持压荷载下剑麻纤维-ECC的毛细吸水性能

2023-01-30崔双双陈伟宏陈树辉

硅酸盐通报 2022年12期

崔双双，陈润，陈艳，陈伟宏，陈树辉

(1.地下工程福建省高校重点实验室，福州 350118；2.福建工程学院土木工程学院，福州 350118； 3.福州大学土木工程学院，福州 350116；4.中交鹭建有限公司，福州 350108；5.健研检测集团有限公司，厦门 361004)

0 引言

与钢筋混凝土结构相关的开裂渗漏问题，近年来受到越来越多的关注[1]。结构出现裂缝后，为水带入侵蚀性离子提供优先运输通道，这些侵蚀性离子会导致钢筋腐蚀，降低钢筋混凝土结构的耐久性，而混凝土中水分传输以毛细吸附为主[2]，因此研究混凝土的毛细吸水性能对于结构的开裂渗漏问题具有重要意义。

工程中的混凝土结构在服役阶段都会受到一定的荷载作用，从而影响混凝土材料的毛细吸水性能，对此，研究人员主要对受到荷载作用后卸载的材料进行了渗透分析。Yang等[3]对混凝土试件进行了轴压卸载后的吸水试验。鲍玖文等[4]通过再生混凝土在轴压重复荷载后的毛细吸水试验，发现材料的毛细吸水质量与吸水率随应力水平的提高呈增加趋势。梁宁慧等[5]开展了轴压卸载后的聚丙烯纤维混凝土试件的毛细吸水试验，发现纤维的加入能降低混凝土在各个压应力水平下的累计吸水量与毛细吸水率。

但试件卸载后出现的损伤与持载时不同，材料会出现局部裂缝自愈与孔隙闭合情况，因此部分学者从荷载与水分传输的耦合作用的角度出发，对持压荷载下混凝土的毛细吸水性能展开相关试验研究。鲍玖文等[6]基于连通器原理改进了试验装置，从而开展了荷载与水分传输的耦合试验，进行了再生混凝土在不同压应力水平下的毛细吸水性能的研究。王立成等[7]进行了短期持压荷载下高强混凝土的毛细吸水试验，分析了不同高炉矿渣含量的混凝土处于不同应力水平(0%～60%)下的毛细吸水性能。Choinska等[8]发现持压荷载作用下的混凝土在较小的轴向压力(不超过抗压强度的 30%)下，能闭合其孔隙结构与微裂缝，降低渗透性。Picandet等[9]指出在极限强度为80%～90%的单轴压缩荷载作用下，混凝土的渗透性显著提高。

由上述论述可知，目前对持压荷载作用下材料的毛细吸水性能的探讨主要是针对混凝土材料，但普通混凝土具有韧性差的缺点，结构存在易开裂渗漏问题。

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite， ECC)是经系统设计的一种高延展性材料，其拉伸应变可达到3%～7%，是普通混凝土的300倍[10]，因此，本文考虑对控裂抗渗性能良好的ECC进行研究，但ECC传统配合比中的聚乙烯醇纤维价格昂贵，不利于在工程中大面积推广。其中，采用绿色环保价格低的剑麻纤维[11]替换ECC中传统的增韧材料，可降低成本[12]。为了提高结构的抗渗性能，并且控制结构材料的造价，本文拟采用剑麻纤维-ECC代替混凝土进行抗渗研究。通过正交试验对剑麻纤维-ECC进行材料优化，选取剑麻纤维-ECC的最优配合比，通过改进实时吸水试验装置，实现了持压荷载与水分传输的同步耦合过程，对剑麻纤维-ECC开展短期持压荷载作用(压应力水平范围为0%～40%)下的毛细吸水性能试验，并与普通混凝土试件的抗渗性能进行对比分析。

