新型水泥基復合材料力學性能的試驗研究

夏正兵，張曉宇

（江蘇城市職業學院建筑工程學院,江蘇南通 226006）

UHTCC 材料是一種復合材料，水泥基并配有短纖維以增加強度，纖維摻量一般為復合材料體積總量的2.5%以下，其最顯著的結構特征是多尺度材料，主要由凝膠空洞、孔洞缺陷、水泥水、石英砂、水泥基本體、PVA 纖維等材料構成。近幾年，國內外材料專家已進行了非常多這方面的科學探索和研究，比如PVA 增強纖維、鋼纖維材料、碳納米管纖維等[1]，主要存在的缺點是微纖維價格特別貴，造成此類材料無法大面積推廣和應用。

MS-UHTCC是水泥基復合材料的一種，此材料具有纖維增強、延性和韌性較高、應變硬化、開裂為細密多裂縫等優點[2]，此材料纖維體積摻量為1.7%時，單軸拉伸荷載試驗中表現應變硬化的優良特性，與此同時，也會出現細密多裂縫開裂情況。此外，該材料具有高延性，極限拉應變最高達7%，此指標是普通混凝土開裂時應變的300 倍左右，優越性很強[3]。

近些年來，國內外科研工作者對UHTCC 的力學性能做了非常多的研究工作，而且在部分建筑工程中進行了運用，研究結果表明UHTCC 具有抗滲性好和耐久性強等顯著優點，此材料的抗壓強度、抗折強度和彈性模量的相關參數跟普通混凝土相比，性能要好，因此它跟普通鋼筋混凝土結構相比，黏結性增強。唯一的缺點是，UHTCC 材料最主要成分之一PVA 纖維需要通過進口才能購置，因此UHTCC 材料的工程造價大約為普通混凝土材料造價的13 倍左右。作者在UHTCC 材料已有研究的基礎之上，通過購置生產成本在1000 元/噸左右的碳酸鈣晶須，摻入到UHTC 材料，對其進行改性，特別廉價。本文創新性地提出多尺度水泥基復合材料（MS-UHTCC）的基本概念，進而對該材料進行宏觀力學性能檢測并分析，研究結果表明：MS-UHTCC 復合材料比普通的UHTCC 材料相關力學性能顯著改善，再加之晶須的摻入，大大提升了UHTCC 的韌性、延性及強度，可見，運用摻入碳酸鈣晶須及國產PVA 纖維材料制作廉價MS-UHTCC 具有完全的可行性，應用前景非常廣泛。

1 試驗操作

1.1 試驗材料的配備

該試驗采用的相關原料包括42.5 級普通硅酸鹽水泥、國產粉煤灰、精細石英砂、國產PVA 纖維、進口PVA 纖維等。原材料的相應性能和化學成分分別見表1 和表2。

表1 原材料相應性能

表2 原材料相應化學成分

本試驗主要研究內容為：PVA 的摻合量、PVA的種類、晶須摻量對多尺度水泥基復合材料MS-UHTCC 的影響，本試驗基體的水膠比統一取值為0.35，砂膠比統一取值為0.45，國產粉煤灰摻量與水泥用量的質量比統一取值為4[4]。在試驗過程中，要確保基體始終保持優良的和易性，聚羧酸（常用減水劑）的摻量為0.56%[5]。試驗采用的4 組MS-UHTCC復合材料基體中纖維類型及體積用量見表3。

表3 纖維體積摻量和用量

1.2 試驗基本流程

MS-UHTCC 復合材料試驗攪拌制備流程圖見圖1。按照JSCE-2008[6]的試驗基本標準，單軸拉伸試件使用的標準試件厚度為15mm，對其測定抗拉性能。試驗采用設備為電子萬能試驗機，型號是MTS-CMT4204。

圖1 MS-UHTCC 的制備流程

2 試驗結果與分析

2.1 試驗應變強度

經過試驗測得相關數據，得出內鋼環的應變隨齡期的變化曲線見圖2～圖5。

圖2 不配筋試件內鋼環應變趨勢圖

圖3 直徑15mm 配筋試件內鋼環應變趨勢圖

圖4 直徑18mm 配筋試件內鋼環應變趨勢圖

圖5 直徑23mm 配筋試件內鋼環應變趨勢圖

依據上述四副圖可看出，四組試件內鋼環應變發展趨勢極為相似，之前的36h，混凝土的收縮變形最為劇烈，之后混凝土的收縮變形速度漸緩。

2.2 構件單軸拉伸試驗圖

進行三組配比單拉試驗，相應曲線見圖6（a）-圖6（d）。

圖6 配比不同的情況下MS-UHTCC 單軸拉伸試驗曲線圖

經過對試驗圖進行嚴密分析，可見采用廉價晶須取代PVA 纖維是可行的，并且摻入廉價晶須后，發現UHTCC 強度和延性均有所提高，混凝土裂縫變得更為細密，分布也特別均勻，性能得到改善。出現上述情況主要原因是MS-UHTCC 復合材料中一直存在PVA 和晶須兩種成分，是兩種不同尺度的纖維。晶須在試驗過程中有效地控制了基體內部的開裂，使其演變為細觀裂紋，PVA 纖維的作用是有效抑制了裂縫的大量產生。MS-UHTCC 復合材料在受力初始階段，僅僅在微觀層次產生裂紋，在微觀尺度開始起作用的是晶須，它從一開始就阻止產生裂縫并控制其發展。材料基體強弱的不同，一共分為三種機理，他們是晶須拔出、裂紋偏轉作用和裂紋沖斷作用[7]，在這三個過程中始終都存在能量消耗（見圖6）。產生的裂縫包括微觀裂紋和宏觀裂縫。正是晶須對微觀裂紋產生強烈的抑制作用，才導致復合材料與普通的水泥基材料相比，復合裂紋減少很多，即使在PVA 體積摻量減少到2%以下，MS-UHTCC 復合材料依然具有強大的應力硬化和很少的多裂縫開裂。由此可知，摻入晶須是完全可行的，完全可代替PVA 纖維。在UHTCC 復合材料基體里，孔隙是一種初始效果，對材料的穩定性具有極其重要的意義，摻入晶須可大大優化基體的孔隙分布，材料的延性、抗拉強度和抗折強度等都會得到有效提高。

3 研究結論

(1)摻入碳酸鈣晶須纖維形成MS-UHTCC 水泥基復合材料是有可行性的，完全可代替PVA 纖維，材料具有受拉應變硬化以及多裂縫的性能。

(2)摻入廉價晶須后，發現UHTCC 強度和延性均有所提高，混凝土裂縫變得更為細密，分布也特別均勻，性能得到改善。

(3)晶須對微觀裂紋產生強烈的抑制作用，才導致復合材料與普通的水泥基材料相比，復合裂紋減少。

(4）試件內鋼環應變趨勢進行對比分析，在直徑不同的情形下，齡期的發展，變形趨勢幾乎一致，即前2 天鋼筋應變劇烈，3～6 天變緩，7 天后幾乎靜止不變。