自密實混凝土等效砂漿多組分協同增韌試驗研究

葛飛，唐卓，程智清, ，楊愷，趙洪，龍廣成

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.云南省交通科學研究院有限公司，云南 昆明 650011)

混凝土是現代工程建設中用量最大的建筑材料，由于其脆性大、韌性差[1]，混凝土開裂現象屢見不鮮。開裂問題不僅影響建筑物的美觀，而且會加速其自身性能劣化和內部鋼筋銹蝕，大幅度降低結構安全性和建筑物的服役壽命[2]。隨著現代土木工程向超高、大跨度、高耐久性和綠色低碳方向發展，對混凝土的韌性和抗裂性提出了更高的要求[3]。現有研究提出了多種改善韌性的方法，在水泥基材料中摻入韌性組分就是其中一種，常用的韌性組分主要有橡膠顆粒、聚合物和纖維等。橡膠顆粒可在水泥基體中形成結構變形中心[4]，從而提高混凝土的變形能力和韌性。ZHOU 等[5]發現，橡膠顆粒可以提高自密實混凝土的斷裂能和延性指數，顯著改善試件的韌性。相關研究表明[6-7]，聚合物可以優化水化產物的晶體結構，具有一定韌性的聚合物膜起到阻止微裂紋擴展和應力集中的作用，從而提高砂漿的抗折強度和韌性。隨機亂向分布的纖維可以形成空間網絡結構[8]，從而有效減少緩解混凝土的內應力，此外，纖維的橋聯作用將應力從基體傳遞到纖維上，有效抑制裂縫的產生和非穩態擴展，從而實現混凝土的多縫開裂[9]。目前關于聚合物、纖維等韌性組分單摻或復摻對水泥基材料韌性影響的研究較多，但對于3種韌性組分混摻的研究較少。且現有研究大部分著重于探究多組分簡單疊加的影響，其試驗設計常采用累加法，即混摻體系是各個單摻體系的加和，韌性組分總摻量不相同，因而難以建立協同效應評價指標并分析不同韌性組分間的協同效應。為了研究韌性組分間的協同效應，本文基于取代法進行試驗設計，即多摻韌性組分體系與單摻體系摻量相同。由復合材料定律可知，當2種及以上組分同時摻入水泥基材料中，在總摻量一定的情況下，若性能明顯異于各單一組分下性能的加權疊加，稱為協同效應，若產生一加一大于二的效果，稱為正協同效應；反之，則稱為負協同效應[10]。本文以自密實混凝土(SCC)為研究對象，基于混凝土等效砂漿法(CEM)進行了一系列試驗研究，探究多種韌性組分的協同增韌效應。CEM 是按照比表面積相同的原則用砂子取代混凝土中的粗骨料[11]，采用CEM 方法配制的砂漿與原配合比SCC的性能參數相似[12]。選用橡膠顆粒、可再分散聚合物乳膠粉及聚丙烯纖維3種韌性組分，研究總摻量一定時，單摻、雙摻和三摻3種組分對SCC等效砂漿斷裂韌性的影響規律，采用協同效應因子定量評價協同作用效應。此外，通過觀察微觀形貌和構建物理模型，探究3組分協同作用機理。本研究可為制備高韌性水泥基材料提供新思路，為其工程應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C)為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料采用礦粉(SL)，膠材的主要化學組成與物理性質見表1；橡膠顆粒(RP)顆粒粒度為5～8目(2.36～4 mm)，密度為1.01 g/cm3；采用普通河砂(S)作為骨料，細度模數為2.62，密度為2.65 g/cm3；聚丙烯纖維(P)單絲直徑為27～32 μm，長度為19 mm；可再分散聚合物乳膠粉(EVA)主要成分為醋酸乙烯和乙烯共聚物，容重為400～600 g/L，pH 值6.5～9.0；膨脹劑采用UEA 型混凝土膨脹劑；黏改劑(VMA)由石灰石粉、硅灰和纖維素醚按照15∶15∶0.3 混合配制而成；減水劑為聚羧酸類高效減水劑(SP)，減水率為33%；拌合用水采用自來水(W)。

表1 膠凝材料的物理性質與化學組分Table 1 Physical properties and chemical compositions (Mass fraction,%) of binder materials

1.2 試驗配合比

SCC等效砂漿的水膠比保持在0.34，韌性組分均外摻，試驗設置了總體積摻量(韌性組分占水泥石總體系的體積分數)分別為1%，2%和4% 3 種摻量，共15 組試件，配合比如表2 所示。通過現場調控減水劑的量，使等效砂漿的擴展度為230～270 mm。