1 剑麻纤维-ECC最优配合比的选取

为了提高结构的抗渗性能，同时控制成本，选取剑麻纤维-ECC替代混凝土。由于正交试验具备在减少试验次数时能获得最佳方案的优势，因此，本文首先采取正交试验的方法，利用抗压强度和抗弯强度两个控制指标对剑麻纤维-ECC的最优配合比进行选定，之后再根据最优配合比进行后续抗渗性能试验。为方便表述，后文中除特殊说明外，均用SF-ECC指代剑麻纤维-ECC。

1.1 试验材料

试验使用的原材料为P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥、粒径为0.075～0.150 mm的石英砂、细度模数为3.1的机制砂、粒径为5～10 mm的碎石、粒径为0.003 1 mm的粉煤灰、粒径为0.045 mm的矿粉、自来水、聚羧酸高效减水剂、长度为15 mm的短切剑麻纤维(密度1.3 g/cm3)。

1.2 抗压和四点弯曲试验方法

以抗压强度和抗弯强度为指标对正交试验结果进行选取，其中抗压试验设备为3 000 kN压力试验机，加载速度为0.4 mm/min，试验试件为边长70.7 mm的立方体试块，试验按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[13]展开。每组抗压试验设置3个试件，结果取平均值，抗压试验共计51个立方体试块。为获得材料的抗弯强度，采用1 000 kN 万能试验机对尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的试件进行加载，加载速率为0.4 mm/min，试验依据美国ASTM C1609四点弯曲试验标准[14]进行。每组设置3个试件，结果取平均值，四点弯曲试验共计51个棱柱体试件。

1.3 正交试验设计和结果

正交试验是一种根据多因素和多水平制定正交试验表，进而展开试验的方法[15]。基于正交试验原理，本试验研究了水胶比、砂胶比、粉煤灰掺量、剑麻纤维体积掺量4个因素对SF-ECC抗压强度和抗弯强度的影响，每个因素设计4个水平。因素和水平见表1，试验结果见表2。

各因素对试验结果的影响通过极差R的大小确定，其值越大表明试验结果受到该因素影响越大，极差由大至小依次排列，能够得出不同因素对强度影响的主次顺序，且表明各因素的重要性程度。现以水胶比(A因素)为代表阐述极差的计算方法。

表1 正交试验的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal experiment results

表3 极差分析结果Table 3 Range analysis results

进一步地，确定出各因素对材料强度的影响顺序。各因素对抗压强度影响的主次顺序：水胶比>粉煤灰掺量>剑麻纤维体积掺量>砂胶比，各因素对抗弯强度影响的主次顺序：水胶比>粉煤灰掺量>剑麻纤维体积掺量>砂胶比。

1.4 最优方案确定

为了满足建筑材料在实际工程中的运用，首先考虑材料的标准抗压强度是否达到等级C40，其次需有不低于同等级混凝土的抗拉(抗弯)强度。因此，基于抗压强度和抗弯强度这两个控制指标选取SF-ECC最优配合比。从表2的试验结果可知，抗压强度的最佳方案为A1B2C2D2，抗弯强度的最佳方案为A2B2C1D4。

由于材料的抗弯性能可以反映出材料韧性的好坏，提高材料韧性可以增强自身的阻裂抗渗能力，因此综合选出抗弯强度最优，且满足结构抗压要求的方案作为抗渗研究的基础配合比，SF-ECC最优配合比为A2B2C1D4，即水胶比0.30、砂胶比0.4、粉煤灰掺量0.3、矿粉掺量0.15和剑麻纤维体积掺量0.5%。

