硅灰掺量对ECC 材料性能的影响研究

2022-06-10何华庭李庚英王海洋

广东建材 2022年5期

何华庭李庚英张敏王海洋

（华南农业大学水利与土木工程学院）

0 引言

硅灰是一种粒径非常细的无机非金属粉末状的材料，平均小于0.1μm，在冶炼硅铁合金或工业金属硅的过程中，排放的烟气主要包括气态Si 和SiO，通过与O2发生反应后形成细球型粉体[1-2]。为实现国家的可持续发展，减少建筑行业对环境的严重污染，作为常见的工业废渣，硅灰与粉煤灰、矿渣粉一样可以有效收集并合理利用，作为矿物胶凝材料应用于混凝土的拌和中，充分填补混凝土材料内部空隙，一定程度上提高其密实性、流动性和强度性能，保证工程质量和结构使用寿命[3-6]。因此，可将硅灰掺入混凝土中作为增强其性能的成分，重点研究硅灰掺量对纤维混凝土性能的影响。

普通混凝土在结构上的应用与发展受到了自重大、韧性差、抗拉强度低等缺陷的限制，在混凝土中添加适量纤维配置纤维混凝土是目前提高混凝土材料韧性以及耐久性最有效的方法，钢纤维、聚丙烯纤维（pp）和聚乙烯醇（pva）纤维作为增韧纤维材料已经获得大量的研究和成果[7-8]。

高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites ECC)是指一种特殊的、高性能的纤维增强水泥材料。它是上世纪90 年代由美国密歇根大学Victor C.Li 教授团队设计纤维配比和材料硬化性质并成功制备的一种新材料[9-10]。该材料通常采用短纤维来增强性能，而且纤维掺量不得高于复合材料总体积的2.5%，具有明显的裂缝及应变特征[11]。ECC 的胶凝材料一般采用普通硅酸盐水泥与粉煤灰两种材料，以精细石英砂作为细骨料，掺特定纤维、外加剂和水搅拌而成，通常使用的外加剂有减水剂、增稠剂、消泡剂等[12]。ECC材料是基于微观力学和断裂力学理论进行设计的，通过调整纤维、从质以及纤维与基质界面性能等手段来调整设计ECC 材料的力学性能[13-14]。

本试验采用硅灰对ECC 材料进行改性，设计混凝土配合比，分析不同掺量硅灰替代部分粉煤灰对ECC 材料力学性能的影响，为ECC 材料在实际工程中抗裂缝、抗渗等方面的进一步研究提供依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥为广州石井水泥公司生产的P·O42.5 级水泥，性能指标见表1；硅灰的SiO2含量约为84%，比表面积约为20m2/g，如图1；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，45μm 方孔筛筛余7.2%；细骨料为粒径2.36mm 以下的河砂；外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水约为35%；掺量纤维主要为聚乙烯醇纤维，性能指标见表2。

表1 水泥基本物理性能

表2 PVA 纤维性能指标

图1 硅灰样图

1.2 试验配合比设计

为研究不同硅灰掺量对水泥基复合材料性能的影响，本试验胶凝材料总量不变，水胶比为0.26，PVA 纤维体积掺量为2.0%，采用硅灰替代部分粉煤灰和水泥，其中硅灰掺量分别为0%、2%、5%、8%、10%，设计不同配合比。本试验分为4 组试件，每组3 块ECC 材料试件，具体配合比特征见表3 所示。

表3 ECC 试验配合比

1.3 试验方法

预先将干料（水泥、粉煤灰、硅灰、河砂）搅拌2min，然后加入1/2 的水湿拌2min，再把剩余的水倒入搅拌8min，最后将聚乙烯醇纤维缓缓均匀撒入搅拌桶，搅拌6min 后倒出装模，将浆体上部抹平，在高频震动台上振动1min 后取下，自然成型后脱模，并在温度为20℃±2℃、相对湿度为95%以上的养护条件下标准养护7 天和28 天。

本试验过程依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG3420-2020）和《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2005）规定进行，测定新拌ECC 的流动度、抗压强度和抗折强度，其中抗压试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm 的立方体试件，抗折试验采用尺寸为40mm×40mm×160mm 的试件,每组试块测得数据后换算为标准试件强度[15-16]。

2 试验结果分析

2.1 ECC 流动度测试结果与分析

从图2 可以看出，随着硅灰掺量从0 增加至10%，流动度值由169mm 减小至125mm，下降幅度达20%以上。可见随着硅灰掺量的增加，新拌的ECC 流动度呈下降趋势。根据硅灰掺量对材料流动度的影响，为保证混凝土的流动性和后期强度，其掺量不宜过大，硅灰的最佳掺量宜控制在2%～5%范围内。

图2 ECC 流动度随硅灰掺量变化图

2.2 抗压性能试验结果与分析

硅灰的掺入在一定程度上替代部分胶凝材料，均匀分散填充水泥基复合材料的孔隙，提高结构整体密实度。同时硅灰中的SiO2与水泥水化作用产生的Ca(OH)2发生二次反应，产生具有胶凝性的水化硅酸钙，改善混凝土性能，增加ECC 结构强度[17-19]。

图3 是不同硅灰掺量、不同龄期（7 天、28 天）的ECC 试块在抗压试验中的测试结果。结果表明，当硅灰掺量从0 分别增加到2%、5%、8%、10%时，7 天抗压强度分别增加了37.4%、46.2%、71.8%、78.0%，28 天抗压强度分别增加了38.5%、55.9%、65.4%、69.0%。相比于未掺入硅灰的P1 组，其他试验组的抗压强度均增加30%以上，随着硅灰总量的增加，ECC 材料强度普遍提高。其中从0至8%掺量时，同龄期强度增加尤为显著，而8%至10%范围内ECC 抗压强度增幅不大。因此，较高掺量硅灰会影响ECC 材料的工作性能和工程造价，应将硅灰掺量控制在8%以下的合理范围。

图3 硅灰掺量对ECC 抗压强度的影响

2.3 抗折性能试验结果与分析

如图4 所示，随着硅灰掺量增加，抗折强度先增加后降低，总体变化不大，说明硅灰掺量对ECC 抗折强度影响不明显。结果表明，硅灰掺量在2%至5%之间的混凝土抗折强度较好，而硅灰掺量较大（5%以上）容易导致复合材料抑制多裂缝开展能力降低，影响ECC 材料的韧性，一定程度上抑制了抗折强度，故控制适量的硅灰掺入能够有效发挥ECC 的韧性，改进材料性能。