PVA纤维及尾矿砂掺量对GTCC自愈合性能影响*

2020-04-11鲍文博王怀成王东旭

沈阳工业大学学报 2020年2期

鲍文博，王怀成，王东旭

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

水泥基复合材料是应用最为广泛、用量最大的建筑材料之一.但水泥基复合材料也有其自身的缺点，其脆性较大、韧性较差，收缩变形大及抗裂能力低，导致水泥基结构在实际工程应用中，即使受到不大的拉应力作用，也会产生开裂的现象，这就会影响到材料的力学性能、结构的耐久性和可靠性.因此，如何及时有效地解决水泥基材料抗裂及裂缝修复问题，已成为工程界和学术界十分关注的研究热点.关于裂缝的修复，主要分为人工修复和自修复.裂缝产生后，人工修复无法修复结构内部的裂缝，只能修复表面，无法长期保证对材料的修复效果.自修复是指靠材料自身的性质来使裂缝减小乃至完全愈合，与人工修复相比，其可以使修复作用渗透到材料的内部，从而保护材料的力学性能和耐久性，并且自修复具有费用低，不需要人为预先干预等特点，但也有受到裂缝宽度和环境等因素的限制等缺陷.水泥基材料自修复即自愈合现象的发现，为解决水泥基复合材料的抗裂问题提供了新观点、新思路，对水泥基复合材料自愈合性能的研究有助于解决实际工程中的水泥基抗裂问题.

早在1836年便有学者发现了混凝土微小裂缝的愈和现象[1].1925年，学者Abram首先发现混凝土的自愈合现象，放置在户外的抗拉开裂试件8年后愈合了，并且强度较之前提高约2倍多.自此学者们对水泥基复合材料的研究才逐渐开展起来.自沈阳工业大学新型建材研究团队成立以来，从高性能、节约资源的角度出发，致力于高性能、绿色环保的水泥基复合材料的研究，用工业废料尾矿砂大比例替代水泥基复合材料中的细骨料，并使用大比例的粉煤灰来替代水泥，研制出了绿色韧性水泥基复合材料GTCC.到目前为止，国内外对普通混凝土的自愈合研究较多[2-4]，但对具有绿色环保意义的水泥基复合材料[5]自愈合性能的研究还不够充分，本文试验是在该绿色韧性水泥基复合材料已完成的力学性能研究基础上[6]，对材料的两种组份，即不同尾矿砂和PVA纤维掺量对自愈合性能的影响进行研究分析，为其在今后实际工程中对抗裂及裂缝修复等问题提供科学依据且具有重要意义.

1 试验方案

在保证不影响材料基本力学性能，并在对尾矿砂替代率有一定研究的前提下[7]，试验共设计9组配比，其中PVA纤维的体积掺量分别为0、1.5%和2%三种，尾矿砂替代天然砂的比率分别为0、25%和50%，参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13：2009)[8]设计配合比.表1为试验方案配合比.

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

1.1 材料

试验采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料采用粒径范围在0.150～0.315 mm的尾矿砂及天然砂，PVA纤维长度为12 mm，粉煤灰采用电厂Ⅱ级粉煤灰.添加1%掺量的减水剂及0.13%增稠剂，以保证PVA纤维在搅拌过程中具有良好的分散性.

1.2 试件制备及试验方法

参考国内外纤维混凝土相关文献中的试验设计，为使试验结果能够与已有自愈合研究的成果做对比，本文试验试件采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块.按照表1配合比制备水泥基试件，成型出模后，标准养护28 d，测其抗压强度.

根据每组试件的抗压强度对其余试件进行预制裂纹处理.预制裂缝是指将试件放到压力机的试验台上，平稳缓慢地加载(速率为0.5～1 kN/s)，当压力机读数为该组试件极限抗压强度的85%时停止加载，持荷3～5 min，此时试件表面有肉眼可见的微小裂缝，说明试件出现了损伤，并且试件仍然可以保持完整，取其一组放置12 h后，测其破损后剩余强度.将上述经过预制裂缝处理的试件和对比组(未经过预制裂缝处理)继续进行标准养护，分别养护至60、120 d(以预制裂缝完成后的时间开始计算)，再次测其抗压强度，计算其强度恢复率和强度增长率，该计算强度恢复率和强度增长率的方法称之为强度恢复法.每组配比自愈合强度恢复试验方法如表2所示.

