聚乙烯醇纖維摻量對(duì)高延性地聚合物混凝土早期抗裂和收縮性能影響

李 杉, 周 鄭 州, 盧 亦 焱, 王 喆, 安 俊 澎

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 湖北 武漢 430072 )

0 引 言

混凝土是土木工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一．混凝土中普通波特蘭水泥生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染．研發(fā)綠色環(huán)保的建筑材料非常重要．地聚合物混凝土是一種新型綠色建筑材料,一般由粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物經(jīng)過氫氧化鈉溶液、水玻璃等堿性溶液激發(fā)制成．該材料具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能,早期強(qiáng)度高[1],抗化學(xué)侵蝕性能好[2],被認(rèn)為是目前最有可能替代傳統(tǒng)混凝土的建筑材料[3],近年來得到學(xué)術(shù)界、工程界和政府單位的廣泛關(guān)注．地聚合物混凝土孔隙結(jié)構(gòu)較為致密,介孔數(shù)量在總孔隙中占比大,導(dǎo)致其收縮性大[4-5]．地聚合物混凝土的收縮開裂會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命和耐久性能,甚至影響到結(jié)構(gòu)的承載能力．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者初步開展了地聚合物混凝土的收縮性能研究．相關(guān)研究表明,增大堿性激發(fā)劑摻量或者增大堿性激發(fā)溶液濃度可以降低地聚合物混凝土的干燥收縮率[6-7]．活性粉末摻量的改變會(huì)對(duì)地聚合物混凝土的收縮造成較大影響,超細(xì)礦渣會(huì)增大地聚合物混凝土的干燥收縮[8];但是還有研究發(fā)現(xiàn),地聚合物混凝土的收縮率會(huì)隨著礦渣摻量的增大先減小后增大[9]．當(dāng)?shù)鼐酆衔锘炷恋氖室欢〞r(shí),收縮率會(huì)隨著骨膠比的增大而減小[10]．地聚合物混凝土的收縮也會(huì)受到養(yǎng)護(hù)條件的影響,高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)有效減小地聚合物混凝土的收縮[11]．

要將地聚合物混凝土應(yīng)用于土木工程,期望這種材料剛?cè)岵?jì),在地聚合物混凝土中摻入纖維是實(shí)現(xiàn)高延性的主要方法之一．同時(shí),纖維的摻入可以減小地聚合物混凝土的早期收縮變形[12]．鑒于此,本文通過平板法試驗(yàn)[13]和長(zhǎng)度法試驗(yàn)[14]研究PVA纖維摻量對(duì)地聚合物混凝土抗裂和收縮性能的影響,并建立相應(yīng)的收縮預(yù)測(cè)模型．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12組,共32個(gè)高延性地聚合物混凝土試件．其中,4組塑性收縮開裂試驗(yàn)(PC)試件,每組2個(gè)試件,試件尺寸為910 mm×600 mm×20 mm;4組干燥收縮試驗(yàn)(DS)試件和4組自生收縮試驗(yàn)(AS)試件,每組3個(gè)試件,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm．PVA纖維體積摻量分別考慮0%、1.5%、2.0%和2.5%．試件設(shè)計(jì)見表1,高延性地聚合物混凝土配合比詳見表2．PVA纖維和碳納米管材料參數(shù)分別見表3和表4．

表1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土、石英砂、水玻璃均來自河南省某公司．參照《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JC/T 2461—2018)[15]對(duì)高延性地聚合物混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),28 d齡期的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等測(cè)試結(jié)果見表1．

表2 地聚合物混凝土配合比

表3 PVA纖維材料參數(shù)

表4 碳納米管(CNTs)材料參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 塑性收縮開裂試驗(yàn) 參照《水泥砂漿抗裂性能試驗(yàn)方法》(JC/T 951—2005)[13],對(duì)高延性地聚合物混凝土進(jìn)行抗裂性能試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖1所示．試驗(yàn)在步入式恒溫恒濕試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行,環(huán)境溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為60%．經(jīng)過4 h燈光照射和24 h風(fēng)速約為3.0 m/s的風(fēng)吹后測(cè)量其裂縫寬度及裂縫長(zhǎng)度．

