生态高延性水泥基复合材料的抗冻性能

柴丽娟 郭丽萍 陈 波 徐燕慧 费春广

(1东南大学材料科学与工程学院， 南京211189)(2南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 210029)

在桥梁工程中，采用无缝桥面连接板替代传统的钢制伸缩缝，使整个桥面连续而无缝[1].无缝桥面连接板不仅承受压缩荷载，而且承受车辆引起的弯曲荷载.高延性水泥基复合材料(High ductility cementitious composites, HDCC)具有高延性、优异的裂缝控制能力，已被应用于桥面无缝连接板工程中，通车后的连接板监测表明HDCC仍保持优异的性能[1-2].

HDCC中掺加PVA纤维后，由于纤维有引气作用，使得HDCC中大于0.3 μm的孔数量增多，这为冻融循环过程中HDCC提供了压力释放通道，而且纤维有阻裂桥联作用，使HDCC的抗冻性能比普通混凝土的抗冻性能更好[3-6].在文献[3-6]中，HDCC配合比采用日产可乐丽纤维和石英砂，成本较高，不利于HDCC在工程中的推广应用.采用国产PVA纤维和普通河砂替代日产纤维及石英砂可使HDCC的制备成本降低.Qian等[7]采用国产纤维、河砂制备HDCC，并对其弯曲性能进行研究，结果表明在弯曲荷载下HDCC表现出多缝开裂形态，但并未涉及抗压强度；张丽辉[8]采用国产PVA纤维和普通河砂制备生态HDCC (ecological HDCC, ECO-HDCC)，其抗压强度为24.3～50.0 MPa，单轴拉伸应变为0.5%～3.0%，且计算得到ECO-HDCC的成本为普通HDCC的三分之一.由于日产纤维和国产纤维表面处理工艺不同，其在水泥基浆体中的亲水性也有所差异，会导致不同的引气效果，因此国产纤维制备的ECO-HDCC的抗冻性能有待进一步研究.

本文在已制备的ECO-HDCC基础上[8]，根据《公路桥涵设计通用规范》[9]中规定水泥混凝土桥面铺装层的强度等级不低于C40的要求，为保证无缝连接板与桥面铺装层的强度等级一致，选取了C40配合比进行冻融循环试验.首先研究ECO-HDCC在经历0～300次冻融循环后的外观形貌、质量损失率及相对动弹性模量.然后分析其弯曲性能和抗压性能.最后通过微观手段揭示其宏观性能.

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥采用南京海螺牌P.Ⅱ42.5R水泥；粉煤灰选用南京热电厂Ⅱ级粉煤灰；普通河砂密度为1 605 kg/m3，细度模量为1.68，最大粒径为1.18 mm；减水剂为聚羧酸减水剂粉体；试验所采用的水为南京自来水；试验用国产PVA纤维的主要性能指标如表1所示. ECO-HDCC配合比如表2所示.

表1 PVA纤维的性能指标

表2 ECO-HDCC配合比 kg/m3

1.2 试件制作流程

试验成型采用60 L混凝土搅拌机，其搅拌步骤如下：首先将水泥、粉煤灰、河砂、减水剂、功能性组分干拌2～3 min，使各组分混合均匀；然后加水搅拌4～5 min，以获得均匀的流动浆体；最后缓慢加入纤维，搅拌3～4 min，确保纤维均匀分散.之后装模，振捣，用塑料薄膜覆盖表面防止水分蒸发，静置24 h拆模，将试块放置于标准养护室养护28 d.参考《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)，测得新拌浆体的流动度为250 mm；根据水泥砂浆含气量测试方法测得新拌浆体的含气量为3.9%.

1.3 试验方案

抗压性能试验参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[10]，设备采用YAW-3000D电液伺服压力试验机，加载速度为0.5 MPa/s，立方体抗压试验所用试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，轴心抗压试验所用棱柱体尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，弹性模量和泊松比采用在棱柱体试块表面贴应变片的方法测试.弯曲性能试验参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13: 2009)[11]，采用四点加载方式，设备采用Instron 8802电伺服疲劳试验系统，加载速度为0.5 mm/min，试块尺寸为75 mm×15 mm×300 mm，挠度通过位移计测量；试验所用试块经受冻融循环次数为0，50，100，150，200，250，300次，分别用FT-0，FT-50，FT-100，FT-150，FT-200，FT-250，FT-300表示.

ECO-HDCC耐久性试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[12]中的快冻法，设备采用NJW-HDK-9微机全自动混凝土快速冻融试验机，ECO-HDCC外观形貌、相对动弹性模量和质量损失率试验采用100 mm×100 mm×300 mm试块进行分析.压汞试验采用Autopore IV9510全自动压汞仪，扫描电镜采用FEI 3D场发射环境扫描电子显微镜.