进一步地，对最优配合比下的SF-ECC以及一组对照组C40混凝土分别进行坍落度测试、抗压强度测试和轴拉性能测试。材料具体配合比见表4，测试结果如表5所示。从表5可以看出，优化后SF-ECC的坍落度为155 mm，混凝土的坍落度为160 mm，均满足《地下工程防水技术规范》(GB 50108—2008)[16]中“材料的坍落度值需在120～160 mm”的要求。依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[13]，对边长为150 mm标准立方体试块进行抗压强度测试，SF-ECC抗压强度为42.3 MPa，混凝土抗压强度为43.5 MPa，均满足地下结构侧墙抗压强度不小于C40的要求。制作狗骨试件,对最优配合比下的SF-ECC进行轴拉性能测试，并与C40混凝土试件轴拉性能进行对比，SF-ECC与混凝土拉应力-应变全曲线如图1所示。由图1可知，SF-ECC的抗拉强度与混凝土的抗拉强度相比，相差不大，但SF-ECC在开裂后具有较好的应力水平保留率。这些指标都说明了优化后的SF-ECC具有在实际工程中运用的可行性。

表4 材料配合比Table 4 Mix proportion of materials

表5 SF-ECC和混凝土的性能指标对比Table 5 Comparison of property index of SF-ECC and concrete

图1 试件的拉应力-应变全曲线Fig.1 Full tensile stress-strain curves of specimens

2 持压加载与毛细吸水耦合试验

材料的毛细吸水情况在一定程度上能够反映出材料的抗渗性能，为了解SF-ECC的抗渗性能，利用正交试验确定的SF-ECC最优配合比制作试件，对其展开持压加载下的毛细吸水试验研究，同时设计一组C40混凝土进行对比。

2.1 试件制备及养护

试验所用原材料见1.1节，具体配合比见表4。制作了42个内径63 mm、外径150 mm、高150 mm的中空圆柱体试件，其中SF-ECC与混凝土试件各21个，进行5种不同应力水平下的持压-吸水耦合试验，中空试件具体使用情况见表6。

本次试验采用ABS模具(直径150 mm，高150 mm)制作圆柱体中空试件。浇筑前使用AB胶将外径63 mm的ABS管固定在ABS模具底板，圆心注意保持在底板正中。试件在室温养护24 h后脱模，随后放入养护箱中标准养护28 d，并对试件的上下表面进行打磨处理。为了测得试件的孔隙率从而获得试件的毛细吸水率，首先要将试件置于澄清石灰水中(促进试件中水泥的水化)浸泡一个月以上以达到完全饱和的状态，接着将完全饱和的试件放入105 ℃恒温烘干箱内进行完全干燥处理。

表6 中空试件使用情况Table 6 Usage of hollow specimens

2.2 改进的持压-吸水耦合试验加载装置

改进的持压荷载与毛细吸水耦合试验装置[6]如图2所示。采用50 t机械千斤顶加载，并利用力传感器与力采集箱对压荷载值进行实时监测；基于连通器原理，在试件顶部及底部放置带孔道的不锈钢垫板，以便让水充满试件的中空部位；在上部出水口处与进水口处设置不锈钢宝塔头，使之分别与水平观测管(内径6 mm，外径8 mm)和进水软管连接，形成连通装置，装置的进出水通过小型抽水器与止水阀控制；中空试件的吸水量按水平观测管内的水柱变化记录，为方便观测，水平观测管采用定制的L型玻璃管(粘有精度为1 mm的刻度纸)；为保证吸水装置具有良好的密封性，将厚度为3 mm的环形橡胶密封垫(内径65 mm，外径150 mm)粘结于中空试件的上下表面，在加压的状态下橡胶垫将会被压实，从而可以防止装置漏水。

2.3 持压-吸水试验方法

持压吸水试验包括前期准备和正式加载两部分，在持压-吸水试验正式开始前，首先要进行试验的前期准备工作，主要包括中空试件的干燥曲线测定、初始孔隙率测定及极限抗压强度测定，之后再对试件进行正式加载。

2.3.1 前期准备

毛细吸水试验要求试件处于完全干燥状态(即最不利状态)，因此在持压-吸水试验正式开始前，需取每组中3个试件进行干燥曲线测定，即对试件在105 ℃恒温烘干箱内干燥处理，测定不同时间下的试件质量，通过式(1)计算相对含水量θ，并绘制其与时间t的干燥曲线，进而估算试件烘干时间，使试件达到完全干燥状态后开展后续持压-吸水试验。