表2 等效砂漿配合比Table 2 Details of the mixture proportion kg/m3

1.3 試驗測試方法

本文采用單邊切口梁3點彎曲試驗進行SCC等效砂漿試件斷裂性能的測試。彎曲試驗采用英國INSTRON 1342 型萬能試驗機進行，試件的荷載和位移由數據采集系統測量，預制裂縫在試件中間位置，由水刀切割機制作而成，縫高比為0.4。為了固定夾式引伸計，在縫兩側5 mm 處分別貼上厚度為2 mm 的薄鋼板，試驗采用位移加載控制，速率為0.1 mm/min。試驗裝置圖和加載示意圖如圖1所示。所有試件均標養28 d，每組測試6 個試件，試驗結果取平均值。

圖1 彎曲試驗裝置圖Fig.1 Flexural experimental device

為了觀察不同韌性組分對水泥基體微觀結構以及相互之間的影響，開展了掃描電鏡試驗。掃描電鏡樣品制備是從試塊芯部取幾個較為規整的薄片，將樣品浸泡在異丙醇中，24 h后換一次異丙醇繼續浸泡6 d，之后將樣品放在真空干燥器中干燥7 d 以上。觀測前用實驗室專用氣球進行除塵，將樣品用導電膠固定在樣品臺上，再抽真空并進行噴金處理，最后放入掃描儀中進行觀察。掃描儀工作模式以SE(二次電子)模式為主，BSE(背散射)模式和EDS 能譜分析輔助物相判斷，加速電壓為25 kV，工作距離10 mm，選擇有代表性的區域以及合適的放大倍數，著重對韌性組分與水泥基體的界面結構以及不同韌性組分之間的界面過渡區和聚合物膜層的微觀形貌進行觀察。

1.4 斷裂參數計算

本文選用失穩斷裂韌度、斷裂能和延性指數3個參數對試件的斷裂性能進行評價。失穩斷裂韌度反映了材料抵抗裂縫失穩擴展的能力，數值上等于材料發生斷裂破壞時裂縫尖端的臨界應力場強度因子，可用來評估裂縫發展對結構造成的危險程度[13]。斷裂能是指斷裂過程區上單位面積消耗的能量大小，反映了試件抵抗脆斷的能力[14]，為了更全面評價材料韌性和變形能力，引入延性指數作為材料的脆性指標，延性指數越大，試件變形能力就越好[15]。

本文根據DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規程》及WANG 等[16]提出的基于虛擬裂縫模型的雙K 斷裂準則計算失穩韌度等斷裂參數，斷裂能根據日本混凝土協會標準JCI-S-001-2003 計算，計算公式如下所示。

式中：Pmax為峰值荷載；m為試件質量；S為加載跨度；t為試件厚度；h為試件高度；h0為固定夾式引伸計薄鋼片厚度；CMODc為裂縫口張開位移臨界值；a0為初始裂縫長度；E為計算彈性模量；ci=CMODi/Pi為試件的柔度，由試件P-CMOD 曲線的直線段上任意3 點計算，然后取平均值；W0為PCMOD 曲線下面積；W1為試樣和加載夾具自重所做的功；Alig為韌帶斷裂面積；L為試件長度；m1為未附在試驗機上但在試樣破裂前置于試樣上的夾具質量；g為重力加速度，取9.81 g/m2。

2 結果分析

2.1 荷載-裂縫口張開位移曲線

各組試件的荷載-裂縫口張開位移(P-CMOD)曲線如圖2所示，彈性模量、峰值荷載和臨界裂縫口張開位移如表3 所示。由圖2 可知，各組曲線總體趨勢相似，根據P-CMOD 曲線將試件受彎過程的開裂行為分為3 個階段[17]：1) 彈性變形階段，荷載與裂縫口張開位移之間的關系符合胡克定律。2) 裂紋發育與擴展階段，試件受力彈性段結束后，預制裂縫尖端局部高應力區開始形成微裂紋。隨著荷載進一步增大，裂紋沿試件內部薄弱環節逐步擴展。3) 失穩破壞階段，荷載迅速下降但不降為0，此時試件仍具有一定的承載能力，隨后試件內部裂紋迅速聯通擴展，直到整體斷裂失穩。

