人工砂粒级对水工ECC 材料强度及自愈合性能的影响

2023-09-22陈程琦

中国农村水利水电 2023年9期

鄢勇，李杨，，石妍，陈程琦

（1. 华电金沙江上游水电开发有限公司，四川成都 610041； 2. 长江水利委员会长江科学院，湖北武汉 430010）

0 引言

裂缝是水工混凝土的主要病害之一，可导致宏观性能损伤和微观结构劣化，威胁整体的安全稳固和长效耐久。据统计近90%的水利工程都存在裂缝、渗漏、溶蚀和离子侵蚀等问题［1］，并由此产生了大量的经济损失和资源浪费，“无坝不裂”仍然是水工混凝土的显著特点。因此，水工混凝土裂缝的预防与控制是广泛关注的重点和难点。

混凝土开裂是强度和变形相互作用的结果。使用聚合物纤维能够提高水泥基材料的韧性和极限变形能力，改善水泥基材料裂缝发育和发展过程中的脆性特性，但无法克服纤维增强材料（Fiber Reinforced Composites，简称FRC）破坏过程中应变软化的特点，并且极限变形能力的提高幅度有限，实际工程中发生开裂的现象仍然较多［2］。高延性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious composites，简称ECC）的纤维掺量显著高于FRC，单轴拉伸荷载下的最大应变超过3%［3］，远远超过水工混凝土和FRC 的变形能力，并且破坏过程中具有明显的应变硬化特点［4，5］。同时，ECC材料胶凝材料用量大、水胶比较低，导致胶凝材料水化不完全，具有较好的裂后自愈合能力，这对混凝土裂缝的控制极为有利。

1 试验设计

1.1 原材料

使用四川峨胜水泥有限公司生产的P·O42.5 水泥进行试验，密度为3.14 g/cm3，比表面积为334 m2/kg，标准稠度用水量为25.6%。为改善水工ECC 的工作性并降低绝热温升，使用F类I 级粉煤灰取代部分水泥，粉煤灰的密度为2.31 g/cm3，细度为6.8%，比表面积为390 m2/kg，7 d和28 d的强度活性指数分别为68%和75%。水泥和粉煤灰化学成分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash

为改善和调节水工ECC 材料的工作性，使用江苏苏博特公司生产的PCA-1 聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）提升浆体的分散效果和流动性能，减水剂的减水率为30%。同时使用纤维素类增稠剂改善浆体的泌水性能和黏聚性能，并添加消泡剂降低水工ECC 的含气量，同时优化孔结构特性。选用江苏能力公司生产的短切聚乙烯醇（PVA）进行试验，长度为12 mm，密度为1.3 g/cm3，熔点为225～230 ℃。纤维性能检测结果如表2 所示。试验中控制PVA纤维的体积掺量为2%。

表2 PVA纤维性能Tab.2 Properties of PVA fibre

传统的ECC 材料多采用石英砂制备，并控制石英砂的粒径尺寸。本次采用人工砂制备水工ECC 材料，同时利用方孔筛将原状砂筛分成最大粒径分别为2.5、1.25、0.63、0.315 和0.16 mm的不同粒级的人工砂。原状砂的细度模数为2.8，表观密度为2.66 g/cm3，石粉含量为14.1%，饱和面干吸水率为1.5%，粒径级配曲线如图1所示。

图1 原状砂的粒径级配曲线Fig.1 Size grading of original artificial sand

1.2 配合比

使用不同粒级的人工砂分别成型水胶比为0.25 和0.35 的两种水工ECC 材料。考虑水工混凝土性能特点和应用需求，并结合大体积混凝土温控压力和经济成本，控制两种水工ECC 材料的粉煤灰掺量均为50%，PVA 纤维的体积掺量均为2%，增稠剂和消泡剂的掺量分别为0.009%、0.05%。为保持不同强度等级的水工ECC 材料具有相近的流动性水平，控制水胶比为0.25系列组的减水剂掺量为0.8%，水胶比为0.35系列组的减水剂掺量为0.6%，相应的跳桌流动度为150～170 mm。

