超轻质高延性水泥基材料力学性能研究

黄振宇,隋莉莉,王 芳

(1.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳518060；2.广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳518060)

轻质混凝土是指密度在800～1 950 kg/m3或是密度在1 120～1 920 kg/m3同时抗压强度不小于21 MPa的混凝土[1].轻质混凝土密度小的原因之一是使其材料内部孔隙增多，根据孔隙所在的位置和形成机制，轻质混凝土一般可以分为三类：(1)轻骨料混凝土，孔隙主要集中在骨料中[2]；(2)蜂窝混凝土和泡沫混凝土，孔隙主要在水泥浆中[3]；(3)无细骨料混凝土，由于没有细骨料的填充作用，粗骨料之间会形成孔隙[4].由于轻骨料混凝土自重小，保温隔热性能好等优点，可用于高层建筑，大跨度桥梁以及海洋平台等对自重敏感的工程结构[1,5].但由于大部分轻质混凝土的抗压强度偏低，整体性能偏脆的缺点限制了轻质混凝土在建筑工程中的广泛应用.

传统的轻骨料有膨胀页岩[6]，膨胀珍珠岩[7]，聚苯乙烯珠[8]等材料，虽然可以达到减小混凝土密度的目的，但抗压强度往往不满足结构应用的标准.另外，生产这类轻骨料通常采用烧结成型方法，能耗大不环保.近几年，粉煤灰空心微珠、玻璃微珠以其压碎强度高、功能性能优越得到了众多学者的关注和研究.Brooks等人[9]使用不同类型及掺量的粉煤灰空心微珠制备了轻质混凝土，干密度在1 400～2 020 kg/m3，强度在35.4～53.5 MPa.Hanif等人[10]用玻璃微珠作为轻质填料，对体积掺量为1.5%的聚乙烯醇纤维(PVA)的轻质混凝土进行试验发现，随着玻璃微珠掺量由0%增加到50%(水泥质量占比)，其密度从2 068 kg/m3降至880 kg/m3，抗压强度由94.3 MPa降至14.3 MPa.Chen等人[11]利用粉煤灰漂珠微珠作为填料，添加2%的PVA纤维进行试验制备的混凝土密度均在1 300 kg/m3以下，28 d抗压强度可达到50 MPa，但其单轴拉伸应变率仅略高于1%，延性无法达到高延性混凝土特征.Soe等人[12]开发了一种新型掺加混杂纤维的高延性水泥基材料(ECC)，抗压强度可达70 MPa，但拉伸应变仅为0.5%左右.俞可权等人[13]使用石英砂、水泥、高炉矿渣、硅灰和粉煤灰制备的ECC，在掺加2%PE纤维后，直接拉伸应变可达到3.90%～9.63%，相应混凝土密度在1 900～2 400 kg/m3.Huang等人[14]使用玻璃微珠制备的一种漂浮水泥基材料，加入1%聚乙烯纤维后拉伸应变即可达到6%，拉伸段存在明显应变硬化行为.上述文献表明，大多数传统高延性混凝土虽然拉伸应变能力较强，但自重仍然较大；而采用粉煤灰漂珠或玻璃微珠制备的混凝土虽然密度降低显著，但普遍抗压强度较低，而且拉伸应变能力无法达到高延性混凝土的轴拉应变的标准，限制了其在工程中的应用.因此，开发同时具备质量轻、强度高和延性高的轻质水泥基材料，并应用于实际工程具有重要意义.本文采用优选的玻璃微珠作为填料，并使用经过亲水处理的PE 纤维，基于强度和能量准则制备一种超轻质高延性的水泥基材料ULHDCC，并通过系统实验研究了其力学性能和微观结构.

1 试验概况

1.1 试验材料与设计

制备ULHDCC 采用普通硅酸盐水泥PO52.5R、SiO2含量超过94%的加密型硅灰、采用三种不同类型(D38、D42、D46)的空心微珠，其中微珠的粒径分布如图1 所示.PE 纤维经过亲水改性处理，其基本性能指标见表1.减水剂采用聚羧酸型的高效减水剂，水即为普通自来水.ULHDCC 试验的配合比设计如表2 所示.制备时，将干料投入锅中进行充分干拌，接着将80%减水剂与水混合后投入干料进行高速搅拌，最后配合低速搅拌和流动度测试指标确定最终减水剂用量，完成ULHDCC的制备.浇筑24 h后拆模，放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中进行养护至龄期后测试[15].