圖2 試件的P-CMOD曲線Fig.2 P-CMOD curves of specimens

表3 斷裂試驗相關參數Table 3 Relevant parameters of fracture test

由圖2(a)～2(c)可知，隨著橡膠顆粒摻量增加，曲線下降段越來越平緩，說明試件的韌性得到改善，這是因為橡膠顆粒增大了試件的變形能力和能量吸收能力[18]。曲線與坐標軸之間的包絡面積隨乳膠粉摻量增加逐漸增大，說明乳膠粉提高了試件的彎曲韌性，原因是乳膠粉形成的聚合物膜層有效提高基體結構的致密性，并且乳膠粉的摻入提高了試件的能量存儲能力[19]。PP 纖維摻入后曲線的殘余荷載大幅度提高，當CMOD 為0.4 mm時，M 的殘余荷載幾乎為0 N，但MF1的殘余荷載約為120 N，說明纖維有效提高試件破壞后的承載能力，這是由于纖維可以在水泥基體中形成空間網絡結構，使得基體破壞形式主要為大量細密裂縫[20]。對比單摻組曲線可知，3 種組分對于不同尺度的裂縫作用效果不相同。具體而言，MR1，MR2，MR4 和ME1，ME2 的曲線在CMOD 小于0.15 mm 時峰后軟化特征更明顯，表明橡膠顆粒和乳膠粉對于較小裂縫尺度能發揮更有效的阻裂作用。從ME4的曲線可知，當CMOD 為0.4 mm 時殘余荷載仍大于0，表明乳膠粉對于中等裂縫尺度也有較好的抑制作用。MF0.5，MF1的曲線始終保持較高的殘余荷載，說明PP 纖維在較大裂縫尺度下能很好地發揮阻裂增韌作用[21]。綜上所述，3 種韌性組分對不同的裂縫尺度發揮不同的阻裂和增強作用[22]。

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由圖2(d)～2(f)可知，MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5的曲線與坐標軸之間的包絡面積分別大于MR1 和ME1，并且與MF1 接近，說明橡膠顆粒和乳膠粉分別與PP纖維雙摻時試件的吸能作用優于單摻組，主要是由于乳膠粉增加了纖維與基體的黏結強度，纖維與橡膠顆粒能發揮較好的協同作用[23]。MR1E1 組曲線下的面積大于MR2 和ME2，說明1%總摻量時，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻有助于提高試件的能量吸收能力；同時，3 條曲線的下降段基本重合，表明兩者雙摻的增韌阻裂作用同樣體現在峰值荷載前，主要抑制較小尺度裂縫的擴展。MR2E2的曲線介于MR4和ME4之間，說明總摻量4%時，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻時試件的能量吸收能力介于單摻組之間，這是由于乳膠粉的儲能能力大于橡膠顆粒，MR2E2 中乳膠粉摻量是單摻組的一半。MR1E0.5F0.5和R0.5E3F0.5曲線與坐標軸的包絡面積明顯大于同體積單摻組和雙摻組，并且CMOD 相同時三摻組試件的曲線具有更大的殘余荷載，說明韌性組分三摻時試件的變形能力和韌性得到進一步改善，主要是由于混摻時3種組分可以優勢互補，形成多尺度的阻裂和增強網絡。

2.2 斷裂性能

各組試件的斷裂參數計算結果見表3，斷裂參數較基準組增加率見圖3。

圖3 各試件斷裂參數較基準組增加率Fig.3 Growth rate of fracture parameters of each specimen compared with reference group

3 種韌性組分單摻時均可以不同程度提高SCC等效砂漿試件的斷裂性能，從整體來看，單摻乳膠粉對失穩韌度的提高作用最明顯，單摻纖維對斷裂能和延性指數的提高作用最明顯。具體來說，ME4 的失穩韌度是基準組的113.8%，MF1 的斷裂能和延性指數分別是基準組的230.1%和165%。

MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5 的失穩韌度均高于MR1，ME1 和MF1，斷裂能和延性指數明顯高于MR1 和ME1 并且與MF1 接近，說明橡膠顆粒和乳膠粉分別與PP 纖維雙摻可顯著提高單一組分對斷裂性能的增強效應。MR1E1 的失穩韌度、斷裂能高于同體積單摻組，延性指數接近MR2，說明橡膠顆粒和乳膠粉雙摻可以起到相互促進的作用，進一步提高試件的斷裂性能。MR2E2 的失穩韌度高于同體積單摻組，斷裂能和延性指數介于MR4和ME4 之間，說明較大的摻量會影響橡膠顆粒和乳膠粉的協同作用。

