原材料对高延性水泥基材料的性能影响研究综述

2023-01-07魏长江张治博苟耀虎李碧雄赵小刚范承宁

重庆建筑 2022年12期

魏长江，张治博，苟耀虎，李碧雄，赵小刚，范承宁

（1 四川省能源投资集团有限责任公司，四川成都 610041；2 四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；3 四川能投建工集团有限公司，四川成都 610021）

0 引言

目前，混凝土结构是我国应用最广泛的建筑结构形式之一。然而，尽管混凝土结构具有良好的抗压能力，但是其在荷载的作用下极易开裂，使得外界的气体与水分很容易进入到混凝土结构的内部，对混凝土的耐久性能产生不利影响，从而缩短混凝土结构的正常使用年限。据有关统计结果表明，混凝土因耐久性问题对我国经济造成的损失已无法被忽略，因此必须对混凝土易开裂的问题加以重视[1]。

在1992 年，Li 等结合微观力学与断裂力学的基础理念，成功设计出一种具有高延性的水泥基复合材料（High Ductility Cementitious Composites,HDCC），因其具有良好的延展性[2]、裂缝控制能力[3]与优异的耐久性能[4]，具有良好的应用前景。HDCC 在制备过程中需要确保纤维在水泥基材料中的分散性，因此需要确保浆体的塑性粘度介于1.50～11.59 Pa·s，水胶比的范围介于0.20～0.50，此时HDCC 的力学性能随水胶比的增大而逐渐降低[5-6]。传统的HDCC 制备过程中使用了精细的石英砂、硅灰以及日本产的PVA 纤维，极大增加了HDCC 的制备成本，并且建筑材料的制备应尽可能本土化，因此有必要采用其它材料替代部分原有的组分制备HDCC。随着相关研究对HDCC 力学性能的研究不断深入，出现了一些新的原材料同样可以用于制备HDCC，本文基于此，首先对HDCC 的典型力学性能进行介绍，然后阐述原材料的选取对HDCC 力学性能的影响的研究现状，以期为今后HDCC 的原材料选取提供参考。

1 高延性水泥基复合材料的基本力学性能

1.1 拉伸性能

拉伸性能优异是HDCC 的典型特征之一。Li 等[2]通过试验研究，得出了HDCC的典型拉伸应力-应变曲线，如图1 所示。由图1 可知，试件的拉伸应力-应变曲线呈现锯齿状分布，这是因为HDCC 在拉伸荷载的作用下，试件中某一位置首先出现第一条裂缝，此时试件所受的荷载因裂缝展开而降低，但是由于纤维在水泥基材料中起到了桥联的作用，裂缝处的荷载由裂缝处的纤维继续承担，因此试件的承载力不会丧失，此后随着试件端部位移的不断增加，上述现象不断重复发生。随着端部位移的继续增加，HDCC 的多缝开裂模式如图2 所示[3]。由图2 可知，当试件中的某一条裂缝宽度过大时，试件丧失承载能力而被破坏。上述现象的产生，主要是由水泥基材料中的基体、纤维和两者间的界面所共同决定的。目前，强度准则、能量准则和纤维桥联法则解释了HDCC 在荷载作用下呈多缝开裂的破坏机理[7]。以纤维桥联法则为例，Li 等[8]提出了将纤维在水泥基材料中的拔出过程分为脱粘和滑移两个阶段，纤维在脱粘阶段时处于弹性阶段，此后随着滑移位移的增大，纤维与基体界面间的脱粘能降低，纤维所承受的荷载开始下降，纤维的拔出过程进入到滑移阶段，HDCC在拉伸荷载的作用下纤维的脱粘和滑移过程不断发生，因此试件在宏观上的破坏现象表现为多缝开裂的破坏过程。

图1 HDCC的典型拉伸应力-应变曲线[2]

图2 HDCC的多缝开裂模式[3]

随着纤维在水泥基材料中的作用机理不断被揭示，如何降低HDCC 制作成本与实现建筑材料的本土化成为学界关注的重点。徐世烺等[9]为实现HDCC 制造原材料的本土化，除纤维外的其它材料均采用国内生产，制备了一种超高韧性的水泥基复合材料，并通过直接拉伸试验研究其力学性能，试验结果表明，这种材料的极限拉应变可以达到4%以上，并且裂缝宽度控制能力良好，可以有效地将裂缝宽度控制在100 μm 以内。林建辉等[10]对HDCC经过亚高温（20℃～200℃）处理后的拉伸性能进行了研究，试验结果表明，当粉煤灰掺量较高时，试件经亚高温处理后仍具有良好的应变硬化能力，此外，还得出了高掺量粉煤灰HDCC 经过温度处理后，其力学性能可以得到提升的结论。