图1 微珠粒径分布Fig.1 The particle size distribution of Microspheres

表1 改性PE 纤维基本性能

表2 配合比设计

注：纤维为体积占比，D38-PE1%即为密度为D38 的微珠添加体积占比为1%的PE 纤维；其余为质量占比.

表3 ULHDCC基本性能

1.2 实验设备与试验方法

抗压强度实验采用50 mm×50 mm×50 mm 立方体试块[16]，加载装置使用恒加载水泥抗折抗压试验机，加载速度取1 kN/s.单轴静力拉伸试验按照JSCE推荐的标准试件尺寸进行试验[17]，使用MTS通用试验机进行静力拉伸试验，加载速度为0.5 mm/min，试验装置及试件尺寸见图2.导热系数测定采用热流量计法对300 mm×300 mm×50 mm的板进行实验[18].具体试件信息与测试规范如表3所示.对ULHDCC材料微观尺度，本文采用扫描电子显微镜(SEM)进行观察和分析.

2 试验结果与分析

2.1 表观密度与抗压强度

表观密度于浇筑24 h后脱模测得，掺加三种类型微珠的混凝土密度在850～920 kg/m3之间.在体积掺量相同的条件下，微珠密度越大，成型的混凝土的表观密度也越大.由图3可以看出，抗压强度与表观密度成正比关系，平均抗压强度从27.2 MPa增至32.9 MPa.原因是密度大的微珠壁厚较大，因此一般破碎强度也高，制备的轻质混凝土密度和强度都随着提高.同时，本文发现掺加纤维可以使得抗压强度强度明显提高，以D46微珠为例，掺加1%纤维，抗压强度由20.8 MPa 提高到32.9 MPa，提高约59%.原因可能是由于纤维经过了亲水处理使得纤维与水泥浆的粘结更好，减少了浆体内部气泡生成，浆体更加密实，从而使得抗压强度有明显提高，但这一结论还需后续试验验证.此外，是否掺加纤维对试件的破坏形态也有显著影响.如图4、图5所示，未掺加纤维的试件，压力荷载下混凝土外层劈裂剥落，与高强混凝土、普通轻骨料混凝土破坏模式相似；而掺加纤维的试件，压力荷载下有裂缝产生，但纤维由于桥接作用阻止裂缝进一步开展，试块整体仍保持完整状态，直到试块呈现出压扁状.

图2 静力拉伸装置与试件尺寸Fig.2 Static tensile setup & dog-bone specimen

图4 D46-PE0 试块破坏模式—脆性劈裂Fig.4 Failure mode ofD46-PE0-splitting failure

图5 D46-PE1%试块破坏模式-压扁Fig.5 Failure mode of D46-PE1%-squashed

2.2 直接拉伸强度及拉伸应变

未掺加纤维的试件抗拉强度大约在1 MPa左右，在24 h后拆模时早期强度较低，容易出现裂缝，导致试件发生断裂而无法测试.加入1%纤维后，极限抗拉强度可以达到2.9 MPa，极限拉伸应变均可达到6%，测试结果如图6所示.其中，D38-PE1%的极限拉伸应变达到了8%，是普通混凝土极限拉应变(0.000 1～0.000 17)[19]的几百倍，显著提高了材料的延性，甚至高于普通高延性混凝土ECC[20].图7显示的是超轻质高延性混凝土受拉后呈现出多裂缝开展的典型特征.

图6 直接拉伸应力-应变曲线Fig.6 The stress-strain curve of direct tensile test

图7 多裂缝破坏模式Fig.7 Multi-cracks failure mode

2.3 导热系数

混凝土的导热系数受材料的含水率和孔隙率影响显著，为了更准确表征材料的导热系数，在进行测试之前对试件进行干燥处理，直到试件烘干至质量恒定.本次试验测试了不含纤维的D46-PE0组别混凝土的导热系数，经过与文献资料对比，本文制备的超轻质高延性水泥基材料导热系数较低，仅为0.152 W/mK.图8可以看出，导热系数与材料密度基本成正比关系，这是由于在轻质混凝土孔隙率较高，孔隙率高的混凝土比密实的混凝土含气量更高，与固体相比，气体的导热系数更小，故轻质混凝土拥有较低的导热系数.本文采用的玻璃微珠为中空的球形骨料，不仅降低了材料密度，也使得密闭孔含量增多，有效降低了材料的导热系数.

