PVA纤维掺和胶凝砂砾石材料的力学性能研究

， ,2，，

(1.延边大学 土木工程系，吉林 延吉 133002；2.中建五局 第三建设有限公司，长沙 410000)

1 研究背景

胶凝砂砾石材料(CSG材料)[1-2]是一种新型材料，它是将一定量的胶凝材料和水掺入天然砂砾石料中得到的，是一种介于天然砂砾石料和混凝土之间的材料。如今，经过几十年的研究和发展应用，形成了一种新型坝体——胶凝砂砾石坝(CSG Dam)[3-5]，实践证明，该坝体安全可靠，施工简易，且要求低，经济合理。随着CSG材料在水利工程中被逐步推广应用，对其配比设计及相应的力学性能进行研究至关重要。

已有研究表明[6-7]，CSG材料的力学性能主要受胶凝材料用量的影响，且其劈拉强度是自身抗压强度的8%～11%。而在许多水工建筑中，拉应力是不可避免的，且大量研究资料表明[8]，纤维可改善混凝土强度及抗拉等力学性能。由于国内对其研究才刚刚起步，尚未形成系统且完善的研究结论。因此，本文运用正交试验设计方法，选取天然砂砾石为原材料，采取等骨料级配及砂率、不同胶凝材料用量、龄期等参数,针对性地试验分析CSG材料力学性能，且总结各影响参数的变化规律，最终提出以强度及破坏变形率等为主导影响的适宜CSG材料配比，为CSG今后在坝体材料上的推广运用提供科学依据。

2 试验设计

2.1 原材料

采用密度为3.04 g/cm3的42.5#普通硅酸盐水泥，化学成分如表1所示。纤维采用的是PVA纤维中的REC15，它强度高，耐腐蚀性好，与水泥等亲和性好，具体力学性能如表2所示。所用天然砂砾石料来自某河床，具体级配特性如表3所示；经筛分后分为砂料和骨料，由于颗粒级配情况，制作试件所用的粒径均控制在40 mm以内，其具体物理特性如表4所示；2种骨料颗粒级配曲线如图1所示。水采用自来水。

表1 水泥的化学成分Table 1 Chemical compositon of cement

表2 纤维种类及性能指标Table 2 Category and properties of fiber

表3 天然砂砾石料级配特性Table 3 Grain size distribution of natural sand and gravel

表4 天然砂砾石料物理特性Table 4 Physical properties of natural sand and gravel

图1 天然砂砾石2种骨料颗粒级配曲线Fig.1 Gradation curves of two aggregates

2.2 试验标准

由于国内对CSG材料研究相对较少，还未形成一套较为完整的统一规范。但鉴于CSG材料特性介于混凝土与土石料之间，本次试验方法参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)[9]和《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[10]进行。

试件尺寸为φ150 mm×H300 mm，每个配合比制作试件10个(6个抗压+4个劈拉)，共300个试件。试件分3次装入碳素钢模,每层人工振捣击实成型，待48 h后脱模，在自然条件下养护，养护温度为(20±2)℃，每天洒水养护，保证湿度为(95±1)%；最后分别测试试件7，28，91 d的抗压及劈拉强度。其中，试验采用微机控制系统电子万能试验机进行测试，其最大轴压为1 000 kN，精度为0.01%。

2.3 配合比设计

根据CSG材料的特性及混凝土配合比设计经验，采取等骨料级配及砂率、不同胶凝材料用量、龄期设计正交试验研究配合比，并在此基础上，分别掺0%，1%，3%，5%，10%(占水泥用量的百分比)PVC纤维，最终得到配合比设计结果见表5。

表5 配合比试验设计Table 5 Design of mix proportion

3 试验结果及分析

3.1 密度及含水率

依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[11]进行击实试验。测得各配合比下试件最大干密度及最优含水率，如表6所示。据表6可知，纤维的掺入对最大干密度及最优含水率均有影响，且总体上看，纤维具有降低干密度的效果，但对含水率的影响规律不明显。

表6 各配合比下试件最大干密度与最优含水率Table 6 Maximum dry density and optimum moisture ratio of specimens with different mix ratios

3.2 CSG材料抗压强度试验分析

3.2.1 试件破坏形态

图2 抗压试件破坏形态Fig.2 Failure pattern of specimen under compression

根据抗压试件破坏形态(图2)及现场加载试验情况，我们可以得出CSG材料圆柱体试件受压破坏的整个过程为：①随着机械荷载的不断增大，垂直方向上压应力增大，试件产生纵向变形；②荷载不断增大时，试件上、下表面与试验机上、下压力面之间的摩擦力也随之产生，从而使试件不能自由地纵向扩张，使试件横向变形产生膨胀应力[12]，特别是试件与上、下压板的接触区域；③由于试件中部受两端影响小，随着荷载的增加，首先产生纵向裂缝，其次出现斜向裂缝，最终破坏。

