配合比對PVA-FRCC 長期自生收縮性能的影響

王玉清， 劉 瀟， 劉曙光， 孟蘇牙拉吐

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學礦業學院，內蒙古呼和浩特 010051）

收縮是水泥基材料的一個重要性質，其中化學收縮與自收縮（也稱自干燥）［1］由于很難分離，故將二者合并統稱為自生收縮［2］.高性能水泥基材料的水膠比普遍較低，且高效減水劑的摻入使膠凝材料水化不充分，孔隙壓力大，自生收縮增加，從而使總收縮增大［3］，易在構件中引起收縮裂縫.Zhang 等［4］指出高強混凝土的自生收縮是總收縮的重要部分，甚至是主要部分. Ma 等［5］認為高性能混凝土的自生收縮比普通混凝土大，易導致構件開裂，因此自生收縮成為限制高性能混凝土廣泛應用的問題之一.

在高性能水泥基材料的自生收縮研究中，Saje等［6］發現高性能混凝土的水膠比越小，其總收縮和自生收縮越大.Ma等［5］研究發現高性能混凝土的自生收縮率隨碳纖維摻量增加而降低.Meng等［7］發現聚乙烯醇（PVA）纖維可顯著降低材料的自生收縮.水亮亮［8］研究表明摻加鋼纖維可有效降低材料的收縮量.馬一平等［9］研究了低摻量聚丙烯纖維對水泥砂漿塑性收縮率的影響，結果表明聚丙烯纖維對水泥砂漿塑性收縮率有限制作用，且纖維參數對其影響較大.施韜等［10］研究發現碳納米管的摻入可有效抑制水泥基材料的自生收縮.對于PVA 纖維增強水泥基復合材料（PVA-FRCC），目前對其干燥收縮［11］和總收縮［12］有一定的研究，但對其自生收縮性能的研究鮮見報道.

基于此，本文研究了PVA 纖維體積分數（φPVA）、水膠比（mW/mB）、砂膠比（mS/mB）對PVA-FRCC 自生收縮性能的影響，以期確定其較優配合比，并提出減縮抗裂措施，為PVA-FRCC 的后續研究及工程應用提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

呼和浩特市冀東水泥廠生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥（C）；鄂爾多斯達茂旗煤電廠生產的Ⅰ級粉煤灰（CA）；包頭明商環保科技有限公司生產的優質硅灰（SF）；細骨料（S）為包頭固陽縣生產的粒徑為75～109 μm 精選優質石英精粉；纖維為日本Kuraray公司生產的REC15 型PVA 纖維，其參數見表1；改性聚羧酸高效減水劑（WR）為Sika Visco Crete 3301E；水泥砂漿體系高效消泡劑（D）；增稠劑（TA）主要成分為羥丙甲基纖維素.

表1 PVA 纖維參數Table 1 Parameters of PVA fiber

1.2 試件設計

本文試件不含粗骨料，故參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行設計，共設計12 組尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件，每組6個試件，其中3個試件進行密封，用于測試自生收縮，另外3個試件不密封，用于測試總收縮，測試結果均取平均值.同時，每組制作3個70.7 mm×70.7 mm×70.7mm的立方體試件，用于測試材料28 d標準養護條件下的立方體抗壓強度fcu.試件配合比設計中，考慮滿足綜合性能較優和高強、高應變硬化特性2 種需求［13］，配置了高水膠比/高砂膠比（HW/HS）和低水膠比/低砂膠比（LW/LS）2 類試件.PVA-FRCC 的配合比見表2，表中：S-0-0.55-0.8（對照組）表示PVA 纖維的體積分數為0%、水膠比為0.55、砂膠比為0.8 的PVA-FRCC 試 件，其 他 類 推；S-1.5-0.35-0.3 和S-1.5-0.25-0.3 為LW/LS 組試件，其他試件為HW/HS 組試件.