试验中发现人工砂粒级对水工ECC 材料的用水量有显著影响（见图2）。原状砂制备0.35 水胶比试验组的用水量为340 kg/m3，制备0.25 水胶比试验组的用水量为305 kg/m3，但随人工砂最大粒径尺寸的减小，相同流动度时水工ECC 材料的用水量增大，两者间存在较好的相关关系。从图2中可以看出，基本上人工砂粒级每降低一个等级，水工ECC 材料的用水量需增加5 kg/m3，这主要与人工砂粒级降低后，水工ECC 材料整体的比表面积增加，相同水膜厚度情况下需要的用水量也增大。

图2 人工砂粒级与用水量的关系Fig.2 Relationship between water demand and size grading of sand

1.3 成型和试验方法

纤维分散的均质程度对ECC 材料性能有较大影响，而搅拌制度是影响纤维分散效果的关键因素。试验采用卧轴强制式搅拌机拌和，原材料加料顺序和拌和制度如图3所示，整个拌和过程持续6～8 min，包括水泥、粉煤灰和人工砂先干拌1 min，然后加入水和外加剂湿拌2～3 min，最后加入PVA 纤维继续搅拌3～5 min。搅拌结束后，将水工ECC 材料装入试模，并在室温下养护24 h 后拆模，然后移入标准养护室养护至7 d 或28 d 龄期进行试验。

图3 原材料加料顺序和拌和制度Fig.3 Mixing procedure of raw material

使用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件进行抗压强度和劈拉强度试验，养护龄期为7 d 和28 d。同时，将受压破坏的试件重新放入标准养护室，继续养护28 d 后再次进行抗压试验，考察水工ECC 材料抗压强度的恢复情况，并用强度比表征受损后的自愈合性能。强度比的计算公式如下：

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式中：k为强度比；fcc，1为初次试验的抗压强度，MPa；fcc，2为再次试验的抗压强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度影响

人工砂粒级对水工ECC 材料抗压强度的影响如图4 所示。相同试验条件下，水胶比0.25 系列组各龄期的抗压强度普遍高于水胶比0.35 系列组；而随人工砂粒级的降低和最大粒径尺寸的减小，水工ECC 材料各龄期的抗压强度随略有增加，但整体的变化幅度并不大，如人工砂最大粒径尺寸从5 mm 减小为0.16 mm 时，水胶比0.25 系列组7 d 龄期抗压强度从30.2 MPa 增加至33.9 MPa，增加幅度为12.3%；28 d 龄期抗压强度从54.3 MPa 增加至57.3 MPa，增加幅度为5.5%；90 d 龄期抗压强度从74.6 MPa 增加至77.6 MPa，增加幅度为4.0%。这说明水工ECC材料抗压强度受人工砂粒级的影响不明显。

图4 人工砂粒级对水工ECC材料抗压强度的影响Fig.4 Effects of maximum particle size of artificial sand on compressive strength of hydraulic ECC

水工ECC 材料受压过程中的破坏态与水工混凝土明显不同。水工混凝土具有典型的脆性特征，破坏后试件表面剥落，呈明显的“倒八字”型；而水工ECC 材料的破坏过程属于延性破坏［6-8］。受PVA 纤维作用的影响，随压力机荷载的不断增大，水工ECC 材料的裂缝宽度不断增加，裂缝数量不断增多，纵向尺寸不断减小，而表面没有剥落现象发生，试验结束后的试件形态仍较为完整。