图8 不同混凝土的导热系数与密度关系Fig.8 Relation between thermal conductivity and densityfor different lightweight concrete

2.4 微观结构和微观力学分析

图9给出了不同尺度下超轻质高延性水泥基材料扫描电镜的微观结构形貌.微珠为大小不一的光滑球状物，为实现低密度，微珠掺量较大，由图9(a)可见大量微珠均匀分散于水泥浆体中(放大倍数400倍)，进一步证明该材料基体密实，有利于强度提高.微珠壳体主要成分为SiO2，但成品经表面处理后呈惰性，完整微珠活性较低.从图9(b)与图9(c)可以看出珠体表面仍然光滑(放大倍数均1 600倍).由于微珠自身的破碎强度高达37.9 MPa[14]，因搅拌制备过程或加载发生破损的微珠较少(微珠珠体上有裂缝，如图9(b)所示)，裂缝主要出现在微珠与水泥浆的粘结界面上如图9(c)所示.由此可见，在本文设计配合比下的ULHDCC材料骨料和浆体的粘结界面是较为薄弱的部位.在水泥基材料中添加纤维能够增强其延性，在本次试验中掺入纤维组别中未见明显在受拉后试件得以多裂缝发展，从而发挥高延性等于纤维桥联强度σ0，即满足公式(1).

σcr<σ0

(1)

纤维断裂，图9(d)中纤维仍“锚固”于浆体中，的特征.在设计高延性材料时需满足强度和能量两个准则[20]，强度准则是指初始裂缝强度σcr小于只有初始裂缝强度小于纤维桥联强度，水泥基基体在开裂后才不会直接发生纤维拔出等破坏，从而纤维受力发挥其桥联作用，将应力传递到其他未开裂部位，周而复始，使得出现多裂缝破坏机制(图7所示).在本次试验中，从图9(b)、图9(c)、图9(d)可以看出，水泥基体强度要小于纤维的桥联强度.初始裂缝强度主要受试件的断裂韧性Km与内部缺陷等因素影响[20,21]，纤维桥联强度主要受纤维种类以及纤维/基体的界面性能影响.显然，σcr/σ0比值越小对于裂缝发展更有利，但降低σcr会影响材料的其他性能，故本文挑选了经过改性处理的PE纤维，使纤维粘结更牢固来提高σ0.

图9 微观尺度下的形貌Fig.9 Microscopic morphology

满足能量准则可以使得裂缝稳定地发展.能量准则是指抵消裂缝尖端强度所消耗的能量Jtip(补足能量)与纤维桥联作用所消耗的能量之和应与拉伸应力σss产生应变δss的能量相等，图10为其示意图，Jtip必须要小于最大补足能量，即满足公式(2)～(4)：

(2)

(3)

(4)

图10 能量准则示意图Fig.10 Schematic diagram of energy criterion

(5)

(6)

3 结论

开发了一种超轻质高延性水泥基材料ULHDCC，通过基本材性试验可知表观密度低于850～920 kg/m3，仍能保持较高的抗压强度达20～33 MPa，轴向拉升应变能力达到8%，而且具有较高的较低的导热系数0.152 W/mK，是一种结构功能一体化高性能水泥基材料.本文主要研究结论如下：

(1)ULHDCC抗压强度受微珠类型和纤维掺量的影响.微珠类型会影响材料的密度， 随着骨料密度的增加，ULHDCC的密度也随之增加，抗压强度也有所提高.

(2)极限抗拉强度和应变受纤维掺量和微珠类型的影响.加入纤维可以提高材料的极限抗拉强度，对于极限拉伸应变有显著的提高.

(3)导热系数与干密度成正比例关系，密度越小，导热系数越低.孔隙率是影响导热系数的重要因素之一，质量轻的混凝土孔隙率相应较大，进而导致其导热系数下降，使用玻璃微珠能很好地增加密闭孔的含量，从而到达保温隔热的目的.

(4)改性后的PE纤维增强材料和水泥基体组合作用满足强度准则与能量准则，实现了材料高延性特征和多裂缝发展.后续研究将系统地从堆积理论、强度准则和能量方法对ULHDCC进行优化设计与性能调控.