工程水泥基复合材料的制备及力学性能

王必元，葛文杰*，周静静，曹大富

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;2.苏州市鑫万盛工程管理有限公司，江苏苏州 215300)

工程水泥基复合材料的制备及力学性能

王必元1，葛文杰1*，周静静2，曹大富1

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;2.苏州市鑫万盛工程管理有限公司，江苏苏州 215300)

为制备良好的工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)，解决纤维成团以及拉伸试验中不出现应变硬化和多裂缝等问题，提出掺入硅灰的制备方法，并采用整浇方式以确保纤维的良好分散.分析研究了3种试件的拉伸试验和部分配合比的立方体抗压试验.结果表明:掺入硅灰能较好解决纤维成团问题;整浇有利于应变硬化的发挥和多裂缝开展;水胶比增大和水泥掺量减小(即粉煤灰掺量增大)能降低试块的抗压强度;3种类型的拉伸试件均在试验中出现了良好的应变硬化现象.

工程水泥基复合材料;polyvinyl alcohol纤维;应变硬化;多裂缝

传统的混凝土抗拉强度低、韧性差并且开裂后裂缝宽度难以控制.工程水泥基复合材料ECC(engineered cementitious composites)由美国密西根大学Li［1］提出.ECC中没有粗骨料，掺入适量的纤维作为增强材料，目前常用的方法是掺入胶凝材料体积量为2%的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纤维.与传统的混凝土相比，ECC具有很好的延展性、微裂缝控制能力和应变硬化特性［2］.ECC的出现，可在很大程度上弥补混凝土材料存在的缺陷，更好地增加结构的耐久性，延长建筑的使用寿命.最近，Li等［3］研究ECC材料在建筑防火上的运用，提出一种新型喷涂耐火材料SFR-ECC(spray-applied fireresistive ECC);Qian等［4］研究了粉煤灰掺量对ECC材料自愈行为和力学性能的影响，认为当粉煤灰与水泥质量比为4.0时，ECC材料表现出的自愈性能最好;俞家欢等［5］使用FRP筋(fiber reinforced polymer tendon)增强ECC梁，证实ECC能够明显提高构件或结构的抗震能力;Pan等［6-7］研究钢筋增强ECC-混凝土复合梁、FRP筋增强ECC和ECC-混凝土复合梁等，认为ECC可以显著提高梁的抗弯、抗变形以及降耗能力;Maalej等［8］研究ECC对抗震设防内部梁柱连接的作用，认为在塑性区使用ECC替代混凝土可显著提高结构的抗剪切性，增强其能量吸收能力及抗震性;随着高强钢筋在工程建设中的广泛应用［9］，薛会青等［10］通过对高强钢筋ECC梁弯曲性能的试验和理论研究，认为高强钢筋运用于ECC中能充分发挥二者的优势.本文在前人的工作基础上，提出通过添加硅灰解决纤维成团问题，制备出能够发生应变硬化以及多裂缝开展的ECC受拉构件，研究水泥、粉煤灰、水胶比3种因素对ECC抗压强度的影响规律，为后续试验及理论分析打下良好基础.

1 试验材料与制备

1.1 试验材料

水泥采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰;硅灰采用无定形SiO2超细硅质粉体材料;沙采用粒径为0.074～0.147 mm的特细石英沙;纤维采用日本可乐丽RECS15*12型PVA纤维，纤维长度12 mm，直径40μm，弹性模量41 GPa，伸长率6.5%，抗拉强度1 560 MPa，密度1.3 g·cm－3；减水剂采用Sika聚羧酸减水剂；水为本地自来水.

1.2 试验制备

ECC制备时采用后掺纤维法：先将水泥、粉煤灰、硅灰、沙等加入搅拌机中干拌1 min使其分散均匀.后加入水，湿拌1 min，再加入减水剂直至水泥砂浆呈现出足够的流动性（停止搅拌后水泥砂浆能够自动流平）后加入纤维，搅拌时间一般为3～6 min.整体浇入模具后置于振动台上振动约2 min以确保材料密实，然后将表面轻轻抹平，盖上透明塑料薄膜，防止水分蒸发.在室温下养护24 h拆模，放入养护室养护.为验证硅灰对纤维成团问题的改善作用设计了6种配合比，配合比及搅拌时间、纤维成团情况见表1.表中水泥、粉煤灰、硅灰为三者的质量比，沙胶比、水胶比、减水剂用量是与胶凝材料（水泥、粉煤灰、硅灰三者之和）的质量比，PVA用量是PVA纤维与胶凝材料总体积比.