2 试验结果与分析

2.1 外观形貌

图1是ECO-HDCC经历不同冻融循环后试块的外观形貌.由图中可以看出，冻融前试块表面无裂纹、无剥落，表面光滑平整，经历50次冻融循环后，试块表面轻微剥落，无裂缝；经历100～200次冻融循环后，试块表面呈龟裂状，表面脱落，但无纤维裸露；但经历250～300次冻融循环后，试块表面脱落，少量纤维露出，无肉眼可观察的裂缝.

(a) FT-0

(b) FT-50

(c) FT-100

(d) FT-150

(e) FT-200

(f) FT-250

(g) FT-300图1 ECO-HDCC经历冻融循环后的外观形貌

2.2 相对动弹性模量和质量损失率

ECO-HDCC在冻融循环后的相对动弹性模量和质量损失率如图2所示.随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的相对动弹性模量逐渐降低，但降低幅度较小，经历300次冻融循环后，相对动弹性模量为96.8%，相比未冻融前，只降低3.2%，说明冻融循环对试块内部损伤较小.质量损失率随着冻融循环次数的增加而逐渐增加，最大质量损失率为0.25%，但在冻融循环50次时，试块质量略有增加，试块内部孔隙由于冻胀压力作用，孔隙逐渐增大，吸水率增加，而此循环下，虽然试块表面轻微剥落，但在二者综合作用下试块表现出质量增加的趋势[13].结合图1试块的外观形貌分析，ECO-HDCC经历300次冻融循环后，表面仅轻微剥落，质量损失较小.这主要是因为纤维的掺入，一方面引入气泡，导致孔分布比较均匀，改善了孔的结构，大孔较多，可以缓解水结冰使得体积膨胀而造成的压力；另一方面，纤维具有抗裂作用，可减少裂缝的扩展，使试块损伤较小.

根据《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)[14]规定，寒冷地区中度饱水条件下设计使用年限30年的结构要求，抗冻耐久性指数DF应大于45%.通过计算ECO-HDCC的抗冻等级大于F300，抗冻耐久性指数DF为97%，因此，ECO-HDCC符合寒冷地区结构抗冻性要求.

(a) 相对动弹性模量

(b) 质量损失率

图2冻融循环次数对ECO-HDCC相对动弹性模量和质量损失率的影响

2.3 弯曲性能

ECO-HDCC在不同冻融循环次数下的弯曲性能结果如表3所示.为方便观察其弯曲性能与冻融次数的关系，选取冻融循环0，150，300次后ECO-HDCC弯曲强度-挠度关系曲线，如图3所示.经历冻融循环后，ECO-HDCC均表现出挠度硬化现象，结合表3和图3可知，随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的弯曲强度和初裂强度呈下降趋势，经历300次冻融循环后，试块初裂强度和弯曲强度分别降低了49.8%和24.9%；而挠度随着冻融循环次数的增加，呈现出先增加后降低的趋势，经历150次冻融循环后，试块挠度增加了72.4%，但经历300次冻融循环后，挠度降低了21.6%.在初裂点之前，试块的弯曲强度由砂浆基体承担，但随着冻融循环次数的增加，基体逐渐松散，导致弯曲强度降低，因此ECO-HDCC的初裂强度随着冻融次数的增加呈下降趋势；在冻融循环过程中，由于水结冰使得体积膨胀而造成压力增加，试块由表及里逐渐剥落，结构松散，因此弯曲强度降低.低温作用也会导致纤维的抗拉强度降低，会使纤维与基体界面化学黏结力降低，摩擦力增加，因此在弯曲荷载下更多纤维呈拔出状态，纤维的桥联作用得以充分发挥，试块挠度逐渐增加.在冻融循环次数为200～300次时，试块结构较为松散，纤维的抗拉强度下降明显，纤维的桥联作用不足以发挥，试块的挠度逐渐降低.

表3 ECO-HDCC弯曲性能试验结果

图3冻融循环次数对ECO-HDCC弯曲性能的影响

2.4 抗压性能

ECO-HDCC在不同冻融循环次数下的抗压性能结果如表4所示.随着冻融循环次数的增加，立方体抗压强度、轴心抗压强度和静力受压弹性模量均呈现下降趋势，这与弯曲强度的变化趋势一致，而冻融循环次数对泊松比影响不大.试块经历300次冻融循环后，立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量分别降低了20.2%，27.8%和10.1%，其中轴心抗压强度降低较为明显.在ECO-HDCC抗压试验中，试块的破坏形式是裂缝由中间向上下延伸，转向角部，但由于立方体试块尺寸较小，端部受加载垫板的影响较大，套箍效应明显，其抗压强度较大；而在轴心抗压强度试验中，试块中间100 mm范围内试块近似呈单轴受压状态，此时中间部位是最薄弱环节，且受端部的套箍效应影响较小.由于添加纤维的ECO-HDCC的抗拉性能和抗剪性能较好，因此在轴心抗压试验中，试块主要是因为套箍效应弱而破坏.在经历冻融循环后，试块的抗拉性能、抗剪性能有所降低，同时受到较弱的套箍效应，导致轴心抗压强度降低更为明显.在经历150～200次冻融循环后，试块的泊松比最大，说明试块在受压过程中，横向受拉变形比纵向受压变形更为明显，这主要是纤维的桥联作用得以充分发挥，这与弯曲挠度的变化规律一致.