人工砂粒级对水工ECC 材料抗压强度发展特性的影响如图5所示。试验以28 d龄期的抗压强度为基准，分别计算7 d和90 d 龄期抗压强度的比值。从图5 中可以看出，水工ECC 材料具有较好的强度增长特性，同龄期不同水胶比水工ECC 材料的抗压强度增长率相差不大，而抗压强度增长率与人工砂粒级之间也缺少显著的相关关系，如水胶比0.35 试验组7 d 龄期的抗压强度增长率为50.7%～55.8%，90 d 龄期为134.2%～136.7%；水胶比0.25 试验组7 d 龄期为57.4%～61.0%，90 d 龄期为133.9%～137.4%。水工ECC 材料较好的强度增长特性，一方面与胶凝材料用量大、水胶比较小有关，另一方面也与粉煤灰掺量较多有关。

图5 人工砂粒级对水工ECC材料抗压强度发展特性的影响Fig.5 Effects of maximum particle size of artificial sand on compressive strength development of hydraulic ECC

2.2 劈拉强度影响

人工砂粒级对水工ECC 材料劈拉强度的影响如图6 所示。水胶比0.25 试验组的同龄期劈拉强度显著高于水胶比0.35 试验组，这与抗压强度的试验规律相吻合，符合水胶比对水泥基材料性能影响的一般规律。同时，随人工砂粒级的降低，水工ECC 材料的劈拉强度明显增加，人工砂粒级对水工ECC 劈拉强度的影响程度高于抗压强度，如人工砂最大粒径尺寸从5 mm减小至0.16 mm 时，水胶比0.35 系列组7 d 龄期的劈拉强度从1.63 MPa 增长至1.91 MPa，增加幅度为17.2%；28 d 龄期劈拉强度从2.33 MPa 增长至2.85 MPa，增加幅度为22.3%；90 d 龄期劈拉强度从2.68 MPa 增长至3.28 MPa，增加幅度为22.4%。人工砂粒级降低时，水工ECC 材料劈拉强度的增长幅度大于抗压强度。

图6 人工砂粒级对水工ECC材料劈拉强度的影响Fig.6 Effects of maximum particle size of artificial sand on splitting tensile strength of hydraulic ECC

人工砂粒级对水工ECC 材料劈拉强度发展特性的影响如图7所示。计算以28 d龄期的劈拉强度为基准，分别计算7 d龄期和90 d 龄期劈拉强度的比值。从图7 中可以看出，水工ECC材料28 d 龄期劈拉强度的增长幅度超过90 d 龄期，并且劈拉强度的增长幅度也小于同龄期的抗压强度，如水胶比0.35 试验组7 d 龄期的劈拉强度增长率为62.8%～70.0%，90 d 龄期的增长率为114.9%-115.1%；而同龄期抗压强度的增长率分别为50.7%～55.8%和133.9%～137.4%，这说明水工ECC 材料抗压强度的发展速度快于劈拉强度，这与其他水泥基材料的特性相同［9］。

图7 人工砂粒级对水工ECC材料劈拉强度发展特性的影响Fig.7 Effects of maximum particle size of artificial sand on splitting tensile strength development of hydraulic ECC

图8是人工砂粒级对水工ECC材料拉压比的影响。拉压比是水泥基材料同龄期抗拉强度与抗压强度的比值，反映了材料的韧性特征。从图8 中可以看出，水胶比0.25 系列组的同龄期拉压比明显小于水胶比0.35 系列组，并且随养护龄期的延长，同系列试验组的拉压比有所降低。同时，人工砂粒级与拉压比之间也缺少明确的相关关系。如养护龄期从7 d 增加至90 d时，水胶比0.35 系列组的拉压比从0.086～0.094 减小至0.058～0.064，水胶比0.25系列组的拉压比从0.075～0.081 减小至0.051～0.056。

图8 人工砂粒级对水工ECC材料拉压比的影响Fig.8 Effects of maximum particle size on the ratio of splitting tensile strength to compressive strength

水工ECC 材料拉压比随养护龄期的变化规律符合水泥基材料性能的演变特点，主要与抗压强度增长较快，而抗拉强度发展较慢有关。上述试验表明，人工砂粒级对水工ECC 材料的工作性有显著影响，但与抗压强度、韧性指标之间缺少较为明确的相关关系，劈拉强度随人工砂粒级的降低略有增加，说明在保证工作性的前提下，水工ECC 材料可适当使用较大粒径尺寸的人工砂，这有利于降低技术成本、提高经济性，并改善拌合和施工的效果。

