試件上表面和下表面形成 “套箍”約束作用。基準混凝土受壓時邊角形成斜裂縫，試件中部豎向裂縫逐漸發展為八字形，中部混凝土開始外突剝落，破壞時上下邊緣剝離，混凝土逐漸呈現錐字形。只有基準試件破壞后碎裂成若干部分，破壞過程明顯屬于脆性破壞。

圖1 試塊破壞形態

圖2 荷載位移曲線圖

高韌性水泥基材料立方體受壓破壞過程中由于纖維的增韌、阻裂作用，基體的韌性明顯增強。由于纖維在混凝土中的亂象分布，當荷載增加到破壞荷載的50%左右時，試件局部才出現微裂縫，隨著荷載的增加，豎向裂縫逐漸向兩端延伸，并在周圍出現新的斜裂縫，斜裂縫縱向延伸交叉，最后部分裂縫上下貫穿，承載力開始降低，試件發生破壞，破壞后能夠保持較好的完整性，且具備較高的殘余抗壓強度。高韌性水泥基材料立方體試塊隨著纖維摻量的增加，纖維的增韌和阻裂效果逐漸增強，纖維摻量從0.5%增加到2.0%，峰值荷載較基準試件后移。試件破壞時裂縫更細密。

1.2.2 試件破壞機理分析高韌性水泥基材料受壓時內部微裂縫沿著骨料與砂漿界面形成，當受到應力作用時，微裂縫開始拓展并延伸，最后形成宏觀裂縫。加入PVA纖維后，PVA纖維與混凝土接觸面結合形成錨固作用，使得材料在受到豎向荷載加載時的能量被纖維與基體間的粘結力所吸收，從而增加了整體抵抗變形的能力。PVA纖維彈性模量很高，高韌性水泥基材料內部存在大量交錯分布的PVA纖維。纖維的存在在基體內部構成大量的 “短鋼筋”，加入纖維后高韌性水泥基材料初裂時會受到纖維的束縛作用，從而延緩了裂縫的延伸和發展。試件破壞過程中，塑性變形逐漸增大，從端部的裂縫中可以看到纖維拔出，裂縫增多的過程會產生更多纖維被拔斷，從而斷裂釋放能量。應當注意的是：當纖維摻量達到2.0%時，高韌性水泥基材料立方體抗壓強度較1.5%時有所降低。產生的原因可能是當纖維摻量過大時，基體內的纖維結團導致攪拌不均勻，材料內部存在氣泡、空洞所引起的。受壓時由于纖維的體積增大，豎向荷載下基體內部的細微空隙降低了密實度，從而削弱了材料的抗壓強度。

圖3給出不同纖維摻量與不同養護時間下高韌性水泥基材料的抗壓強度變化趨勢，實驗測得抗壓強度如表3所示。結果表明：

1)試件抗壓強度前期均隨養護時間的增加而增大。當養護時間到達一定時間時，抗壓強度到達峰值強度后開始有下降趨勢。

(a)相同齡期

(b)相同摻量圖 3 高韌性水泥基材料立方體抗壓強度變化趨勢

表3 高韌性水泥基材料抗壓強度

2)對于纖維摻量不同的試件7 d養護時間下，PVA纖維摻量為1.5%時其抗壓強度最高，相比基準混凝土提高20.08%；摻量為2.0%時強度最低，且低于基準混凝土。總體趨勢均為養護時間為28 d左右時強度最大，當纖維摻量越高時養護時間需要越久。

3)纖維摻量適當的增加可以提高混凝土的抗壓強度，超過一定范圍時，其抗壓強度會隨纖維的增加而降低。分析原因為：一方面纖維的摻入，相當于使得基體內部增加了大量的“鋼筋”，“鋼筋”的存在發揮了橋接作用并阻止裂縫的產生；另一方面，當纖維超過一定的含量時，基體的密實度降低均勻性減小，從而降低了抗壓強度。