表4 ECO-HDCC抗压性能试验结果

3 微观机理分析

3.1 孔结构分析

利用压汞法研究ECO-HDCC在不同冻融循环次数下的孔径分布情况，其临界孔径分布、最可几孔径分布及不同孔径的孔隙率如图4所示.由图可知，冻融循环次数对ECO-HDCC的临界孔径和最可几孔径影响不大，在经历300次冻融循环后，试块的临界孔径和最可几孔径由40.3 nm增大到50.3 nm，增加了24.8%；而冻融循环次数对不同孔径下的孔隙率影响较显著.对于孔径小于20 nm的无害孔，冻融循环对孔径影响较小，孔隙率基本维持在18%左右；对于孔径为20～50 nm的少害孔，在经历0～250次冻融循环后，此类孔径的孔隙率变化在30%左右，而经历300次冻融循环后，此类孔径的孔隙率为18.4%，相对未经历冻融循环时，降低了40.1%；对于孔径为50～200 nm的有害孔，在经历0～250次冻融循环后，此类孔径的孔隙率为5%～7%左右，而在经历300次冻融循环后，孔隙率为14%，增加了180%；对于孔径大于200 nm的多害孔，随着冻融循环次数的增加，此类孔径对应的孔隙率逐渐增加，经历300次冻融循环后，孔隙率增加了31.1%.由图4可知，随着冻融循环次数的增加，少害孔逐渐增大转变为有害孔或者多害孔，导致有害孔和多害孔的孔隙率逐渐增加，在300次冻融循环后试块的孔隙率变化最明显.而有害孔和多害孔孔隙率的增加导致ECO-HDCC的抗压强度和弯曲强度呈降低的趋势.

(a) 累计进汞量曲线

(b) 分计进汞量曲线

(c) 不同孔径下的孔隙率

图4冻融循环次数对ECO-HDCC孔径尺寸分布的影响规律

3.2 微观形貌分析

ECO-HDCC在经历不同冻融循环次数后的微观形貌如图5所示.由图可知，随着冻融循环次数的增加，基体结构逐渐松散，而且开裂也随之严重，尤其是经历300次冻融循环后，基体表面脱落，结构松散程度最为严重.由图可以看出，纤维拔出后的路径随着冻融次数的增加，路径上裂缝宽度逐渐增大，而且路径周围的基体松散程度越来越明显.说明纤维与周围基体的黏结性能逐渐下降，导致更多纤维呈拔出状态，因此弯曲挠度随着冻融循环次数的增加而呈现增加的趋势.但在经历250～300次冻融循环后，纤维的抗拉性能下降，基体更加松散，导致试块挠度降低.

(a) FT-0

(b) FT-50

(c) FT-100

(d) FT-150

(e) FT-200

(f) FT-250

(g) FT-300图5 ECO-HDCC经历冻融循环后的微观形貌

4 结论

1) 随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的相对动弹性模量逐渐降低，质量损失率基本呈增加的趋势，在经历300次冻融循环后，相对动弹性模量降低了3.2%，质量损失率为0.25%.通过分析ECO-HDCC的抗冻等级和抗冻性指数可知，ECO-HDCC符合寒冷地区结构抗冻性要求.

2) 随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的弯曲强度逐渐降低，经历300次循环后，弯曲强度降低了24.9%；而挠度呈现先增加后降低的规律，在经历150次冻融循环后，挠度增加了72.4%，经历300次冻融循环后，挠度降低了21.6%.由此可见，冻融循环次数对挠度的影响较大.

3) 随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的抗压强度和弹性模量呈下降趋势，而泊松比基本无变化.轴心抗压强度的降低趋势较立方体抗压强度明显.

4) 随着冻融循环次数的增加，ECO-HDCC的有害孔和多害孔逐渐增加，基体的结构逐渐松散，纤维与基体的界面黏结力降低.经历50～200次冻融循环后，在弯曲荷载下更多纤维呈现拔出状态，试块挠度增加；在经历250～300次冻融循环后，纤维和基体的抗拉性能损失较严重，试块挠度降低.

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