硅灰摻量對ECC 材料性能的影響研究

何華庭 李庚英 張 敏 王海洋

（華南農業大學水利與土木工程學院）

0 引言

硅灰是一種粒徑非常細的無機非金屬粉末狀的材料，平均小于0.1μm，在冶煉硅鐵合金或工業金屬硅的過程中，排放的煙氣主要包括氣態Si 和SiO，通過與O2發生反應后形成細球型粉體[1-2]。為實現國家的可持續發展，減少建筑行業對環境的嚴重污染，作為常見的工業廢渣，硅灰與粉煤灰、礦渣粉一樣可以有效收集并合理利用，作為礦物膠凝材料應用于混凝土的拌和中，充分填補混凝土材料內部空隙，一定程度上提高其密實性、流動性和強度性能，保證工程質量和結構使用壽命[3-6]。因此，可將硅灰摻入混凝土中作為增強其性能的成分，重點研究硅灰摻量對纖維混凝土性能的影響。

普通混凝土在結構上的應用與發展受到了自重大、韌性差、抗拉強度低等缺陷的限制，在混凝土中添加適量纖維配置纖維混凝土是目前提高混凝土材料韌性以及耐久性最有效的方法，鋼纖維、聚丙烯纖維（pp）和聚乙烯醇（pva）纖維作為增韌纖維材料已經獲得大量的研究和成果[7-8]。

高韌性水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites ECC)是指一種特殊的、高性能的纖維增強水泥材料。它是上世紀90 年代由美國密歇根大學Victor C.Li 教授團隊設計纖維配比和材料硬化性質并成功制備的一種新材料[9-10]。該材料通常采用短纖維來增強性能，而且纖維摻量不得高于復合材料總體積的2.5%，具有明顯的裂縫及應變特征[11]。ECC 的膠凝材料一般采用普通硅酸鹽水泥與粉煤灰兩種材料，以精細石英砂作為細骨料，摻特定纖維、外加劑和水攪拌而成，通常使用的外加劑有減水劑、增稠劑、消泡劑等[12]。ECC材料是基于微觀力學和斷裂力學理論進行設計的，通過調整纖維、從質以及纖維與基質界面性能等手段來調整設計ECC 材料的力學性能[13-14]。

本試驗采用硅灰對ECC 材料進行改性，設計混凝土配合比，分析不同摻量硅灰替代部分粉煤灰對ECC 材料力學性能的影響，為ECC 材料在實際工程中抗裂縫、抗滲等方面的進一步研究提供依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

水泥為廣州石井水泥公司生產的P·O42.5 級水泥，性能指標見表1；硅灰的SiO2含量約為84%，比表面積約為20m2/g，如圖1；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，45μm 方孔篩篩余7.2%；細骨料為粒徑2.36mm 以下的河砂；外加劑為聚羧酸高效減水劑，減水約為35%；摻量纖維主要為聚乙烯醇纖維，性能指標見表2。

表1 水泥基本物理性能

表2 PVA 纖維性能指標

圖1 硅灰樣圖

1.2 試驗配合比設計

為研究不同硅灰摻量對水泥基復合材料性能的影響，本試驗膠凝材料總量不變，水膠比為0.26，PVA 纖維體積摻量為2.0%，采用硅灰替代部分粉煤灰和水泥，其中硅灰摻量分別為0%、2%、5%、8%、10%，設計不同配合比。本試驗分為4 組試件，每組3 塊ECC 材料試件，具體配合比特征見表3 所示。

表3 ECC 試驗配合比

1.3 試驗方法

預先將干料（水泥、粉煤灰、硅灰、河砂）攪拌2min，然后加入1/2 的水濕拌2min，再把剩余的水倒入攪拌8min，最后將聚乙烯醇纖維緩緩均勻撒入攪拌桶，攪拌6min 后倒出裝模，將漿體上部抹平，在高頻震動臺上振動1min 后取下，自然成型后脫模，并在溫度為20℃±2℃、相對濕度為95%以上的養護條件下標準養護7 天和28 天。

本試驗過程依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420-2020）和《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419-2005）規定進行，測定新拌ECC 的流動度、抗壓強度和抗折強度，其中抗壓試驗采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體試件，抗折試驗采用尺寸為40mm×40mm×160mm 的試件,每組試塊測得數據后換算為標準試件強度[15-16]。

2 試驗結果分析

2.1 ECC 流動度測試結果與分析

從圖2 可以看出，隨著硅灰摻量從0 增加至10%，流動度值由169mm 減小至125mm，下降幅度達20%以上。可見隨著硅灰摻量的增加，新拌的ECC 流動度呈下降趨勢。根據硅灰摻量對材料流動度的影響，為保證混凝土的流動性和后期強度，其摻量不宜過大，硅灰的最佳摻量宜控制在2%～5%范圍內。

圖2 ECC 流動度隨硅灰摻量變化圖

2.2 抗壓性能試驗結果與分析

硅灰的摻入在一定程度上替代部分膠凝材料，均勻分散填充水泥基復合材料的孔隙，提高結構整體密實度。同時硅灰中的SiO2與水泥水化作用產生的Ca(OH)2發生二次反應，產生具有膠凝性的水化硅酸鈣，改善混凝土性能，增加ECC 結構強度[17-19]。

圖3 是不同硅灰摻量、不同齡期（7 天、28 天）的ECC 試塊在抗壓試驗中的測試結果。結果表明，當硅灰摻量從0 分別增加到2%、5%、8%、10%時，7 天抗壓強度分別增加了37.4%、46.2%、71.8%、78.0%，28 天抗壓強度分別增加了38.5%、55.9%、65.4%、69.0%。相比于未摻入硅灰的P1 組，其他試驗組的抗壓強度均增加30%以上，隨著硅灰總量的增加，ECC 材料強度普遍提高。其中從0至8%摻量時，同齡期強度增加尤為顯著，而8%至10%范圍內ECC 抗壓強度增幅不大。因此，較高摻量硅灰會影響ECC 材料的工作性能和工程造價，應將硅灰摻量控制在8%以下的合理范圍。

圖3 硅灰摻量對ECC 抗壓強度的影響

2.3 抗折性能試驗結果與分析

如圖4 所示，隨著硅灰摻量增加，抗折強度先增加后降低，總體變化不大，說明硅灰摻量對ECC 抗折強度影響不明顯。結果表明，硅灰摻量在2%至5%之間的混凝土抗折強度較好，而硅灰摻量較大（5%以上）容易導致復合材料抑制多裂縫開展能力降低，影響ECC 材料的韌性，一定程度上抑制了抗折強度，故控制適量的硅灰摻入能夠有效發揮ECC 的韌性，改進材料性能。

圖4 硅灰摻量對ECC 抗折強度的影響

3 結論

⑴硅灰的摻入使得粉煤灰降低水泥基體強度的劣勢得到很大緩解，未摻硅灰的PVA-ECC 材料的抗壓強度較低，但隨著硅灰含量的增加，改善材料內部結構，ECC試件的極限抗壓強度提升顯著。

⑵根據試驗結果可知，硅灰摻量過大不利于ECC 材料的流動度和抗折強度，即不但會在一定程度上降低其流動性，還會使得基體抑制開裂能力下降，影響抗折強度的發揮。

⑶合理優化調整膠凝材料的摻量，采用適量的硅灰替代部分水泥、粉煤灰制備ECC 材料，可以有效提高ECC 材料的強度性能，實現建筑材料的可持續發展和提高工程質量。