(1)

式中：θ为相对含水量，%；mi为某时刻中空试件的质量，g；md和ms分别为中空试件在完全干燥状态和饱和状态下的质量，g。

图2 持压荷载与毛细吸水试验装置(1 反力架；2 千斤顶；3 力传感器；4、6 上、下部带孔不锈钢垫板；5 中空试件； 7 钢垫块；8 观测管；9 抽水器；10 蓄水桶；11 进水塑料软管；12 止水阀)Fig.2 Capillary water absorption test setup under sustained compressive loading (1 reaction frame; 2 jack; 3 load cell; 4， 6 upper and lower part steel backing plate; 5 cylindrical hollow specimen; 7 steel cushion block; 8 scaled tube; 9 water pump; 10 reservoir; 11 water injection tube; 12 water seal valve)

最终测得在不同时刻下的中空试件平均相对含水量，如图3所示。由图3可知，当SF-ECC及混凝土中空试件的烘干时间超过80 h时，θ随时间延长缓慢下降。因此，本试验假定试件在烘干80 h时处于完全干燥状态，此时可进行后续持压-吸水耦合试验。

图3 中空试件平均干燥曲线Fig.3 Average drying curves of hollow specimens

试验的前期准备工作还包括初始孔隙率及极限抗压强度测定[17]，初始孔隙率p0作为吸水率计算的中间计算参数，测定初始孔隙率可探究其对试件吸水量的影响，根据式(2)计算得到SF-ECC及混凝土中空试件的平均初始孔隙率,分别为23.02%和13.57%。

(2)

式中：p0为初始孔隙率，%；ms为中空试件浸水饱和时的质量，g；md为中空试件被烘干80 h时的质量，g；ρw为水的密度，g/mm3；Vc为中空试件的体积，2 182 025.25 mm3。

表7 中空试件各个压应力水平对应的压荷载值Table 7 Compressive loading values corresponding to different compressive stress levels of hollow specimens

2.3.2 正式加载

由预试验可知，当预压荷载超过45%时，试件会立即产生透水裂缝导致无法进行持压-吸水耦合试验，因此本次试验设置的压应力水平取值范围为0%～40%(以10%递增，共5个压应力水平)。安装好吸水装置后，将中空试件加载至预估压应力水平对应的压荷载值并持压稳定5 min。接着打开止水阀，使水分通过带孔不锈钢垫板的孔道快速注入试件的中空部分。待中空试件及水平观测玻璃管内充满水后关闭止水阀，此时开始记录带刻度的水平观测玻璃管内水柱的失水量，由此得到中空试件的累计吸水量(mm3)。由于注水过程较快，因此本试验忽略注水时中空试件的吸水量。由预试验得知，当试件吸水超过12 h后，试件吸水变化缓慢且个别试件发生渗漏现象，因此本次试验吸水时长设定为12 h。

3 持压-吸水试验结果与分析

3.1 试件破坏形态

通过实时吸水试验装置[6]，实现了加载与毛细吸水的耦合作用，图4给出了中空试件在轴向持压-吸水耦合试验时的破坏形态。随着持压应力水平的不同，不同试件出现的破坏现象也不同。在0%～30%压应力水平作用下，SF-ECC试件在设置的持压吸水时间范围内(12 h)未发生渗漏现象，如图4(a)所示；在40%压应力水平作用下，随着时间的推进，SF-ECC试件表面出现渗水裂缝，可分为贯穿型渗水裂缝(见图4(b))和局部型渗水裂缝(见图4(c))；裂缝均沿着平行于压荷载的方向发展，存在单条透水裂缝向多条透水裂缝发展的情况，如图4(c)、(d)所示；当出现渗水裂缝时，水平玻璃管中水量快速减少，SF-ECC试件的吸水速率明显加快；在0%～40%压应力水平作用下，混凝土试件在设置的持压吸水时间范围内一直未出现渗水裂缝，如图4(e)所示。

