纤维水泥浆界面区对FA-SHCC力学性能的影响

高 嵩，李秋义，金祖权，王鹏刚

（1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.青岛理工大学 蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛266033）

传统混凝土材料属于脆性材料，抗拉强度和极限应变都很小.在收缩受到约束时易产生裂缝，导致混凝土结构耐久性失效.新型的应变硬化水泥基复合材料（Strain Hardening Cement-based Composite，SHCC）具有较好的韧性、抗冲击性等特点.PVA纤维的使用可以减缓材料中微裂缝的扩展，防止新裂缝的产生，优化SHCC材料的力学性能[1].PVA-SHCC试样在直拉试验中可以呈现多重裂缝，应力应变曲线有明显的硬化阶段，其直拉应变达到2.5%到4.5%，几乎是普通混凝土的50～100倍，因此其在控制结构裂缝、提高结构抗震性能等方面有广阔的应用前景[2].SHCC的优良的直拉性能和开裂模式已经得到广泛关注并取得了大量研究成果[3]，但是以较低成本实现较好的力学性能仍然存在很多困难.

1 多重开裂产生机理要求

PVA-SHCC材料的性能依赖于PVA纤维与水泥浆基体间的界面结构和粘附性，而界面结构和粘附性又与PVA纤维表面的化学性质和微观结构关系密切.PVA纤维与水泥浆基材的界面粘结主要靠范德华力，但其分子链上的-C-OH基团可与水泥水化产物中的-OH基团形成氢键结合，从而进一步增进二者的粘结，加强纤维对水泥浆基体的桥联作用[4].纤维发挥桥联作用时有3种情况：1）纤维在承受拉荷载时达到抗拉强度而被拉断，SHCC可以获得较高的抗拉强度和较低的形变；2）纤维与水泥浆基体的摩擦力小于拉应力，从而被从基体中拔出去，SHCC的拉应变会相应增加，但是摩擦力较小，传递出去的拉应力不足以在基体其他部位产生开裂；3）单根纤维在从基体中被拔出，未被拉断的有效纤维数量较多，纤维与基体间产生的总动摩擦力将拉应力有效传递到未开裂的基体中，阻止了初始裂缝扩展和延伸，而在基体多处产生若干微细裂缝，即所谓的“多重开裂”[5].

纤维桥联作用目前研究很多，为实现多重开裂模式，需要对纤维-水泥浆界面区（interfacial transition zone，ITZ）进行改性，主要包括纤维表面处理和水泥浆胶凝体系优化两种不同改性方法.纤维表面处理方面，Li针对PVA纤维表面改性做过大量研究，发现PVA纤维表面改性措施可以有效改善拉荷载作用下易断裂而难被拔出的情况[6].但是表面处理费用较高，工序复杂，很难广泛应用.基体优化方面，Zijl G Van和SahmaranM等针对SHCC水泥浆基体部分进行改性研究，利用粉煤灰、矿粉和硅灰等矿物掺合料改善水泥浆基体结构，或改善骨料级配，增加材料基体均匀性，以较低成本得到SHCC的多重裂缝[7-9].

粉煤灰的粒径比水泥小，且颗粒为球状，填充在水泥水化后的空隙中，可以增加在抗拉和抗弯时纤维拔出过程中的滑动摩擦.而且其二次水化可以重新构造纤维-水泥浆界面区水化产物结构，增加材料的多重开裂几率，对PVA-SHCC的力学性能有明显改善.现代高科技手段比如SEM、EDS等微观观察技术的成熟应用，对裂缝以及纤维和水泥浆的界面区可以进行充分观察和研究.本文利用微观观测方法对粉煤灰对 PVASHCC材料力学性能的影响，以及粉煤灰在纤维-水泥浆界面区特殊结构生成过程中的角色进行研究.

2 原材料与试验方案

2.1 试验原材料

纤维：日本可乐丽（KURARAY）公司生产的REC15型高模量PVA纤维，性能指标如表1，掺量为胶凝材料总量的2%；水泥：山水集团生产的P.I52.5水泥；砂：青岛大沽河产中砂，按照一定比例配制好的级配砂，颗粒级配为：0.65孔径筛余lt;3%，0.40孔径筛余约为40%±5%，0.25孔径筛余gt;94%；粉煤灰：青岛电厂生产的 II级粉煤灰，基本化学成分如表2所示；减水剂：山东省建筑科学研究院外加剂厂生产的NC-J聚羧酸高效减水剂，减水率gt;30%；拌合用水：去离子水.