圖1 塑性收縮開裂試驗(yàn)裝置圖

1.2.2 干燥收縮試驗(yàn) 根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[14]中砂漿干燥收縮測(cè)試方法,對(duì)高延性地聚合物混凝土進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)．試件澆筑完成后放入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù);1 d后試件硬化,將其移入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為60%的恒溫恒濕干燥箱,預(yù)置4 h;隨后將試件安裝于立式收縮測(cè)試儀,如圖2(a)所示,測(cè)量試件初始長(zhǎng)度,之后測(cè)量1、2、3、7、14、28 d干燥齡期的試件變形．

1.2.3 自生收縮試驗(yàn) 試件澆筑完成后放入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù);1 d后移入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為60%的恒溫恒濕干燥箱,預(yù)置4 h;然后采用聚乙烯塑料薄膜將試件完全包裹,阻止試件和外界環(huán)境的水分交換;最后將試件安裝于立式收縮測(cè)試儀,如圖2(b)所示,測(cè)量試件初始長(zhǎng)度,之后測(cè)量1、2、3、7、14、28 d干燥齡期的試件變形．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 塑性收縮開裂

平板法試驗(yàn)結(jié)束后,地聚合物混凝土開裂情況如圖3所示,不同PVA纖維體積摻量的地聚合物混凝土塑性收縮裂縫參數(shù)見表5．由圖3和表5可知,摻PVA纖維后地聚合物混凝土試件表面的裂縫總面積和裂縫最大寬度顯著減小,PC2組地聚合物混凝土試件裂縫總面積和裂縫最大寬度比PC1組的分別減小了86.9%和91.8%．試件表面的裂縫總面積和裂縫最大寬度隨著PVA纖維體積摻量的增大而減小,PC3組的地聚合物混凝土試件表面已經(jīng)沒有明顯裂縫,地聚合物混凝土的塑性收縮開裂基本上得到了控制．

(a) PC1組

(b) PC2組

(c) PC3組

(d) PC4組

表5 地聚合物混凝土塑性收縮裂縫參數(shù)

隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土試件上的裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度以及寬度都有減小的趨勢(shì),意味著PVA纖維增強(qiáng)了地聚合物混凝土抗塑性收縮開裂能力．主要原因可能是摻入地聚合物混凝土的PVA纖維亂向分布,承擔(dān)了部分地聚合物混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力,增強(qiáng)了地聚合物混凝土的抗拉能力和韌性,因此減少了地聚合物混凝土表面裂縫的出現(xiàn)[16]．在一定范圍內(nèi)隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土抗開裂性能更好．

2.2 干燥收縮

地聚合物混凝土干燥收縮率按下式計(jì)算：

(1)

式中：εd(t)為齡期為t時(shí)的試件干燥收縮率;L0為初始長(zhǎng)度(試件成型后1 d的長(zhǎng)度),mm;L為試件的長(zhǎng)度,mm;Ld為收縮頭埋入試件中的長(zhǎng)度,mm;Lt為時(shí)間t時(shí)的試件長(zhǎng)度,mm．

根據(jù)干燥收縮率公式(1),得到各組試件不同齡期的干燥收縮率,如圖4所示．由圖可見,地聚合物混凝土干燥收縮早期發(fā)展得很快,7 d齡期時(shí),地聚合物混凝土干燥收縮率占28 d齡期干燥收縮率的90%以上;地聚合物混凝土干燥收縮后期幾乎不發(fā)展,28 d齡期時(shí)干燥收縮基本穩(wěn)定．