表2 PVA-FRCC 的配合比Table 2 Mix proportions of PVA-FRCC

1.3 試驗方法

收縮試驗采用SP-175型立式砂漿收縮儀，讀數儀為數顯千分表，測量精度為0.001 mm.收縮試驗方法參考JGJ/T 70-2009 進行.所有試件養護至48 h 拆模，立即測量各試件的初始長度后，將需要密封的試件快速裝入塑料袋進行真空密封，且非密封與密封試件同時放置于相同實驗室環境中（環境溫度為（20±5）℃、相對濕度為（30±10）%）.待試件分批養護至齡期ts=28、56、90、140 d 時，對密封試件解除密封裝置后立即進行自生收縮（εa）測試，同時測試與其對應的非密封試件總收縮（εt）.解除密封試件繼續放置于實驗室環境，并在解除密封后t'=1、3、5、7、14、28、56、90、140、180、270、360 d 時測試其總收縮，總收縮對應的時間t為ts與t'之和.

2 自生收縮性能分析

2.1 PVA 纖維體積分數對自生收縮的影響

圖1為不同PVA纖維體積分數PVA-FRCC試件的自生收縮和自生收縮占比（自生收縮/總收縮，εa/εt）.

由圖1 可見：PVA-FRCC 的自生收縮隨齡期的增加而增大，且由于前期水化反應劇烈，自生收縮前期增長速率快而后期增長速率慢，5 組試件28 d 的自生收縮占140 d 的63.2%～64.9%；與對照組相比，摻入PVA 纖維后，PVA-FRCC 的自生收縮和總收縮分別降低了2.5%～4.2%、9.3%～14.9%，可見PVA 纖維對降低自生收縮的作用較小，而對降低總收縮的作用較大.分析其原因，PVA 纖維對水泥基材料收縮的影響有以下幾個方面：（1）纖維分散在水泥基材料中，阻礙了水泥漿凝結硬化時的回縮，自生收縮和總收縮均減??；（2）PVA 纖維表面吸附大量的水，當水泥基材料內部相對濕度降低時，纖維通過釋放自身吸附的水分延緩內部相對濕度的下降，起到內養護作用，從而促進水泥水化反應，自生收縮增大；（3）纖維的存在使纖維與水泥基材料間形成更多孔隙，增加了水分遷移的通道，有更多水分蒸發散失，干燥收縮增大，從而使總收縮增大；（4）加入纖維后，水泥漿的有效水灰比降低，初始孔結構細化，毛細管張力增大，宏觀收縮應力提高，自干燥增加，自生收縮增大；同時，有效水灰比的降低使得用于水化反應的水減少，毛細管連通性下降，阻礙了水分遷移，干燥收縮減小，總收縮減??；（5）加入纖維后，單位體積膠凝材料減少，化學收縮減小，自生收縮減小，但由于纖維體積分數較小，故此影響較小.綜上，PVA 纖維對水泥基材料自生收縮和總收縮的正、負影響同時存在，最終表現為PVA 纖維對自生收縮和總收縮均有降低作用，但對降低自生收縮的作用較小，對降低總收縮的作用較大.

圖1 不同PVA 纖維體積分數PVA-FRCC 試件的自生收縮和自生收縮/總收縮Fig.1 εa and εa/εt of PVA-FRCC specimens with different φPVA

由圖1（b）可見，試件的自生收縮占比（εa/εt）均隨著齡期的增加而增大.原因是非密封情況下，前期試件的干燥收縮與自生收縮均增長較快，但前者增長速率快于后者，且干燥收縮在總收縮中占比較高，對總收縮的影響更顯著，其快速增長引起總收縮快速增長，故初期εa/εt較??；隨著齡期的增加，雖然總收縮和自生收縮的增長速率均下降，但由于密封試件內部水分較充足，水化作用可以在較長時間內進行，中后期自生收縮的增長速率快于總收縮，故εa/εt增大. 對于非密封試件，雖然還存在碳化收縮的影響，但與干燥收縮及自生收縮相比，其對總收縮影響甚微，且碳化作用對各非密封試件總收縮的影響一致，不會改變各組試件εa/εt的相對關系，故忽略其影響.相同齡期時，隨PVA 纖維體積分數的增大，εa/εt增大，但增大幅度較小.