表1 纤维分布对比试验配合比及搅拌结果Tab.1 Mix proportions of fiber distribution contrast test and mixing results

试验结果显示，在粉煤灰或水泥掺量不变时，用硅灰替代20%的水泥，能以较小水胶比达到纤维不成团效果，且搅拌时间显著缩短.说明掺入硅灰有利于纤维的分散，且能节省搅拌时间，降低水胶比.

纤维在搅拌机中分散良好，但浇模的方法不当会导致纤维分散不均，从而影响试件的力学性能，尤其是对拉伸试验的影响较显著.本文建议在浇模过程中采用整浇的方式，将搅拌机里流态ECC一次性倒入刷过油的模具中.整浇与未整浇试件拉伸典型应力应变曲线及裂缝开展对比见图1.图1（a）显示整浇试件应变明显大于未整浇试件，图1（b）显示整浇试件裂缝数量明显多于未整浇试件，裂缝宽度明显小于未整浇试件.初步分析认为由于未整浇试件在实际浇模过程中不能保证纤维的良好分散，导致纤维在试件中分布不均匀，进而影响应变及裂缝开展.

图1 整浇与未整浇对比Fig.1 Integral cast compared with non－integral cast

2 基本力学性能

2.1 抗压性能试验

抗压性能试验参照国家标准［11］，抗压试件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，试验机器采用YAW－3000C微机控制全自动压力试验机（济南辰达试验机制造有限公司），加载速度1.5 k N·s－1.在加载过程中，与混凝土破坏时声音较大、“一裂即坏”不同，ECC抗压试件在破坏的瞬间声音较为清脆，由于纤维的增韧作用，试件破坏后仍然连在一起，ECC抗压破坏形态见图2.

试件的立方体抗压强度为f＝K N／A［11］18，其中f为立方体抗压强度（MPa）；K为换算系数，取1.35；N为试件破坏荷载（N）；A为试件承压面积（mm2）.为研究水泥、粉煤灰、水胶比等因素对ECC抗压强度的影响，设计了12种配合比（见表2）.立方体抗压强度与水胶比关系见图3.从图3及表2可以看出，水泥、粉煤灰掺量相同时，水胶比越大，立方体抗压强度越低；水胶比相同时，水泥掺量越少（即粉煤灰掺量越多），立方体抗压强度越低.

图2 立方体抗压试件Fig.2 Cube compressive test specimen

图3 立方体抗压强度与水胶比关系Fig.3 The compressive strength vs water－cement ratio

2.2 拉伸性能试验

直接拉伸试验是检验ECC是否具有应变硬化特性的最佳方法.本试验采用了3种不同尺寸的拉伸试件，各试件尺寸见图4，成型试件见图5.

图5中a，b型2种试件采用直接夹持的加载方式，为保证试验机的夹持力均匀地施加到试件上，以及避免夹持力过大导致夹持范围内的试件夹坏，须在试件的两端粘贴碳纤维布和铝片.a型试件先在两端用环氧树脂AB胶粘贴50 mm×40 mm的碳纤维布，后粘贴50 mm×40 mm×0.8 mm的铝片，见图6；b型试件先在两端用环氧树脂AB胶粘贴50 mm×50 mm的碳纤维布，后粘贴50 mm×50 mm×0.8 mm的铝片，见图7；c型试件根据DNS－100电子万能试验机自行设计，利用试验机自身卡槽进行试件拉伸，故两端无须粘贴碳纤维布和铝片，将DNS－100电子万能试验机夹片取出后塞入c型试件（见图8）.3种试件都采用位移加载，加载速度取0.2 mm·min－1.各试件试验结果见图9.

从试验结果可以看出ECC具有应变硬化特性，说明ECC的抗拉性能优于普通混凝土.3种形状的试件在加载过程中都出现了多点开裂和裂缝，且出现的裂缝与应力应变曲线中的抖动相对应，即每出现一条裂缝，应力应变曲线就出现一次抖动.从图9中可以看出，采用直接夹持的b型试件应变差异最小，a型试件应变差异较小，c型试件应变差异较大；a型试件曲线抖动情况良好，出现的抖动细而密，c型试件抖动幅度较大，b型抖动幅度很小；变截面的b型和c型试件，裂缝多出现在变截面处，且容易在变截面处出现大裂缝并发生断裂破坏.初步分析认为应力在变截面处过渡不均匀，形成应力集中从而使得裂缝出现在变截面处，故须将变截面过渡段设计成平滑的圆弧段，使应力过渡均匀，b型和c型试件有待改善，a型试件使用效果较好.

