高韧性水泥基复合材料强度尺寸效应试验研究与正交分析

李雪阳，江世永，飞 渭，姚未来

(1.后勤工程学院军事土木工程系，重庆401311)

(2.后勤工程学院训练部，重庆401311)

高韧性水泥基复合材料强度尺寸效应试验研究与正交分析

李雪阳1，江世永2，飞 渭1，姚未来1

(1.后勤工程学院军事土木工程系，重庆401311)

(2.后勤工程学院训练部，重庆401311)

江世永

尺寸效应是水泥基材料的固有特性，它与材料的配合比、强度以及结构组成等因素有关。高韧性水泥基复合材料是一种新型复合材料，具有优异的韧性，但同时其结构组成与普通混凝土相比也具有较大差异。然而，目前针对尺寸效应的研究大多限于普通混凝土和高强混凝土，并且尚无相关标准对高韧性水泥基复合材料尺寸效应的处理作出规范。为了探究该种复合材料的抗压强度尺寸效应，本文采用两种不同尺寸的立方体试件，对16组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了单轴抗压试验和正交分析，研究了纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量和砂胶比这4个因素对材料强度尺寸效应的影响情况。试验结果表明:与普通混凝土相比，高韧性水泥基复合材料的脆性特征明显减小；诸因素对尺寸效应影响的主次顺序为水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比，其中水胶比和纤维掺量的影响均非常显著，而砂胶比对尺寸效应影响甚微。

尺寸效应；高韧性水泥基复合材料；配合比；抗压试验；正交分析

1 前 言

高韧性水泥基复合材料最初由Li基于微观力学的性能驱动设计方法提出[1]，也称之为Engineered Cemen-titious Composite，简称ECC。通过水泥基材内均匀分散的短纤维的桥联作用，材料在受到拉伸荷载的过程中会产生多条细密裂缝来实现准应变硬化特性[2]，即随着拉应变的增加，应力仍然可以随着应变的增加而增加，不会出现类似于混凝土的陡降现象。在单轴拉伸荷载作用下，高韧性水泥基复合材料的极限拉应变可达混凝土的数百倍[3]，具有良好的韧性。自ECC问世以来，因其优异的性能，国内外研究人员都相继展开了对该材料的研究[4，5]。

已有研究表明[6]，混凝土的强度不仅与材料的配合比、原材料种类等因素有关，还随着试件的几何尺寸的变化而变化，尺寸效应是混凝土类材料的固有特性。国内外学者也相继对混凝土抗压强度的尺寸效应进行了研究:Neville[7]对尺寸为70~150 mm的混凝土立方体试件进行了抗压试验，发现小尺寸试件的强度普遍高于大尺寸试件；Filho等[8]用不同尺寸的圆柱体试件对普通混凝土和高强混凝土抗压强度的尺寸效应进行了试验研究；钱觉时等[9]对多种不同尺寸的高强混凝土试件的抗压强度尺寸效应进行了一系列的研究；苏捷等[10，11]对不同骨料组分的普通混凝土和高强混凝土进行了抗压强度尺寸效应的试验研究，并提出了尺寸效应律的计算式。ECC与普通混凝土都属于水泥基复合材料，但两者的原材料组分和配合比设计有着很大的不同。ECC是在水泥基体里掺入大量单丝短纤维均匀搅拌而成，且大掺量地使用粉煤灰代替水泥，骨料仅使用精细石英砂作为细骨料，不含粗骨料；此外，ECC内均匀分散的短纤维与粉煤灰的火山灰效应[12]能够使材料内部结构更加均匀密实。因此，ECC的界面特性与普通混凝土之间有着较大差异，破坏时的脆性特征也明显降低。目前我国混凝土行业相关标准[13]规定以边长为150 mm的立方体试件为标准试件来评定混凝土的强度等级，并分别给出了边长为100 mm和200 mm的试件与标准试件之间的尺寸换算系数。ECC与普通混凝土的结构组成存在较大差异，二者的尺寸效应势必也有所不同，因此，在测定ECC的力学性能时不宜直接套用混凝土的尺寸换算系数。为了评价ECC的强度等级等力学指标，有必要针对该材料进行尺寸效应的研究。

2 试验设计

2.1 试验原材料

本次制备高韧性水泥基复合材料所用原材料为:标号为42.5＃的普通硅酸盐水泥，一级粉煤灰，直径0.1~ 0.2 mm的精细石英砂；纤维使用Kuraray聚乙烯醇(PVA)纤维，已有研究表明[14]该种纤维较为适合用于制备高韧性水泥基复合材料；为使拌合物具有足够的流动性，保证纤维能够均匀分散，添加聚羧酸高效减水剂。