2.2 水膠比和砂膠比對自生收縮的影響

水膠比和砂膠比影響PVA-FRCC 中各材料占比，從而影響水化反應量，引起化學收縮和自收縮發生改變；同時，水量改變會影響干燥收縮量，砂量的改變會使砂對水泥基材料收縮的阻礙作用發生變化［4］.不同水膠比、砂膠比PVA-FRCC 試件自生收縮和自生收縮占比（εa/εt）見圖2. 由圖2 可見：隨著齡期的增加，PVA-FRCC 試件的εa增大；LW/LS 組試件的εa和εa/εt在56～140 d 齡期時均高于HW/HS 組試件，與高性能混凝土自生收縮性能一致［14-15］，這是因為LW/LS 試件水泥用量大，水化反應總量較大，引起的化學收縮較大，且由于水化反應消耗水較多，毛細管作用較強，干燥收縮也較大，且LW/LS 試件砂的用量較少，其對自生收縮的阻礙作用較小.

由圖2（a）可見，當砂膠比一定、水膠比在小范圍內增大時，εa增大. 這是因為水膠比增大對PVA-FRCC 試件自生收縮有兩方面的影響：（1）水膠比增大，所用膠凝材料減少，水化反應量減少，εa減?。唬?）水膠比增大，試件密實度降低，毛細管孔徑增大，且PVA 纖維的存在也使材料內部孔隙增加，對水分攜帶、運輸作用增強，從而使水分向反應區遷移更加容易，同時PVA 纖維通過釋放自身吸附的水為周圍膠凝材料提供水分，提高了膠凝材料的水化程度，產生較大的化學收縮，當外部水大量消耗時，毛細孔中的水分快速遷移供水泥進行水化反應，使自干燥增加.當水膠比在小范圍內變化時，第2 種作用更強，所以εa增大.這種現象在純水泥材料中一般不會出現，但會在纖維增強水泥基復合材料中出現，其原因在于纖維的摻入改變了材料內部的孔隙結構，進而改變了水分運動的方式與程度，最終導致材料的收縮特性發生改變.另外，砂膠比一定、水膠比在小范圍內增大時，εa在早齡期時增加幅度較大；當砂膠比為0.8 時，隨著齡期的增加，εa的增加幅度隨水膠比增大而下降.這是因為前期水化反應較充分，水膠比對εa的影響較大，而到了后期，水化反應基本進行完畢，水泥石結構已形成，不易產生變形，水膠比對εa的影響下降.由于砂對水泥基材料早期收縮的限制作用，當水膠比一定時，εa隨砂膠比的增大而減小，且早齡期時影響較大.以28 d 齡期為例，砂膠比由0.8 提高到1.1 時，水膠比為0.55、0.50、0.45 試件的εa分別下降了23.53%、16.88%、25.07%.

圖2 不同水膠比、砂膠比PVA-FRCC 試件自生收縮和自生收縮/總收縮Fig.2 εa and εa/εt of PVA-FRCC specimens with different mW/mB and mS/mB