(a) 28 d收縮率

(b) 收縮曲線

齡期為28 d時(shí),DS2、DS3和DS4組試件的干燥收縮率相對(duì)于DS1組分別減小了18.63%、26.58%和21.46%．摻PVA纖維的地聚合物混凝土試件的干燥收縮率相對(duì)于沒摻PVA纖維的試件顯著減小,說明PVA纖維可以有效抑制地聚合物混凝土的干燥收縮．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的收縮率逐漸減小,PVA纖維的抑制效果更加顯著．可能是因?yàn)镻VA纖維在地聚合物混凝土中亂向分布,一方面可以橋接地聚合物混凝土的內(nèi)部裂縫[17-19],延緩裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,另一方面可以承受部分內(nèi)應(yīng)力,降低基體的有效應(yīng)力[20],以此減小地聚合物混凝土的干燥收縮率．但當(dāng)PVA纖維體積摻量超過2.0%時(shí),PVA纖維體積摻量的提高會(huì)增大地聚合物混凝土的干燥收縮率．原因可能是PVA纖維體積摻量過大,會(huì)導(dǎo)致在地聚合物混凝土內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,降低了PVA纖維對(duì)收縮的抑制作用．

2.3 自生收縮

不同齡期各組試件的自生收縮曲線如圖5所示．由圖可以看出,地聚合物混凝土自生收縮早期發(fā)展得很快,到7 d齡期時(shí),地聚合物混凝土自生收縮率占28 d齡期自生收縮率的60%左右,地聚合物混凝土自生收縮后期發(fā)展速度變緩．齡期為28 d時(shí),AS2、AS3和AS4組試件的自生收縮率相對(duì)于AS1組分別減小了31.91%、39.36%和36.17%．這表明在地聚合物混凝土中摻入PVA纖維會(huì)對(duì)自生收縮有顯著的抑制效果,其原因主要是PVA纖維在地聚合物混凝土中隨機(jī)分布,橋接裂縫,傳遞拉應(yīng)力,以此約束地聚合物混凝土的自生收縮變形,減小地聚合物混凝土的自生收縮率．但PVA纖維摻量過大,會(huì)導(dǎo)致在地聚合物混凝土內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,纖維分布不均勻,對(duì)收縮的抑制作用減弱．

(a) 28 d收縮率

(b) 收縮曲線

2.4 微觀形貌分析

摻PVA纖維的地聚合物混凝土28 d試樣SEM圖如圖6所示．由圖可以看出,PVA纖維上有殘留的水化產(chǎn)物,說明其與地聚合物混凝土基體之間有很好的黏結(jié)．PVA纖維錨固在地聚合物混凝土基體中,拔出時(shí)會(huì)受到一定的黏結(jié)阻力,這會(huì)增加地聚合物混凝土抵抗開裂和收縮變形的能力．地聚合物混凝土的微裂縫之間有PVA纖維起橋接作用,可以承擔(dān)基體內(nèi)部的拉力,延緩微裂縫的發(fā)展,提高地聚合物混凝土的抗開裂和抗收縮性能．

(a) 橋接裂縫

(b) PVA纖維分布

3 地聚合物混凝土收縮預(yù)測(cè)模型研究

3.1 收縮預(yù)測(cè)模型

目前,混凝土收縮預(yù)測(cè)模型一般根據(jù)試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)回歸分析得到．參考?xì)W洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)BS EN收縮模型[21],考慮纖維體積摻量的影響,將纖維體積摻量引入收縮預(yù)測(cè)模型,并根據(jù)高延性地聚合物混凝土收縮試驗(yàn)結(jié)果,建立地聚合物混凝土干燥收縮預(yù)測(cè)模型和自生收縮預(yù)測(cè)模型．干燥收縮表達(dá)式見式(2)～(4),自生收縮表達(dá)式見式(5)～(7)．

εd(t)=εd∞βd(t)

(2)

εd∞=1.39(1-0.227α+0.056α2)

(3)

βd(t)=1-exp(-0.686(t-t0)1.027)

(4)

式中：εd∞為試件最終的干燥收縮率;βd(t)為干燥收縮率隨齡期變化的函數(shù);α為纖維體積摻量,%;t0為收縮測(cè)試開始時(shí)的齡期,d．

εa(t)=εa∞βa(t)

(5)