图4 持压荷载试件吸水破坏情况Fig.4 Water absorption failure of compressive loading specimens

3.2 累计吸水量

吸水量是评价非饱和多孔材料吸水性能的重要参数，非饱和多孔材料在单位横截面积中的毛细累计吸水量i(mm)计算通常可参照式(3)[18]。

(3)

需要注意的是，吸水横截面积Ac会随着水分在试件中的径向运动而不断发生变化。为此，中空试件实际吸水的梯形截面可简化为矩形截面，修正系数如式(4)所示。

(4)

式中：β为吸水截面面积的修正系数(β=梯形面积除以矩形面积)；Δms为矩形截面的累计吸水质量，g；r为吸水半径，mm；d为中空圆柱体的内径，63 mm。假设材料吸水饱和时的累计吸水体积与材料中的孔隙体积相等，即材料的孔隙中都充满水，则Δt时间内累积吸水质量Δm为

(5)

式中：p为压荷载作用下材料的有效孔隙率；h为中空圆柱体试件高度，150 mm。此外，试件吸水质量等于水平观测管内水分累积减少的质量，则

(6)

式中：d0为水平观测管的内径，6 mm；Δl为水平观测管内水柱长度的变化值，mm。将式(5)、(6)合并得

(7)

对于试件有效孔隙率p的测定，由于影响当前孔隙率的主要因素为弹性模量、泊松比、材料的初始孔隙率以及外部的等效荷载等，则压荷载作用下中空试件的有效孔隙率为

(8)

式中：Eb和vb分别为材料的弹性模量与泊松比，SF-ECC的弹性模量取27 460 MPa，C40混凝土的弹性模量取33 050 MPa，SF-ECC的泊松比取0.19，C40混凝土的泊松比取0.25；qb为外部等效应力，即所施加的压应力，拉正压负，压应力应取负值代入公式中计算，MPa；p0为初始孔隙率，假设干燥过程对材料孔隙率的影响可忽略，则可按2.3.1节中式(2)计算得到SF-ECC及混凝土中空试件的初始孔隙率p0。

图5 不同压应力水平下中空试件累计吸水量曲线Fig.5 Cumulative water absorption amount curves of hollow specimens under different compressive stress levels

综上分析可知，对于中空试件，简化后的累计吸水量公式为

(9)

由整体变化趋势可知：当SF-ECC与混凝土试件受到的压应力水平介于0%～20%时，试件的毛细累计吸水量随着压应力水平的升高而降低；当压应力水平高于20%时，毛细累计吸水量则随着压应力水平的增加而增加。分析原因：当持压应力水平较低时，荷载作用在中空试件上形成压合作用，部分孔隙和细微裂缝在试件内发生闭合，使得试件吸水量减少；当持压应力水平较大时，压荷载会使试件内部的裂缝发展，贯通，从而导致试件内部出现较多的水分传输通道，最终表现为试件累计吸水量逐渐增大。持压荷载作用对水分传输过程影响的示意图见图6[3]。

根据试件累计吸水曲线的斜率可知，在测定时间范围内，SF-ECC的吸水模式分为两种：(1)初期吸水速度快于后期吸水速度(压应力水平在0%～30%时)；(2)初期吸水速度慢于后期吸水速度(压应力水平为40%时)。而混凝土在0%～40%压应力水平下仅有第一种吸水模式。