由圖2（b）可見：LW/LS 試件的εa/εt隨齡期增加呈先增大后降低的趨勢，在28～56 d，εa有一定的增長，但總收縮增長極其緩慢；后期εa增長速率下降較快，εa/εt降低；HW/HS 試件εa/εt隨齡期的增加呈線性增大；水膠比較小的試件εa/εt隨齡期增加較快，水膠比較大的試件相反，這與文獻［16］結論一致.分析其原因：水膠比較小試件的內部毛細孔隙率低、孔徑小，早期水分無法快速向反應區遷移，導致反應區水量少，膠凝材料水化程度低，故εa/εt較小；中后期，試件中水分逐漸遷移，未水化的膠凝材料在較長時間內仍然可以緩慢吸收毛細管中的水分進行水化反應，后期水化反應量較大，εa/εt較大.對于砂膠比較小的試件，其εa/εt早期相對較大、后期相對較小，砂膠比較大的試件正好相反.其原因為：早期砂膠比較大試件的單位體積膠凝材料較少，發生的化學收縮較小，且砂對材料內部水分遷移的阻礙作用較強，自干燥較小，故εa較小，且此時材料中水泥基相的彈性模量較小，砂對水泥基相收縮變形的約束作用較強，故早期εa/εt較??；隨著齡期的增加，水泥基相的彈性模量逐漸增大，砂對收縮變形的約束作用降低，εa的增長速率較快，故εa/εt增長較快.

2.3 自生收縮與水泥基材料強度的關系

已有混凝土收縮預測模型中收縮與材料強度存在一定關系［17-19］，故本文進行了二者之間關系的研究.圖3 為不同強度水泥基材料的自生收縮，圖中水泥基材料強度基本涵蓋了大部分實際工程的需要.由圖3 可見：相同齡期下，強度較大和較小的試件自生收縮εa較大，強度居中試件（S-1.5-0.45-1.1）的εa卻最??；試件S-1.5-0.25-0.3 的強度是S-1.5-0.55-0.8 的2.60 倍，但密封140 d 時εa相差較小，前者的εa僅比后者高13.00%.這是因為強度居中的試件水膠比適中，砂膠比較大，故水化反應量適中，且較大量的砂與PVA 纖維有效地限制了其自生收縮；而強度較高的試件砂膠比較小，少量的砂無法有效限制水化反應引起的自生收縮.

圖3 不同強度水泥基材料的自生收縮Fig.3 εa of specimens with different strength of base material

由上述試驗結果及分析可知，強度的影響歸根結底是配合比的影響.在實際應用中，根據具體工程的需要，通過合理選擇配合比可取得較小收縮與較大強度的統一.

2.4 初始測試時間對自生收縮的影響

已有研究表明，低水膠比材料的收縮中自生收縮 占 比 顯 著［6，20］，而 本 文 試 驗 中εa/εt在11.97%～32.03%，雖高于普通混凝土，但總體上εa/εt較小.實際工程中，試件自然干燥收縮非常嚴重，與密封試件相比，雖然自干燥有所增加，但由于供水化反應的水量減少，使化學收縮減少，所以自然環境中構件εa/εt可能更低.對本試驗全過程和方法進行分析，出現以上現象的原因有以下2 點：（1）本文試驗中大部分試件水膠比較高，接近普通混凝土的水膠比，所以εa/εt較??；（2）本文試驗方法參考JGJ/T 70-2009 進行，對收縮的測試從初凝之后2 d 開始，對前2 d 之內發生的收縮未進行統計，而最初的2 d 中材料水分充足，自生收縮發生速率最快，故對最初2 d 未進行收縮測試也造成了本次試驗自生收縮的偏低. 然而目前不同規范和標準對收縮初始測試時間的規定不同：GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定初始測試在拆模后標準養護3 d 時進行；DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》規定初始測試時間為成型后帶模養護2 d；JTJ E30-2001《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》規定帶模標準養護到3 d 時進行初始測試；RILEM聯合會推薦標準規定標準養護（24±4）h 拆模后立即進行初始測試；日本JIS-1129-2010《Methods of measurement for length change of mortar and concrete》規定試件成型后1 d 進行初始測試；美國ASTM C157/C157M-2017《Standard test method for length change of hardened hydraulic-cement mortar and concrete》規定試件成型1 d 后拆模，浸入23 ℃飽和石灰水中，放置30 min 后測量試件初始長度［14］.各規范規定的初始測試時間普遍較晚且各不相同，導致試驗結果不能真實反映材料的收縮性能，使不同研究結果間無法進行對比.高原等［3］認為應該將混凝土凝結時間作為其收縮測量的初始時間，此時為混凝土由流態向固態的轉變點，是混凝土膨脹變形向收縮變形轉變的臨界點，此后混凝土中將產生收縮應力.本文作者同意該觀點，認為應將水泥基材料凝結時間作為其收縮初始測試時間，這樣可測得超早期收縮應變，從而可測得全部收縮.