结合上述分析可知，HDCC 在拉伸荷载的作用下会呈现明显的多缝开裂的试验现象，展现出了优异的拉伸性能。

1.2 压缩性能

压缩性能是水泥基材料的主要性能之一，HDCC 在受压破坏时的应力-应变曲线与常规混凝土具有明显区别。已有研究表明HDCC 的受压破坏过程可以分为三个阶段，第一阶段为弹性阶段，第二阶段为稳定阶段，第三阶段为失稳阶段。当荷载下降至下降段反弯点时，此时HDCC 试件的变形急剧增大，并且试件中的裂缝宽度继续增大，但是由于纤维的桥联作用，试件并未被压溃[11]。

为了探究HDCC 在压缩荷载作用下的性能，王振波等[12]采用PVA 纤维与钢纤维混掺的方法，制备了一种混杂纤维高延性水泥基复合材料，以期降低HDCC 在高强度等级下的抗压韧性退化问题，通过对试件进行抗压强度试验，试验结果表明，试件的抗压强度、弹性模量的大小与钢纤维掺量成正相关，此外，PVA 纤维与钢纤维混掺后制备的HDCC 抗压韧性有较大的提升。寇佳亮等[11]以加载频率和应力水平作为变化因素，深入探究了HDCC 单轴受压疲劳性能，试验结果表明，由于HDCC 基体中含有纤维在内部乱序分布，所以试件的阻裂能力和变形能力有显著提高，因此HDCC 在经受疲劳破坏后仍具有良好的整体性，此外，结合S-N 曲线得出了HDCC 具有更高的压缩疲劳强度的结论。结合上述分析可知，在轴向压缩荷载的作用下，与传统的水泥基材料不同，HDCC具有良好的抗压韧性。

1.3 弯曲性能

单轴拉伸试验可以有效评价HDCC 的力学性能。直接拉伸试验的试验装置如图3 所示[13]，拉伸试验所用的试件为狗骨状试件，然而狗骨状试件在拉伸过程中易在变截面处产生应力集中与初始偏心问题。尽管高栋等[14]对直接拉伸试验进行了改进，但是直接拉伸试验对仪器的加载速度与精度具有较高的要求，因此直接拉伸试验仍具有一定的操作难度。

图3 直接拉伸试验装置示意图[13]

蔡向荣等[15]提出了更为简便的测试HDCC 力学性能的方法，设计出了一种四点弯曲的试验方法，如图4 所示，采用四点弯曲试验与直接拉伸试验对比研究了HDCC 的力学性能，通过试验结果计算出了HDCC 的应变硬化性能。

图4 四点弯曲试验装置示意图[15]

结合试件的弯曲破坏现象，可以认为四点弯曲试验是可以代替单轴拉伸试验评价HDCC力学性能的简易方法。

2 高延性水泥基复合材料的原材料选择

HDCC 的原材料主要包括水泥基、粉煤灰、硅灰、特细石英砂以及纤维。其中HDCC 的制备通常不选用粗骨料，而选用较细的石英砂作为轻骨料。

由于目前我国加大对环境保护的力度，砂石的价格也随之增长。此外，水泥在制作的过程中产生了较多的温室气体，进一步对环境造成了影响。因此为了降低天然骨料的使用量，以及减少水泥用量，许多学者基于固废利用的理念，尝试在HDCC 的制备过程中，采用固体废弃物作为胶凝材料或替代部分天然骨料，制备一种具有环境保护效益的高延性水泥基复合材料。

2.1 胶凝材料

水泥与粉煤灰是制备HDCC 主要的胶凝材料。结合目前可持续发展战略的需要，固体废弃物在水泥基材料中的应用大幅增加。余江涛等[16]采用废弃混凝土破碎后产生的细小粉末作为胶凝材料，通过替代部分的粉煤灰，成功制备了一种超高延性的再生微粉水泥基复合材料，试验结果表明，采用再生微粉制备的HDCC 具有更高的拉伸延性，但是再生微粉的掺量存在上限，若再生微粉掺量过大则会对HDCC 的力学性能产生不利影响。傅柏权等[17]为了促进固体废弃物在水泥基材料中的应用，通过试验探究了粉煤灰掺量变化对HDCC 性能的影响，试验结果表明，当粉煤灰掺量较大时，试件的流动度增大，但是试件的力学性能均有不同程度的降低，因此在制备HDCC 时，粉煤灰的掺量应存在一定的限制。