2.2 试验配合比

本次试验以纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量和砂胶比4个因素为变量因素，每个因素考虑4个水平变量，如表1所示。纤维掺量的4个水平变量取为纤维与搅拌形成的复合材料的体积比Vf(vol%)等于0.8%，1.2%，1.6%和2.0%，分别用A1、A2、A3和A4来表示；水胶比的4个水平变量取为水与胶凝材料的质量比mW/B等于0.20，0.23，0.36和0.29，分别用B1、B2、B3和B4来表示；粉煤灰掺量的4个水平变量取为粉煤灰与水泥的质量比mFA/C等于0.6，0.9，1.2和1.5，分别用C1、C2、C3和C4来表示；砂胶比的4个水平变量取为砂与胶凝材料的质量比mS/B等于0.24，0.30，0.36和0.42，分别用D1、D2、D3和D4来表示。

表1 各因素水平变化Table 1 Changes in the levelof factors

2.3 正交设计

本次试验为4因素4水平正交试验，考察指标为高韧性水泥基复合材料抗压强度尺寸效应系数，采用L16(45)正交表，共16组配合比，如表2所示。对试验结果进行极差分析和方差分析，探讨各因素对尺寸效应影响的主次顺序，并定量分析各个因素影响的显著性。

3 试验过程

3.1 试验方法

目前国内外学者都相继对ECC的抗压性能进行了一系列的试验研究，但由于尚无统一的标准或规范可循，研究方法都不尽相同，采用的较多的试件形式为圆柱体试件[15，16]和立方体试件[17，18]。本次试验中，每组配合比均制作100 mm×100 mm×100 mm和150 mm× 150 mm×150 mm两种尺寸的立方体试件，以边长150 mm的立方体试件抗压强度试验值与边长100 mm的立方体试件抗压强度试验值的比值作为尺寸效应系数。

本次制备高韧性水泥基复合材料采用纤维后掺法，使用强制式混凝土搅拌机，先将粉料放入搅拌机干拌1~2 min，待粉料充分混合之后加入水和减水剂湿拌4~5 min，待拌合物流态达到要求之后再缓慢加入PVA纤维搅拌8~10 min，直至纤维分散均匀。在保证纤维分散均匀的前提下，每组的干拌、湿拌以及掺入纤维后的搅拌时间均保持基本一致，以减少搅拌时间对试件强度的影响。搅拌完成后倒入试模，为保证试件充分密实，每个试件振捣20 s，抹平后静置36 h脱模，放到标准养护箱中养护。本次试验采用电液伺服万能试验机，试验方法和强度取值方法参考GB/T 50081—2002«普通混凝土力学性能试验方法标准»中的相关规定[13]进行操作。

3.2 试验现象及结果

在普通混凝土立方体试块单轴抗压试验中，试件四侧处于无约束状态，又由于试验机上、下加载垫板对混凝土的环箍效应，因此在破坏时试件呈现上、下两面基本完好而中间细的锥形破坏；由于混凝土的脆性特征，荷载在到达极限荷载后迅速降低，破坏前无明显征兆，破坏时带有明显的崩裂声，破坏后试件四侧表面往往伴随着严重的剥落现象。在本次试验中，高韧性水泥基复合材料的受压破坏过程与普通混凝土有明显区别，无论试件尺寸大小，所有试件均没有出现锥形破坏面；第一组和第二组的试件由于纤维掺量较低且水胶比偏小，导致材料脆性特征相对于其余实验组较为明显，破坏时带有崩裂声，但试件仍能保持完整性，而其余十四组试件破坏时均无崩裂声；所有试件在破坏后都没有出现类似于普通混凝土的剥落现象。经观察发现，除了第一组和第二组以外的所有试件，无论尺寸大小如何，在加载过程中的破坏模式均表现为:随着荷载增加，试件中部首先出现竖向细微裂缝，随之裂缝向边角处缓慢发展并生成新裂缝；当荷载加至接近极限荷载时，裂缝基本贯通截面，同时伴有纤维拔出和断裂的声音；最终试件横向变形开始明显增大，承载力下降，试件破坏。试验现象表明，纤维的桥联作用明显降低了材料的脆性特性，也使得材料在破坏后仍能保持良好的完整性。两种尺寸的试件破坏形态见图1。每组配合比边长100 mm和边长150 mm立方体试件的抗压强度试验值与尺寸效应系数记录于表2。