表2 试验方法Tab.2 Experimental methods

表2中，每种配比保证至少有6组有效试件，每组3个；预制裂缝时的龄期为28 d；预制裂缝(PPC)是指加载到极限抗压强度的80%时停止加载，完成制备，最大荷载=0.8×极限抗压强度；破损后剩余强度(fr)是指预制裂缝后放置12 h，以相同加载方向加载，测得的抗压强度；自愈合养护龄期为60、120 d(从部分破损后养护起计算)；fpr60、fpr120为自愈合养护后恢复强度(分别对应经过预制裂缝养护处理，再经过自愈合养护至60、120 d的强度)；f28、f88、f148为材料强度(分别对应28、88、148 d龄期的试件立方体抗压强度)；KⅠ、KⅡ分别为自愈合养护龄期到60、120 d时的强度与对应龄期未破损试件的强度比值，即强度恢复率；SⅠ、SⅡ分别为以自愈合养护龄期60 d为一个阶段，前后两个阶段的强度增长程度，即强度增长率.

2 试验结果与分析

2.1 尾矿砂替代率对GTCC自愈合性能影响

图1为尾矿砂替代率对GTCC自愈合性能的影响.图1中横坐标表示在纤维掺量一定的情况下(纤维体积掺量分别为0、1.5%、2%)，尾矿砂的替代比率，纵坐标为强度恢复率.

试验结果表明，随着尾矿砂替代率的提高，GTCC的强度恢复率也随之提高.三种不同尾矿砂配比试件中，掺加了尾矿砂的试件强度均能够恢复至未经过预制裂缝处理试件的极限抗压强度，甚至更高.其中，替代率为1/2的试件强度恢复率最高，能够恢复至对比组试件抗压强度的1.0～1.08倍.在合理配合比以保证尾矿砂替代天然砂后材料力学性能稳定的情况下，用部分尾矿砂替代天然砂可以提高GTCC的自愈合能力.当替代率为1/2时，材料的强度恢复率最好.对比图1的曲线趋势可知，尾矿砂替代率的提高在自愈合养护后期，对强度恢复率的影响较小.

图1 强度恢复率尾矿砂掺量曲线Fig.1 Relationship between strength recovery rate and tailings sand content

使用尾矿砂能够提高GTCC自愈合性能的主要原因是：在机械破碎形成的尾矿砂内部存在大量微裂缝，在制备材料时，能够吸收部分水分，在自愈合养护期间，裂缝内部水分起到内部养护的同时也可参与到自愈合过程中，并且由于尾矿砂本身颗粒粗糙、形状多棱角、其内部摩擦力大，在合理配合比前提下，材料强度可有所提高[9]，该性质也可使得愈合后的材料强度得以提高.因此，尾矿砂在GTCC中部分替代天然砂可以提高水泥基材料的自愈合性能.

2.2 PVA纤维掺量对GTCC自愈合性能影响

图2为PVA纤维掺量对GTCC自愈合性能的影响.图2中横坐标表示在尾矿砂替代比率一定的情况下(尾矿砂替代率分别为0、1/4、1/2)，PVA纤维的体积掺量，纵坐标为强度恢复率.

试验结果表明，使用纤维可以很大程度地提高GTCC的自愈合性能，但纤维的掺量也不宜过高.在3个不同纤维体积掺量配比中，纤维体积掺量为1.5%的强度恢复率最高，系数大小在1.03～1.08之间.当尾矿砂替代率为1/2、纤维体积掺量为1.5%时，试件的强度恢复率达到了约1.08，即在预制裂缝并养护一段时间后，其立方体抗压强度比未经过预制裂缝处理试件的强度有所提高.但纤维体积掺量继续增加后，其强度恢复率有所降低，且抗压强度较1.5%纤维掺量试件的强度低.在GTCC中使用纤维能显著提高水泥基抗裂缝的产生和扩展能力，这与已有自愈合研究的相关文献结果一致[10].

图2 强度恢复率-PVA纤维体积掺量曲线Fig.2 Relationship between strength recovery rate and volume fraction of PVA fiber

使用纤维能够提高GTCC自愈合性能的主要原因是：当裂缝产生时，未断裂且连接两裂缝面的纤维可以起到抗拉和阻裂的作用，并能够消除裂缝尖端的应力集中，纤维拉力及水化产物填补裂缝的共同作用使得在接下来的养护时间里，材料的裂缝得以愈合，强度得以提高甚至恢复至比未损伤的试件强度还高.

2.3 龄期对GTCC自愈合性能影响

图3为龄期对GTCC自愈合性能的影响.图3中横坐标表示不同配比的试件编号，纵坐标为强度增长率.

图3 强度增长率Fig.3 Strength increasing rates

对比自愈合养护龄期前60 d与后60 d强度增长率可以发现，前60 d养护阶段的强度增长率明显高于后60 d养护阶段时的强度增长率.这主要是因为在自愈合养护初期，水化产物生成快并逐渐在裂缝断面堆积，阻碍进一步的水化反应，并且养护后期能够发生水化反应的物质也较初期少，从而导致自愈合系数随着龄期的增长而减缓.