为便于对比分析，将不同中空试件累计吸水量进行汇总，结果如图7所示。从图7中可以看出：当压应力水平为0%时，SF-ECC累计吸水量略大于混凝土，此时，SF-ECC吸水速度出现拐点的时间(约为440 min)较混凝土(约为360 min)晚，这是由于SF-ECC试件初始孔隙率较大，结构中孔隙较多，造成试件吸水多且要更多的时间才能出现吸水饱和拐点。当压应力水平在10%～30%时，随着压应力水平的增大，SF-ECC吸水速度出现拐点的时间变早(且早于混凝土)，SF-ECC的累计吸水量明显低于混凝土。对原因进行分析：SF-ECC中不含粗骨料，材料能够较好地被压密实，材料中较多的孔隙及微裂缝封闭，使材料吸水量减少，拐点出现时间变早，此外，纤维具有桥接作用，可以在试件产生微裂缝时起到阻裂作用，从而减少微裂缝的数量，这也限制了毛细孔的数量，加大了毛细吸水难度。当压应力水平为40%时，压应力使材料内部结构产生损伤，内部裂缝发展，贯通，水分的快速入侵使SF-ECC基体较快发生损坏，产生渗漏裂缝，故SF-ECC累计吸水量上升快且明显超过混凝土。在该压应力水平下，SF-ECC累计吸水曲线出现两次转折点，转折点对应的时间与SF-ECC试件表面出现渗水裂缝的时间相同，即出现第一条裂缝时，SF-ECC-40%出现第一个转折点，当单裂缝发展为多裂缝时，SF-ECC-40%出现第二个转折点，试件开裂情况可见图4。

图6 持压荷载作用对水分传输过程影响的示意图[3]Fig.6 Schematic diagram of effect of sustained compressive loading on water transfer process[3]

图7 不同中空试件累计吸水量曲线Fig.7 Cumulative water absorption amount curves of different hollow specimens

3.3 毛细吸水率

材料的毛细吸水过程可分为初始阶段和后期阶段，材料处于初始阶段时，表面快速吸水，处于后期阶段时则吸水缓慢。图5的累计吸水量曲线斜率变化渐缓，呈双线性变化的曲线与材料在毛细吸水过程中的两个阶段相对应。因此，基于毛细累计吸水量公式(3)，可双线性拟合出各个压应力水平下的试件累计吸水量曲线，从而获得中空试件在毛细吸水两个阶段的分界点(曲线拐点处)，由此可计算得到材料处于各个压应力水平下的初始吸水率S1以及后期吸水率S2，进一步地，取两者的平均值，并将该值作为中空试件的平均吸水率S，以此评价材料在毛细吸水全过程中的吸水率。图8给出了SF-ECC试件与混凝土试件吸水率对比情况。中空试件吸水率计算结果见表8。对图8进行分析发现：

(1)材料的吸水率随着压应力水平的增加先减小后增大。持压荷载的变化会使材料内部孔隙结构发生改变，而材料的毛细吸水作用会受材料内部孔隙结构的影响，在较小压应力水平下，材料中的部分孔隙与微裂缝会发生闭合，毛细吸水作用减弱，而随着压应力水平的增大，材料中的裂缝发展，贯通，毛细吸水作用加强，因此材料的吸水率随着压应力水平的增加先减小后增大。

(2)在0%～30%的压应力水平下，材料的初始吸水率S1要明显大于材料的后期吸水率S2。在毛细吸水过程，材料内部水分子的扩散路径可分为三种：(a)通过材料表面进行的扩散；(b)通过骨料-浆体界面进行的扩散；(c)通过材料本体进行的扩散。前两种扩散方式可称为短路扩散，其速度远远快于第三种扩散方式，因此材料的初始吸水率S1要明显大于材料的后期吸水率S2。

(3)当压应力水平在10%～30%时，SF-ECC的初始吸水率S1要明显小于混凝土的初始吸水率S1；当压应力水平在0%～20%时，SF-ECC的后期吸水率S2要明显小于混凝土的后期吸水率S2；当压应力水平在0%～30%时，SF-ECC的平均吸水率S明显小于混凝土的平均吸水率S。