图1 不同尺寸立方体试块受压破坏形态:(a)100×100× 100 mm，(b)150×150×150 mmFig.1 Compression failure mode ofcube specimens with different sizes:(a)100×100×100 mm，(b)150×150×150 mm

4 结果分析

4.1 极差分析

极差R的大小可以衡量各因素影响作用的大小，极差大的因素通常是重要因素，极差小的因素往往是次要因素。以因素A(纤维掺量)为例说明极差的计算方法。

根据表2，分别计算出纤维掺量各水平对应的尺寸效应系数之和K1、K2、K3、K4与平均尺寸效应系数

极差R取为尺寸效应系数之和的极大值与极小值之差，即:

其余各因素的极差计算方法与因素A相同，本次试验的极差分析结果见表2。

由极差计算结果可知，在本次试验所考虑的4个因素中，极差从大到小依次为:水胶比(0.75)>纤维掺量(0.61)>粉煤灰掺量(0.20)>砂胶比(0.05)。由此可以看出，水胶比和纤维掺量对材料抗压强度尺寸效应影响较大，其次是粉煤灰掺量，而砂胶比的极差远小于其它3个因素，表明砂胶比对尺寸效应的影响最小。

为进一步分析各因素水平变化对尺寸效应系数的影响，以各因素的水平变化为横坐标，各水平对应的平均尺寸效应系数值为纵坐标，画出各因素不同水平与尺寸效应系数之间的关系曲线，如图2所示。

从表2与图2可见:

(1)将本次试验所记录的尺寸效应系数与混凝土相关规范[13]相比较发现，高韧性水泥基复合材料的尺寸效应与普通混凝土存在明显差异。高韧性水泥基复合材料的结构组分与普通混凝土不同，内部结构更加均匀密实，且破坏过程中脆性特征减小，破坏模式也异于混凝土。因此，在不同尺寸的高韧性水泥基复合材料抗压试验中，不宜直接套用现有混凝土相关规范中的尺寸效应系数。

表2 试验结果及正交分析Table 2 Test results and orthogonalanalysis

图2 各因素水平变化对尺寸效应系数的影响趋势Fig.2 Influences trends of changes in various factors on size effect coefficients

(2)纤维掺量和水胶比是对尺寸效应系数影响较大的两个因素，其中水胶比的影响最为显著。高韧性水泥基复合材料与普通水泥基复合材料本质的区别在于其内部随机分布的短纤维，在试件破坏过程中，纤维在断裂面之间发挥桥联作用，其间消耗大量能量，避免了类似于普通混凝土的突然破坏，降低了材料的脆性。而材料的脆性程度会直接影响尺寸效应，脆性特征越明显，尺寸效应越严重。另一方面，随着水胶比的增大，拌合物的流动性越好，纤维越容易分散均匀，相反地，如果水胶比过小，可能会引起基体断裂韧度过高导致初始开裂强度过高而无法满足初始开裂应力准则[19]，纤维的破坏形式转为断裂破坏，不利于纤维桥联作用的发挥；同时，用水量的增大也会导致材料强度的降低，大量试验研究表明[20]，抗压强度越低，尺寸效应越不明显，尺寸效应系数越接近1。因此，当纤维掺量或水胶比越大，尺寸效应系数越接近1，呈增大趋势。

(3)本次所用粉煤灰为一级粉煤灰，由大量细微的球状玻璃体组成，对水的吸附力小，可以改善拌合物流动性，有利于纤维的分散。另一方面，在水环境中，粉煤灰内的活性成分会与水泥水化物产生化学反应，即粉煤灰的火山灰效应，其反应所生成的产物填充于水泥水化物的孔隙中，降低了材料内部的孔隙率，使材料更加均匀密实，同时也改善了纤维与材料基体之间的界面性质。本次试验结果显示，当粉煤灰与水泥的质量比在0.6~1.5的范围内逐渐增大时，材料的尺寸效应系数呈先增大后减小的趋势，表明粉煤灰与水泥存在一个最佳比例，能使得材料内部结构更加均匀密实，减小材料脆性特征。

(4)从极差分析的结果来看，砂胶比对尺寸效应系数的影响最小。试验数据表明，当砂胶比在0.24~ 0.42的范围内变化时，材料的尺寸效应系数仅在很小的范围内呈波动性变化。精细石英砂的掺入，一方面增大了拌合物的密实性，但另一方面，过大的砂胶比会增加基体的断裂韧度，不利于纤维发挥桥联作用。