综上所述，不同的胶凝材料用于取代部分水泥或粉煤灰制备HDCC 是具有可行性的，但是，目前上述新型胶凝材料在水泥基材料中的作用机理尚不明确，有待进一步研究。

2.2 骨料

鲍文博等[18]采用尾矿砂替代部分天然河砂，制备了一种具有环保效益的高延性水泥基复合材料，通过对这种材料进行了抗拉、抗压以及抗弯等力学试验，得出尾矿砂作为轻骨料制备的HDCC 在各项力学指标上均有提升的结论。黄振宇等[19]为提高HDCC 在保温隔热方面的性能表现，采用空心微珠作为轻骨料，在此基础上结合强度准则和能量准则，设计了一种轻质高延性的水泥基复合材料，并通过试验对这种材料的力学性能与保温隔热性能进行了研究，试验结果表明，空心微珠作为轻骨料可以显著降低试件的干密度，同时得到了干密度与导热系数成正相关这一结论，成功制备出了一种拉应变可达8%、导热系数仅为0.152 W/m·K 的保温型高延性水泥基复合材料。郭丽萍等[20]以提高抗冲磨强度为目标，采用金刚砂作为细骨料制备HDCC，以期为泄水建筑物提供一种修复用的新材料，通过对试件进行力学性能研究，得出了采用金刚砂制备HDCC 可提高试件的抗折强度，但是会显著降低HDCC 的延展性和抗拉强度，这主要是因为金刚砂的硬度较大，且金刚砂表面存在尖锐棱角，因此纤维在拔出的过程中受到了切削破坏。PVA 纤维在不同骨料类型下的微观形貌如图5 所示，由图5 可知，采用金刚砂作为轻骨料会对纤维产生刮伤作用。值得一提的是，李碧雄等[21]采用废玻璃作为轻骨料制备HDCC 也得出了相似的结论。

图5 不同骨料类型对PVA纤维形貌的影响

由上述分析可知，骨料的类型对HDCC 力学性能具有显著的影响，细骨料表面的尖锐棱角会刮伤HDCC 中的纤维，从而弱化试件的拉伸性能，因此在细骨料的选择中应避免带有尖锐棱角的细骨料，或是对带有棱角的细骨料进行预处理，以降低其带来的不利影响。

2.3 纤维

制备HDCC 所用纤维种类的不同决定了HDCC 的力学性能特点，常见的纤维类型及参数如表1 所示[22]。

表1 常见纤维的性能参数[22]

权娟娟等[23]为了提高HDCC 高温作用后的力学性能，采用PVA 纤维与钢纤维混掺的方法制备了一种混掺纤维的高延性水泥基复合材料，通过对比试件在不同温度作用后的力学性能，发现混掺纤维可以减少高温作用对试件拉伸性能的不利影响，但是钢纤维的掺入会使得试件在常温下的拉伸性能出现降低。郭向阳等[24]结合纤维单根拔出试验，以PVA 纤维表面是否经过涂油处理、粉煤灰掺量大小、砂胶比大小以及细骨料类型作为变化因素，通过分析纤维拔出试验中的性能参数，对PVA 纤维与水泥基材料界面的性能进行了研究，明确了各因素变化对界面性能产生的影响。玄武岩纤维作为一种耐高温性能极佳的纤维，在HDCC 领域的应用较少，张娜等[25]通过试验研究，制备出了一种玄武岩纤维高延性水泥基复合材料，并对其动态力学性能展开了深入研究，试验结果表明，玄武岩纤维高延性水泥基复合材料同样具备在拉伸荷载作用下多缝开裂的破坏模式，但是其极限应变率有显著降低，仅达到0.5%以上。王文炜等[26]以纤维种类、纤维直径与纤维长度作为变化因素，探究了上述因素的变化对HDCC 力学性能的影响，试验结果表明，碳纤维与玄武岩纤维不适用于制备HDCC，采用此两种纤维制备的试件在破坏过程中，并未观测到多缝开裂的破坏现象，而采用PVA 纤维和聚丙烯纤维制备的HDCC 则具有良好的延展性。

结合上述几种纤维在HDCC 中的应用可以发现，纤维与基体之间的界面性能对试件的延展性起到了决定性作用。适用于制备HDCC 的纤维应是表面与基体之间的粘结性不强且伸长率较大的纤维。

3 高延性水泥基复合材料的工程应用

HDCC 因具有良好的能量吸收能力，而被广泛应用于建筑结构加固领域。砌体结构作为我国应用最为广泛的结构形式之一，因其抗震性能差在地震荷载的作用下极易发生倒塌，对人们的生命财产造成了巨大损失，已有学者考虑采用HDCC 对砌体结构进行加固。周铁钢等[27]采用HDCC 对空斗墙体进行加固，通过分析HDCC 抹面位置的不同对加固效果的影响，发现空斗墙体不管以何种抹面方式进行加固，HDCC 都可以起到提高墙体承载能力的作用。邓明科等[28]采用HDCC 替代普通混凝土，对钢筋混凝土结构的塑性铰区域进行浇筑，通过对比试件在低周反复荷载作用下的滞回曲线和耗能能力，得出塑性铰区域用HDCC 浇筑可显著增强试件的抗弯能力，并且可以减少梁端箍筋用量的结论。