4)養護時間的增加可以提高纖維水泥基材料的抗壓強度，當纖維摻量為1.0%時，適當養護超過28 d可以提高其抗壓能力；當纖維摻量為1.5%時，養護時間延長其抗壓強度稍有降低。

2 高韌性水泥基材料抗折試驗

2.1 試驗概況

對高韌性水泥基材料棱柱體試塊抗折強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081)[10]進行測試。試驗采用微機控制電液伺服試驗機，對試件進行均勻連續的加載，加載速率為0.05 MPa/s，直至試驗破壞。試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件和加載裝置示意如圖4所示。

高韌性水泥基材料抗折強度按下式進行計算，每組的結果取三個試件的算術平均值[11]。

式中：F為高韌性水泥基材料極限荷載,N；L為底端支座間距離,mm；b為試件截面寬度,mm；h為試件截面高度,mm。

圖4 抗折強度試驗示意圖

2.2 試驗結果

試驗得到不同纖維摻量的高韌性水泥基材料抗折強度如表4所示。

表4 高韌性水泥基材料抗折強度

從表4中可以看出：

1)基準混凝土抗折強度與齡期之間近似呈線性關系，基準混凝土在養護前期，抗折強度提高較快，后期變化緩慢。

2)相同養護齡期下,抗折強度隨纖維摻量的增加而增加。其中纖維摻量為1.5%時變化最顯著。當纖維摻量為2.0%時,在養護時間為14 d情況下測得抗折強度稍低于養護時間為7 d的抗折強度。

2.3 試驗結果與分析

1)高韌性水泥基材料的抗折強度與纖維摻量之間關系如圖5所示。當纖維摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，抗折強度均隨養護齡期的增加而增加，但增加速率并不相同。其中，基準混凝土的抗折強度與養護時間近似呈線性關系，養護時間為28 d時抗折強度為4.64 MPa，隨著養護時間的增加35 d抗折強度為5.21 MPa。

(a)相同齡期

(b)相同摻量圖 5 不同養護時間下抗折強度趨勢

2)纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，試件在7 d養護下抗折強度相對于基準混凝土提高了61.40%、76.90%、92.95%、111.26%；14 d養護條件下提高了52.42%、60.19%、67.47%、74.75%：28 d養護條件下提高了54.09%、66.81%、76.72%、104.74%；35 d養護條件下提高了50.67%、52.59%、83.30%、92.32%。

3)纖維摻量在0～1.5%之間時，抗折強度增加最為顯著。養護時間的增加能夠有效提高試件的抗折強度，分析原因可能是試件在達到荷載極限時，基體內的纖維在裂縫處起到橋接作用，阻止了裂縫的延續，從而提高了試件的抗折性能。

3 結論

通過對5組不同養護齡期與纖維摻量的高韌性水泥基材料進行標準抗壓與抗折試驗研究，并與基準混凝土試塊對比，得到相關結論如下：

1)高韌性水泥基材料內部隨機分布的PVA纖維能夠有效束縛裂縫的發展，使得試塊抗壓強度與基準混凝土試塊相比能有較大的提高，破壞后裂縫細密，呈延性破壞。

2)纖維摻量的改變對高韌性水泥基材料的抗壓強度影響較大。在纖維摻量為0～1.5%之間時，纖維摻量的增加顯著提高基體的抗壓強度；當纖維摻量超過1.5%時，基體的抗壓強度則有所降低。

3)高韌性水泥基材料不同纖維摻量的養護時間差別不大。前期抗壓強度隨養護齡期增加顯著，抗壓強度提升較大，后期緩慢。建議纖維摻量為1.0%時養護時間不宜過大，纖維摻量為1.0%～2.0%時適當提高養護時間。

4)在摻量為0～2.0%之間時高韌性水泥基材料抗折強度隨纖維含量的增加而增加。

5)纖維摻量的增加和養護齡期對抗折強度的變化影響最為顯著，纖維摻量為2.0%時，養護齡期對抗折強度影響最大。