表1 REC15 PVA纤维性能指标Tab.1 Property indexesof REC15 PVA fiber

表2 粉煤灰化学成分 %Tab.2 Chem ical componentof FA

2.2 试样制备

拉伸试验的试样为八字模试样，尺寸为：240mm×60mm×15mm，每个配比4个试样，三点弯曲试验的平板试样尺寸为：500mm×70mm×15mm.

2.3 试验配合比

为了研究其他因素一致的情况下，粉煤灰掺量对PVA-SHCC力学性能的影响，试验分别采用粉煤灰掺量占胶凝材料总量的0%，30%，40%，50%，60%的配比制备SHCC试验，具体配合比如表3.

表3 试验配合比 kg m 3Tab.3 Experimentalm ixing proportion

3 实验结果与分析

力学性能试验参考ZijlGVan和Boshoff W P的试验方法[7]，PVASHCC试样直拉试验的拉伸强度与拉应变关系如图1a）所示，静弯曲试验的弯曲荷载与试样挠度关系如图1b）所示，试验中应力和弯曲荷载由加载机器直接读出，应变和挠度由数据采集系统得到.

图1 粉煤灰掺量对PVA-SHCC力学性能影响Fig.1 Influenceby FA adm ixtureon mechanis mproperties of PVA-SHCC

由图1a）可知，PVA-SHCC材料的韧性随着粉煤灰掺量的增加而逐渐增加，同时保持试件的抗拉强度，当粉煤灰掺量达到50%、60%时，试件的抗拉强度以及韧性均达到较高的水平，拉应力达到3MPa左右，应变在2%～3%.粉煤灰掺量少的几组试样的应力-应变曲线的开裂模式是由于基体中大部分纤维被拉断，少部分纤维由水泥基材拉出，破坏仍呈现一定的脆性，但与水泥石或普通砂浆相比，脆性要小的多.这种情况下SHCC一般具有较高的抗拉强度，但韧性与抗冲击强度则较低.

图1b）所示的试样弯曲荷载-挠度曲线为SHCC试样弯曲时典型的受力形变过程.在初始裂缝出现后荷载-挠度曲线呈现缓和上升段，而多重裂缝就出现在此阶段.这是由于弯曲开始时横跨基材裂缝的纤维承受拉力，在裂缝处纤维逐渐自水泥基材中拔出，拔出过程吸收大量的能量，并成功将荷载由初始裂缝处转移至水泥石中引起其他裂缝.弯曲荷载-挠度曲线图出现的下降的曲线段（软化段），此时试样的承载能力不断降低，但仍然具有较大的变形能力.

4 界面区水化产物分析

SHCC在成型中，纤维与砂浆之间产生水膜层，而水泥水化产生的Ca(OH)2晶体则在水膜层中大量积聚，这就构成了纤维与水泥基材之间存在的ITZ.ITZ不仅在微观结构上与水泥基体不一致，而且在化学成分上也存在差异.采用配比为粉煤灰掺量为50%的D试样的ITZ和水泥浆基体进行电子探针（EDS）测试，分析界面相和本体相水化产物的异同，见图2和表4、表5.

表4 纤维-水泥浆界面区扫描点元素成分质量分数 %Tab.4 Element concentration of scanning spoton ITZ between fiberandmatrix

表5 水泥浆基体扫描点元素成分质量分数%Tab.5 Element concentration of scanning spot inmatrix

界面区（ITZ）主要由Ca(OH)2晶体与水化硅酸钙（CSH）凝胶组成，等效计算表4、表5数据可知，ITZ中的Ca(OH)2晶体含量比基材本身要高出20%～40%左右，而Si元素质量含量却只有基体中的约37%.这说明ITZ是Ca(OH)2晶体的富集区，却是CSH凝胶的贫乏区，这也是ITZ结构疏松、高孔隙率的主要原因.

5 结论

PVA-SHCC材料中，PVA纤维的亲水性令水泥水化产物紧密附着在纤维表面，使得纤维被拔出时承受的阻力加大，大量纤维在拉应力作用下被拉断，从而降低了纤维桥联作用.粉煤灰替代部分水泥的 FA-SHCC的ITZ水泥水化产物主要为Ca(OH)2，而CSH凝胶的含量相对较低，造成ITZ结构疏松、高孔隙率，削弱了界面区结构强度.纤维与水泥浆ITZ弱界面效应的降低纤维与水泥基体的界面黏结强度，有助于保持有效纤维数量，增强纤维的桥联作用，有利于多重开裂的形成，提高SHCC的直拉应变和静弯曲挠度.

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