MR1E0.5F0.5的失穩韌度、斷裂能和延性指數均高于同體積單摻組和雙摻組，說明橡膠顆粒、乳膠粉及PP 纖維三摻可以優勢互補，進一步提高試件的斷裂性能，并且3種韌性組分混摻對試件斷裂能的提高幅度最大，其次是延性指數，最后是失穩韌度。

2.3 協同增韌效應

協同效應的機理主要是在結構形成和受力過程中，不同形態、尺寸和作用機理的韌性組分在相應的結構層次上發揮作用并在性能上優勢互補。結合試驗結果并參考王成啟[24]的研究成果，定義了一個參數協同效應因子R定量表征多組分協同增韌作用效果，其表達式如(8)所示，當R>1 時為正協同效應，當R<1時為負協同效應。

其中：R為協同效應因子；S為增韌組分混摻的自密實混凝土等效砂漿的性能指標；Si為同體積單摻組自密實混凝土等效砂漿性能指標；vi為混摻組中單一組分摻量所占百分比。

由圖4可知，雙摻組和三摻組的失穩韌度、斷裂能和延性指數協同效應因子均大于1，說明橡膠顆粒、乳膠粉和PP 纖維雙摻或三摻對SCC 等效砂漿試件均具有正向協同增韌作用。具體而言，MR0.5E3F0.5的失穩韌度、斷裂能和延性指數的協同效應因子最大，說明3組分混雜可以發揮更好的協同增韌效應。對比MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5 2 組計算結果可以發現，MR0.5F0.5的失穩韌度、斷裂能和延性指數的協同效應因子均大于ME0.5F0.5，說明相同摻量下，橡膠顆粒和PP 纖維雙摻時協同增韌效果優于乳膠粉和PP 纖維雙摻。由MR1E1，MR2E2 2 組計算結果可知，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻具有較好的正向協同增韌作用，其中，MR1E1的失穩韌度和延性指數協同效應因子均高于MR2E2，這是由于MR2E2 中較大的橡膠顆粒摻量導致試件內部產生更多缺陷，乳膠粉摻量不足補償橡膠顆粒帶來的負面影響。說明橡膠顆粒和乳膠粉雙摻時，較小摻量時對于失穩韌度和延性指數具有更好的協同效應，較大摻量時對于斷裂能的協同增強作用更明顯。

圖4 斷裂參數協同效應計算結果Fig.4 Calculation results of synergistic effects of fracture parameter

2.4 機理分析

水泥基材料的組成、結構與性能之間存在密切聯系。首先，橡膠顆粒有效緩解裂縫尖端應力集中，延長斷裂后的軟化過程、增加變形能力[25]，但MASO[26]指出，橡膠顆粒與水泥基體黏結性能較差。乳膠粉形成的聚合物膜層與水化產物形成相互滲透的網狀結構，有效填充基體內部宏微觀缺陷[27]，但聚合物膜吸能作用有限，只能在一定程度上提高韌性。纖維的橋聯作用有效釋放裂縫尖端的應力集中，使得裂縫擴展路徑延長，但纖維周圍存在大量孔隙，導致纖維與水化產物、基體之間黏結力較弱。

為進一步探究3種韌性組分之間的協同作用機理，本文通過掃描電鏡試驗觀察了試件的微觀形貌，如圖5 所示。由圖5(a)可知，乳膠粉形成的聚合物膜層覆蓋在基體表面，有效提高基體結構密實度。圖5(b)顯示聚合物膜層具有一定的抗拉強度，有效阻止內部微裂紋傳播和應力集中[6]。由圖5(c)可以看出，單摻組中纖維與水泥基體的界面過渡區存在明顯缺陷；相比之下，圖5(d)中乳膠粉摻入后纖維與基體的界面過渡區結構相對致密，無明顯缺陷；對比圖5(e)和5(f)可知，單摻組中橡膠顆粒與水泥基體存在明顯的界面過渡區；雙摻組中橡膠顆粒與水泥基體的界面過渡區緊密結合；說明乳膠粉可以填充宏觀和微觀缺陷，有效改善橡膠顆粒和PP纖維與水泥基體的界面過渡區結構。圖5(g)表明單摻組纖維表面較為光滑，由圖5(h)可以看出雙摻組中纖維表面較為粗糙，對雙摻組纖維表面形貌進一步放大，如圖5(i)所示，可以看出纖維表面覆蓋著具有一定韌性的聚合物膜層，有效增加了纖維從水泥基體中脫黏、滑移的難度[27]，從而提高了試件的韌性。