3.2.2 应力-应变曲线

根据养护时间的变化，待达到某一龄期后，进行强度测试，整理试验结果。

观察抗压破坏形态可知，CSG材料破坏主要由于骨料与浆体分离，而骨料并未破坏，属于粘结破坏。我们知道CSG材料最主要的工程特性是水泥用量少[13]，而胶凝材料粘结面在受力的情况下极为脆弱。因此为了改善此特性，试验针对不同配合比，研究水泥用量及纤维掺量对CSG材料强度的影响，得出试验应力-应变关系曲线，如图3、图4所示。

图3 水泥用量60 kg/m3的不同纤维掺量下试件应力-应变关系Fig.3 Stress-strain relationship of specimen containing 60 kg/m3 cement in the presence of varying fiber content

图4 水泥用量80 kg/m3的不同纤维掺量下试件应力-应变关系Fig.4 Stress-strain relationship of specimen containing 80 kg/m3 cement in the presence of varying fiber content

在试验中，受人为因素及养护环境的影响，可能会出现个别试件产生较大相对误差的试验结果。但总体上由图3、图4中试验数据分析可知：随着水泥用量的增加，CSG材料强度增加，特别是试件的前期抗压强度均随水泥用量的增加而大幅增加；但由于试验中纤维过少或过多掺入，水泥用量变化对强度产生不利影响，特别是过多纤维的掺入影响水泥的化学作用，进而影响强度；同时，纤维的掺入也使得CSG材料的前期强度增长逐步大于后期强度增长，甚至有部分试件91 d强度小于28 d强度，这是因为在前期反应中，纤维作为填充材料使得在混凝土基体中布满了许多立体纤维网，而这种立体纤维网会与水泥形成胶结能力，但随着反应时间的延长，在后期反应中却影响了水泥颗粒之间的凝结，甚至影响到前期已形成的凝胶作用。综上所述，水泥对CSG材料的胶结作用很强，对强度的增强是显而易见的。

3.2.3 纤维掺量对抗压强度的影响

纤维掺量对抗压强度的影响规律如图5所示。经分析得出：①当纤维掺量分别为1%，3%，5%，10%时，在水泥用量为60 kg/m3时，CSG材料的7 d抗压强度分别较未掺纤维增加了24%，20%，14%，19%; 28 d抗压强度分别是未掺纤维的104%，94%，104%，74%；91 d抗压强度分别较未掺纤维增加了19%，22%，19%，7%。②在水泥用量为80 kg/m3时，CSG材料的7 d抗压强度分别较未掺纤维增加了13%，28%，4%，22%；28 d抗压强度分别是未掺纤维的76%，74%，58%，70%；91 d抗压强度分别是未掺纤维的99%，108%，102%，89%。有部分试件强度负增长，说明试件制作过程中有试验误差的出现。

图5 纤维掺量对抗压强度的影响规律Fig.5 Variation of compressive strength against fiber content

对比掺入纤维的CSG材料和基准材料发现：随着纤维的掺入，抗压强度有增加的趋势，特别是掺入3%纤维时，CSG材料在不同胶凝材料用量、龄期内强度均得到很好提高，且在后期强度体现明显；但随着掺量的进一步增加，抗压强度开始有降低的趋势，特别是掺量达到10%强度下降明显。这是因为纤维在CSG材料中亲水与水泥基质间形成了均匀致密且具有整体性的结构，使其具有良好的界面粘合力，当应力施加于材料上时，因破坏结构而消耗能量，从而提高抗压强度；同时，刚刚掺入纤维时，对混凝土起到较为明显的引气效果，使CSG材料中的水泥基质与各粗细骨料间的结合力降低，从而CSG材料的早期强度会有所降低；但纤维的增加需要更多水泥缠裹，而总体水泥用量是有限的，不利于整体性，抑制了强度的发展。

纤维掺量对抗压强度的影响曲线变化规律可以用关系式Y=Px3+Qx2+Sx+U进行拟合。其中：Y为抗压强度；x为纤维掺量,分别为0%，1%，3%，5%，10%；P，Q，S，U为回归系数。拟合结果如表7所示。

表7 纤维掺量对抗压强度影响的拟合参数Table 7 Regression coefficient between fiber content and compressive strength

由图6所示的变形率随纤维掺量的变化规律可知：当纤维掺量分别为1%，3%，5%，10%时，在水泥用量为60 kg/m3时，CSG材料的抗压破坏变形率增加了1.0～1.5倍；在水泥用量为80 kg/m3时，CSG材料的抗压破坏变形率增加了1.1～1.7倍。

图6 抗压破坏变形率随纤维掺量的变化规律Fig.6 Variation of compressive deformation rate against fiber content

3.3 CSG材料电镜观察及成分分析

3.3.1 化学成分分析

通过试验检测得到不同水泥用量下CSG材料的主要化学成分，如表8所示。我们知道水泥在干态时主要由C3S，C2S，C3A，C4AF等物质组成[14]，但在其水化过程中，会生成钙矾石，即三硫型水化硫酸铝钙、单硫型水化硫酸铝钙、氢氧化钙、硅酸钙C-S-H凝胶。从表8中我们发现CaO,Al2O3,Fe2O3等物质含量降低，而SiO2等物质含量增加，从一定程度上可以说明水泥量的增加，使水化反应变得剧烈，从而提高CSG材料的强度。