3 解除密封后的總收縮發展

解除密封后試件的收縮-時間曲線見圖4.由圖4 可見：解除密封后試件的總收縮發展經歷了3個階段，前期曲線斜率很大，說明在解除密封初期試件濕度仍較高，水分的快速蒸發導致大量干燥收縮發生，使總收縮增加，隨著時間的增加，收縮速率逐漸減小，最后趨于收斂；解除密封后，前期密封時間較長的試件總收縮均比非密封試件小，是因為長時間密封的試件前期水化反應耗水量較大，解除密封后發生的干燥收縮較少，因此其總收縮較小.

圖4 解除密封后試件的總收縮-時間曲線Fig.4 εt-t curves of specimens after unsealing

由圖4 還可見，除S-1.5-0.45-1.1 試件外，HW/HS 試件在密封28 d、解除密封后60～360 d 期間的總收縮均高于非密封試件.這可能是因為：密封試件在前期密封28 d 期間，水化反應比非密封試件更充足，產生了較大的自生收縮；水膠比較大時，解除密封后試件會在短時間內產生較大的干燥收縮，此時若試件砂膠比不是足夠大，砂對收縮的限制作用較弱，使其總收縮增大；非密封試件一直暴露于空氣中，早期碳化作用產生的CaCO3沉淀物充塞于毛細孔中，給內部水分遷移造成困難，阻礙了水分的蒸發，使干燥收縮和自干燥收縮均小于密封試件，故總收縮較小.LW/LS 的2 組試件含水量較少，在密封期內大部分水用于水化反應，解除密封后干燥收縮較小，故解除密封后總收縮一直遠小于非密封試件，前期密封28、140 d 的S-1.5-0.35-0.3 試件在解密封360 d 時的總收縮分別是未密封試件的65.8%和62.1%.由此可見，對于水膠比較小的試件，采取前期密封養護會大幅減小其總收縮.實際工程中，如在早期采取覆蓋塑料膜等方法對材料進行一定時間的養護，將有效減小其總收縮，從而減輕收縮裂縫，且密封28 d 與140 d對PVA-FRCC 收縮的減小作用相差不多，故實際工程中在試件澆筑完畢后覆蓋塑料膜養護28 d 即可達到較好的減收縮效果.

4 結論

（1）摻入PVA 纖維可降低水泥基材料的自生收縮，但幅度較小，降低程度在2.5%～4.2%；PVA 纖維對PVA-FRCC 自生收縮的影響程度小于對總收縮的影響.

（2）低水膠比/低砂膠比試件的自生收縮大于高水膠比/高砂膠比試件；當水膠比在小范圍內變化時，PVA-FRCC 的自生收縮隨水膠比的增大而增大，隨砂膠比增大而降低；早齡期時水膠比與砂膠比對材料自生收縮的影響較大，晚齡期時影響較小.

（3）高水膠比/高砂膠比試件自生收縮占比（εa/εt）隨齡期的增加而提高，低水膠比/低砂膠比試件εa/εt隨齡期的增加先提高后降低；水膠比較小或砂膠比較大的試件εa/εt增長速度較快，反之則較慢. 本文中PVA-FRCC 材料的自生收縮占比較小，主要原因是初始測試時間較晚.

（4）水泥基材料強度較大或較小時，其自生收縮較大，可根據具體工程的實際需要，通過合理選擇配合比可取得較小收縮與較大強度的統一.

（5）解除密封后，高水膠比/高砂膠比試件仍可發生較大的總收縮，低水膠比/低砂膠比試件則總收縮較小.