圖5 SCC等效砂漿試件的微觀形貌Fig.5 Microstructure of equivalent mortar specimens

結合雙K 斷裂準則描述裂紋擴展過程，可將橡膠顆粒-乳膠粉-PP 纖維的協同增韌阻裂過程歸納為3個階段：1) 開裂前的協同阻裂階段；2) 穩定擴展中的協同阻裂階段；3) 失穩擴展過程的協同阻裂階段。首先，乳膠粉形成的聚合物膜有效增強橡膠顆粒和PP 纖維與基體的界面黏結強度，從而提高它們的增韌作用；橡膠顆粒和PP 纖維的優良變形吸能作用有效釋放裂紋尖端應力[25,28]，有效提高乳膠粉的阻裂增韌作用，3 種組分相互促進，有效抑制原生裂紋、新裂紋的產生與發展，由2.1節分析可知，橡膠顆粒和乳膠粉主要作用在開裂前的較小裂縫尺度上。其次，隨著荷載進一步增大，水泥基體內部微觀尺度裂紋逐漸發展為亞微觀尺度裂紋，此時橡膠顆粒的阻裂作用減弱，由于聚合物膜層具有一定的抗拉強度，乳膠粉仍能發揮較好的吸能阻裂作用，同時裂紋尖端亂向分布的PP 纖維受到拉應力開始發揮阻裂作用，抑制亞微觀尺度裂縫向宏觀裂紋的發展，由2.1 節分析可知，該階段乳膠粉發揮主要作用。進入失穩破壞階段后，試件表面出現肉眼可見的宏觀尺度裂縫，此時PP 纖維發揮主要的阻裂作用。劉加平等[29]指出，纖維與基體界面的作用決定著宏觀增韌防裂效果，主要包括3個階段，即彈性階段，彈性黏結-脫黏滑移階段和脫黏滑移階段。彈性階段，纖維對初始裂縫抑制的提升作用僅有10%～20%，后2個階段對于提高韌性起到決定性作用。而乳膠粉形成的聚合物膜層強化了纖維與基體的界面黏結強度，從而增加了纖維脫黏、滑移的難度，同時，變形能力較好的橡膠顆粒和乳膠粉有效分散PP纖維承受的應力，緩解了纖維滑移和斷裂現象，有效提高了試件的韌性。3 種韌性組分優勢互補，進一步提高試件的韌性。3 種韌性組分在水泥基體中構建多層次、多尺度的增韌阻裂網絡，優勢互補協同增韌。

基于上述分析，本文建立了3種韌性組分混摻的SCC等效砂漿試件的物理模型，如圖6所示。圖6(a)表示纖維上附著了一層由聚合物顆粒形成的聚合物膜層；圖6(b)表示橡膠顆粒表面也覆蓋了一層聚合物膜層；圖6(c)表明聚合物顆粒與水泥水化產物結合在一起，有利于聚合物與水化產物形成交纏纏繞的網絡結構，從而提升水泥基材料的韌性；圖6(d)表示3 種組分混摻時可以優勢互補，充分發揮協同作用，從而實現SCC 等效砂漿試件韌性的提升。

圖6 三摻組SCC等效砂漿物理模型Fig.6 Schematic diagram of composite material structure

3 結論

1) 摻量為1%～4%時，單位橡膠顆粒對斷裂能的增加率約為14%，單位乳膠粉對斷裂能的增加率約為16%。單位聚丙烯纖維對斷裂能的增加率可達90%以上。單摻4%的乳膠粉對失穩韌度的提高作用最明顯；單摻1%的纖維對斷裂能和延性指數的提高作用最明顯。

2) 雙摻組對失穩韌度、斷裂能和延性指數均具有正向協同增韌作用，其中橡膠顆粒和纖維雙摻對試件的斷裂能、延性指數、失穩韌度的提升效果最佳，乳膠粉與纖維雙摻次之，橡膠顆粒與乳膠粉雙摻最低。

3) 橡膠顆粒、乳膠粉、聚丙烯纖維三摻組對失穩韌度、斷裂能和延性指數的提升效果明顯優于雙摻和單摻組。具體來說，三摻組R0.5E3F0.5相應參數較基準組增加率分別為21.6%，152.8%和102.5%。

4) 乳膠粉有效改善橡膠顆粒和PP 纖維與基體界面的黏結強度；橡膠顆粒有效分散裂縫尖端應力集中；纖維有利于橡膠顆粒和乳膠粉在基體開裂后持續發揮阻裂作用。3 種韌性組分在水泥基體中構建多尺度的增韌阻裂網絡，較好地發揮協同增韌作用。