εa∞=1.01(1-0.381α+0.084α2)

(6)

βa(t)=1-exp(-0.139(t-t0)1.023)

(7)

式中：εa(t)為齡期為t時(shí)的試件自生收縮率;εa∞為試件最終的自生收縮率;βa(t)為自生收縮率隨齡期變化的函數(shù)．

收縮預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線如圖7所示．可以看出,收縮預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好,收縮預(yù)測(cè)模型在一定程度上可以反映地聚合物混凝土的早期收縮特性．

3.2 不同收縮預(yù)測(cè)模型比較

迄今為止,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析建立了混凝土收縮預(yù)測(cè)模型,選取合理的收縮預(yù)測(cè)模型尤其重要．現(xiàn)列舉幾種有代表性的收縮預(yù)測(cè)模型,并與本文收縮預(yù)測(cè)模型對(duì)比,據(jù)此來評(píng)估既有混凝土收縮預(yù)測(cè)模型和本文收縮預(yù)測(cè)模型對(duì)地聚合物混凝土的適用性．干燥收縮預(yù)測(cè)模型選取ACI模型[22]和GL2000模型[23],自生收縮預(yù)測(cè)模型選取Dilger模型[24]和CEB-FIP模型[25],這些都是權(quán)威的混凝土收縮預(yù)測(cè)模型,對(duì)普通混凝土有很高的適用性．

利用本文提出的基于BS EN的收縮預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)地聚合物混凝土的最終收縮率,代替既有收縮預(yù)測(cè)模型中的普通混凝土最終收縮率．應(yīng)用各收縮預(yù)測(cè)模型對(duì)地聚合物混凝土對(duì)照組的收縮率進(jìn)行估算,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比曲線如圖8所示．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

由圖8(a)可知,ACI模型和GL2000模型低估了地聚合物混凝土的干燥收縮值和早期收縮速率,不適用于預(yù)測(cè)地聚合物混凝土的干燥收縮．由圖8(b)可知,Dilger模型過高地估計(jì)了地聚合物混凝土早期的自生收縮速率,而CEB-FIP模型低估了地聚合物混凝土的自生收縮值和早期收縮速率．綜上所述,既有的混凝土收縮預(yù)測(cè)模型一般不適用于地聚合物混凝土,原因是既有混凝土收縮預(yù)測(cè)模型的發(fā)展函數(shù)不符合地聚合物混凝土的收縮特征．地聚合物混凝土早期收縮發(fā)展快,且在總收縮中占比大,本文模型采用的指數(shù)型發(fā)展函數(shù)更加符合地聚合物混凝土的收縮發(fā)展趨勢(shì)．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

4 結(jié) 論

(1)PVA纖維能夠有效抑制地聚合物混凝土的塑性收縮開裂,隨著PVA纖維體積摻量的提高,地聚合物混凝土塑性收縮裂縫面積減少．PVA纖維體積摻量為1.5%的地聚合物混凝土試件表面裂縫總面積比對(duì)照組減小了86.9%．

(2)地聚合物混凝土的干燥收縮主要在早期發(fā)展．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的抗干燥收縮性能緩慢提高．但是PVA纖維體積摻量超過2.0%后,會(huì)在地聚合物混凝土內(nèi)部團(tuán)聚,對(duì)地聚合物混凝土干燥收縮的抑制作用會(huì)降低．當(dāng)PVA纖維體積摻量為1.5%、2.0%和2.5%時(shí),地聚合物混凝土28 d干燥收縮率相對(duì)于對(duì)照組分別減小了18.63%、26.58%和21.46%．

(3)地聚合物混凝土的自生收縮也主要集中在早期．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的自生收縮率先減小然后增大．當(dāng)PVA纖維體積摻量為1.5%、2.0%和2.5%時(shí),地聚合物混凝土28 d自生收縮率相對(duì)于對(duì)照組分別減小了31.91%、39.36%和36.17%．

(4)本文建立的收縮預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好,可在一定程度上反映地聚合物混凝土的早期收縮特性．