表2 ECC抗压强度试验配合比Tab.2 Proportion of ECC compressive strength test

图4 3种试件尺寸（mm）Fig.4 Three kinds of specimen size（mm）

图5 3种成型试件Fig.5 Three kinds of forming specimen

图6 a型试件粘贴碳纤维布及铝片Fig.6 The a－type specimen with CFRP and aluminum

图7 b型试件粘贴碳纤维布及铝片Fig.7 The b－type specimen with CFRP and aluminum

图8 c型试件加载图示Fig.8 The c－type specimen loading icon

图9 试件应力应变曲线Fig.9 The stress－strain curve of specimens

3 结论

1）制备ECC材料时用硅灰替换20%水泥或粉煤灰，可在较低水胶比情况下解决纤维成团问题.在浇模过程中，采用整浇方式可避免纤维良好的分散效果遭到破坏，更好地实现应变硬化及多裂缝开展.

2）在ECC抗压试验中，水泥、粉煤灰掺量相同时，水胶比越大，立方体抗压强度越低；水胶比越小，立方体抗压强度越高.水胶比相同时，水泥掺量越少（即粉煤灰掺量越多），立方体抗压强度越低；反之，立方体抗压强度越高.

3）由于PVA纤维的掺入，明显提高了ECC材料的抗拉性能，应变显著提高，并且能够发生应变硬化现象，呈现出良好的延性.本试验采用的a型160 mm×40 mm×15 mm矩形截面试件总体拉伸效果最好，b型15 mm厚变截面哑铃型试件和c型自行设计15 mm厚变截面试件有待进一步改善.

［1］SAKULICH A R，LI V C.Nanoscale characterization of engineered cementitious composites（ECC）［J］.Cement Concrete Res，2011，41（2）：169－175.

［2］张君，居贤春，郭自力，等.PVA纤维直径对水泥基复合材料抗拉性能的影响 ［J］.建筑材料学报，2009，12（6）：706－710.

［3］ZHANG Qian，LI V C.Development of durable spray－applied fire－resistive engineered cementitious composites（SFR－ECC）［J］.Cement Concrete Comp，2015，60：10－16.

［4］ZHANG Zhigang，QIAN Shunzhi，MA Hui.Investigating mechanical properties and self－healing behavior of micro－cracked ECC with different volume of fly ash［J］.Constr Build Mater，2014，52：17－23.

［5］俞家欢，邹静辉.FRP筋增强PPECC梁滞回性能试验研究 ［J］.土木工程学报，2012，45（S2）：84－88.

［6］DONG Luoting，PAN Jinlong，YUAN Fang，et al.Flexural behaviors of steel reinforced ECC／concrete compositebeams［J］.Southeast Univ（Engl Ed），2012，28（2）：195－202.

［7］YUAN Fang，PAN Jinlong，LEUNG C K Y.Flexural behaviors of ECC and concrete／ECC composite beams reinforced with basalt fiber－reinforced polymer［J］.Compos Constr，2013，17（5）：591－602.

［8］QUDAH S，MAALEJ M.Application of engineered cementitious composites（ECC）in interior beam－column connections for enhanced seismic resistance［J］.Eng Struct，2014，69：235－245.

［9］葛文杰，张继文，曹大富，等.正常使用状态下HRBF筋混凝土梁的裂缝性能 ［J］.扬州大学学报（自然科学版），2014，17（3）：59－63.

［10］薛会青，邓宗才.HRECC梁弯曲性能的试验研究与理论分析 ［J］.土木工程学报，2013，46（4）：10－17.

［11］JGJ／T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

Preparation and mechanic behaviors of engineered cementitious composites

WANG Biyuan1，GE Wenjie1＊，ZHOU Jingjing2，CAO Dafu1

（1.Sch of Civ Sci Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Xinwansheng Engin Manage Ltd，Suzhou 215300，China）

In order to produce engineered cementitious composites，solve the problem of fiber balling and ensure the phenomenon of strain hardening and the multiple fractures in the tensile test，a method of adding silica fume and using integral casting to protect fiber dispersion is proposed.Tests of tensile specimens with three different kinds and compressive strengths of some mix proportion are analyzed.The results show that silica fume can solve the problem of fiber balling better.Integral cast has advantageous to the occurrence of strain－hardening and multiple－crack.Compressive strength decreases with the increasing of water－cement ratio or cement content （fly ash content increases）.Strain hardening phenomenon all occurs in the tensile tests of three kinds specimens.

engineered cementitious composites；polyvinyl alcohol fiber；strain－hardening；multiple－crack

TQ 172.1

A

1007-824X(2015)03-0064-06

2015-05-05.* 联系人，E-mail:gewj@yzu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51308490);江苏省自然科学基金资助项目(BK20130450);住房和城乡建设部科学技术计划资助项目(2013-K4-17);江苏省高校自然科学基金资助项目 (13KJB560015);扬州市科技计划资助项目(2012149).

王必元，葛文杰，周静静，等.工程水泥基复合材料的制备及力学性能［J］.扬州大学学报(自然科学版)，2015，18(3):64-69.

（责任编辑 秋 实）