4.2 方差分析

本次试验中，用极差法得到了4个变量因素对尺寸效应系数影响的主次顺序，但需注意的是，极差分析无法估计试验的误差情况。为了衡量本次试验的精度，并使用一个标准定量地考察这4个因素对尺寸效应的影响是否显著，对此次试验结果进行方差分析，结果见表3。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

由各因素的方差值和自由度可以计算出对应的均方值，然后查表可得F值，通过比较各因素的F值与给定显著性水平下的临界值，即可分析各因素对尺寸效应系数影响的显著性。由方差分析可知:本次试验的试验误差为误差较小，试验精度较高；在显著性水平α＝0.01的情况下，水胶比和纤维掺量这两个因素的F值均大于临界值F0.01(3，3)＝29.5，说明这两个因素对ECC强度的尺寸效应影响均特别显著；而在显著性水平α＝0.10的情况下，粉煤灰掺量和砂胶比的F值均小于临界值F0.10(3，3)＝5.4，表明就本次正交试验结果而言，粉煤灰掺量和砂胶比对尺寸效应的影响并不显著；同时，根据均方值的大小判断，各因素对尺寸效应系数影响的主次顺序为水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比，该结论与极差分析的结果一致。

5 结 论

(1)相对于普通混凝土，高韧性水泥基复合材料的脆性特征明显减小。在受压破坏过程中，当材料产生微裂纹时，材料内部均匀分散的短纤维可阻止裂纹扩展并吸收能量，从而使材料韧性增强。同时，在试件破坏过程中，纤维在断裂面之间产生桥联作用，使材料在破坏后仍能保持良好的整体性，无明显的外凸和剥落现象。

(2)高韧性水泥基复合材料立方体试块抗压强度存在尺寸效应，由于与普通混凝土组成成分不同，其尺寸效应与普通混凝土也存在明显的差异，试验中不宜直接参考现有的混凝土相关规范来评价高韧性水泥基复合材料的抗压性能。

(3)诸因素对强度尺寸效应系数影响的主次顺序为:水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比。其中水胶比和纤维掺量对尺寸效应的影响非常显著，随着水胶比(0.20~0.29)或纤维掺量(0.8%~2.0%)的增加，尺寸效应系数逐渐趋近于1。粉煤灰的火山灰效应能够改善纤维与材料基体之间的界面性质，更利于纤维发挥其桥联作用以增大材料韧性，减小了材料的脆性特征，但同时粉煤灰的活性反应也减小了材料内部的孔隙率，对材料强度具有积极作用，而水泥基复合材料的强度越大，其尺寸效应也会越明显；因此，粉煤灰掺量存在一个最佳值，能使尺寸效应系数最接近1。当砂胶比在0.24~0.42的范围内变化时，尺寸效应系数基本保持不变，可以认为砂胶比对尺寸效应的影响较小，可将其作为次要因素来考虑。

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(编辑 惠 琼)

Experimental Study and Orthogonal Analysis of Strength Size Effect of High Toughness Cementitious Composite

LI Xueyang1，JIANG Shiyong2，FEI Wei1，YAO Weilai1
(1.Department of Military Civil Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)
(2.Department of Training，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Size effect is the inherent characteristic of cementitious materials，which is related to the factors such as mix-ture ratio，strength and structure composition.The high toughness cementitious composite is a new type of composite mate-rial with excellent toughness，but at the same time its structure is quite different from that of ordinary concrete.However，most of the current studies on size effects are limited to ordinary concrete and high-strength concrete，and there is no rele-vant standard to regulate size effect of high toughness cementitious composite.In order to explore the compressive strength size effect of high toughness cementitious composite，the uniaxial compressive test and orthogonal analysis on 16 groups of high toughness cementitious composites with different mixture ratios and two sizes of cube specimens were carried out to study the influence of four factors on the compressive strength size effect of this material，including fiber content，water-binder ratio，fly ash content and sand-binder ratio.The test results show that the brittleness of high toughness cementitious composite is obviously reduced compared with ordinary concrete.The primary and secondary order of the influence of this four factors on size effect is water-binder ratio>fiber content>fly ash content>sand-binder ratio；the influence of water-binder ratio and fiber content is highly significant，while sand-binder ratio has little effect on the size effect.

size effect；high toughness cementitious composite；mixture ratio；compressive test；orthogonal analysis

TU528

A

1674－3962(2017)06－0473－06

2017－03－06

重庆市高校优秀成果转化资助重点项目(KJZH14220)

李雪阳，男，1991年生，硕士研究生

江世永，男，1965年生，教授，博士生导师，Email:jiangshy1＠163.com

10.7502/j.issn.1674－3962.2017.06.12