表8 不同水泥用量下CSG材料的主要化学成分Table 8 Main chemical composition of CSG materials with different contents of cement %

3.3.2 形貌分析

将试件取样、磨碎、烘干，放电镜下观察，得图7。可以看出，图7(b)中水化反应所形成的产物更致密，图7(a)中的孔结构较多。结合化学组分，更反映出水泥用量的增加使水化反应变得剧烈，从而提高CSG材料的强度。

图7 电镜观察图(1万倍率)Fig.7 SEM images (magnified by 10 000 times)

3.4 CSG材料劈裂抗拉强度影响分析

3.4.1 试件破坏形态

如图8所示，同抗压破坏形态一样，骨料并未遭破坏。具体破坏过程为：将圆柱试件横放在压力机压板之间，当压力机的荷载不断增大时，试件开始沿中心线方向出现裂缝，且随着荷载的继续增大，裂缝宽度也持续增加，直到试件达到所能承受的劈裂荷载，试件劈裂。CSG材料试件的劈裂破坏是沿着中心线，劈裂成两半的劈裂方式；劈裂面是胶结材料与骨料的粘结面[15]。

图8 抗拉试件破坏形态Fig.8 Failure pattern of specimen under tension

3.4.2 纤维掺量对劈拉强度影响分析

纤维掺量对抗压强度的影响规律见图9。分析得出PVA纤维是一种高强、高弹性、与水泥基体粘结程度较高的合成材料，掺入PVA纤维犹如在CSG材料中加入了纤维筋，它能有效地抑制CSG材料的早期塑性裂缝，提高其断裂韧性，从而在一定程度上提高了CSG材料的劈拉强度。由于纤维与水泥基体的粘结程度较高，当外界应力作用时，内部形成的水泥凝胶体将应力传递给纤维，PVA纤维有较高的延伸率，以此在交界面上产生了剪切力，这种剪应力可以相互约束，即既阻止纤维伸长，又抑制内部生成微细裂缝；但当掺量过高时，会明显降低水泥的包覆效果，导致CSG材料的劈拉强度会有所降低。

图9 纤维掺量对抗拉强度的影响规律Fig.9 Variation of tensile strength against fiber content

图10 抗拉破坏变形率随纤维掺量的变化规律Fig.10 Variation of tensile deformation rate against fiber content

在图10中，当纤维掺量分别为1%,3%,5%,10%时，在水泥用量为60 kg/m3时，CSG材料的抗压破坏变形率增加了(0.6～1.5)倍；在水泥用量为80 kg/m3时，CSG材料的抗压破坏变形率增加了(1.0～1.4)倍。

3.5 拉压比试验研究

已有研究表明，CSG材料的劈拉强度是抗压强度的8%～11%，但由于掺有纤维，抗压及抗拉强度均有所提高，它们之间的关系需进一步研究。为此，进行不同配比下的拉压试验，测得数据如表9所示。

表9 拉压比试验数据Table 9 Ratio of compressive strength to tensile strength

CSG材料的抗压强度与抗拉强度之间存在一定的比值关系[16]，而纤维掺量的变化导致各强度提高程度不同。经过30组拉压试验，分析数据研究可知，改善后的CSG材料拉压比仍存在一定的比例范围，且对比值改善最明显的是掺量为5%时，抗拉强度达到抗压强度的24.1%。

4 结 论

(1)对比掺入PVA纤维的CSG材料与基准材料发现，随着纤维的掺入，试件在不同胶凝材料用量、龄期内的抗压及劈拉强度均有所增加，且对抗压强度的影响大于抗拉强度；对于抗压强度而言，整体有增加的趋势，且对后期强度体现明显，但随着掺量的进一步增加，抗压强度开始有降低的趋势，特别是掺量达到10%时强度下降明显；对劈拉强度而言，随着纤维掺量的增加，劈拉强度亦增加，但继续增加纤维掺量，劈拉强度随后亦有降低的趋势，但均高于基准材料。

(2)在试验中，PVA纤维对破坏变形率的影响整体上看均呈增加趋势，但增率不大，特别是在胶凝材料用量不变的情况下，增幅为(1.0～1.5)倍，但随着胶凝材料用量的增加，增幅增大；但总体上，对破坏变形率的改变程度大于强度。

(3)根据试验及回归方程分析，可以得出：CSG材料掺和PVC纤维能较好地改善原材料的延性，且将试件破坏形态由脆性破坏转化为延性破坏，特别是掺入3%PVA纤维时，试件的抗压及劈拉强度均达到最大值。

(4)CSG材料的抗压强度与抗拉强度之间存在一定的比值关系，而通过纤维改善后其拉压比仍存在一定的比例范围，且对比值改善最明显的是掺量为5%时，达到24.1%。