2.3 自愈合性能影响

自愈合能力是ECC 材料备受关注的重要指标之一，本次使用强度比表征水工ECC 材料的自愈合能力［10，11］，试验时先将到达预定龄期的试件进行抗压试验，并将破坏后的试件继续养护28 d 后再次进行抗压试验，比较两次抗压强度的变化情况，从而评判水工ECC材料的自愈合能力。

图9 是水工ECC 材料自愈合前后抗压强度的试验结果，其中水胶比0.35 系列组和水胶比0.25 系列组7 d 龄期试件的再次抗压强度均超过首次抗压强度，而28 d 龄期试件的再次抗压强度均低于首次抗压强度，如7 d 龄期试件的结果均分布在45°线以上区域，而28 d 龄期试件的结果均分布在45°线以下区域，说明水工ECC 材料水化早期的自愈合能力较强，而水化后期的自愈合能力减弱，这可能与水化早期胶凝材料的水化程度较低，而水化后期胶凝材料的水化程度较高有关。

图9 水工ECC材料自愈合前后抗压强度试验结果Fig.9 Comparison of compressive strength of hydraulic ECC before and after healing

人工砂粒级对水工ECC材料强度比的影响如图10所示，各系列组7 d 龄期试件的强度比普遍高于28 d 龄期试件，而水胶比0.35 系列组的强度比也低于水胶比0.25 系列组。同时，水工ECC 材料强度比随人工砂粒级的变化趋势不明显。从图10 中可以看出，水胶比0.35 系列组7 d 龄期试件的强度比为1.28～1.45，28 d龄期试件的强度比为0.72～0.76；而水胶比0.25系列组7 d 龄期试件的强度比为1.50～1.63，28 d 龄期试件的强度比为0.81～0.87，这表明较高胶凝材料用量和较低水胶比的情况下，水工ECC材料可能具有较好的损伤后自愈合能力［12］。

图10 人工砂粒级对水工ECC材料强度比的影响Fig.10 Effect of maximum particle size on compressive strength ratio of hydraulic ECC

水工ECC 材料的强度与胶凝材料的用量和水化程度有关，而胶凝材料的水化程度又进一步影响到自愈合性能［13］。利用原状砂制备水工ECC 材料，在水胶比为0.25、用水量为305 kg/m3的情况下，相应的胶凝材料用量为1 220 kg/m3，其中水泥和粉煤灰的用量均为610 kg/m3；而在水胶比为0.35、用水量为340 kg/m3的情况下，相应的胶凝材料用量为972 g/m3，其中水泥和粉煤灰的用量均为486 kg/m3。前者试验组的胶凝材料用量和水泥用量较后者高26%，这是导致水胶比0.25 系列组自愈合能力较强的原因之一。

单位体积中水工ECC 材料水化产物组成如图11 所示。粉煤灰活性指数的试验结果表明，在30%掺量水平下，掺粉煤灰试验组的7 d 龄期抗压强度仅为未掺对比组的68%，说明粉煤灰在最早7 d 龄期时仍未发生“二次水化”反应。因此，计算中假定粉煤灰在7 d 龄期时并未参与水泥水化，同时水胶比和实际水灰比对水泥水化速率的影响也较小。水化产物组成采用水化热力学软件计算，模型参照Lothenbach等人［14］的工作。

图11 单位体积重水工ECC材料水化结束时体系组成Fig.11 Phase composition of each group after hydration completed

从图11 中可以看出，在水胶比0.25 和0.35 的情况下，试验组内部干燥速率较快，水泥均不能完全水化；其中水胶比0.25试验组，水化0.7 d时结束水化，自由水完全消耗；水胶比0.35试验组，水化3 d 时结束水化，自由水完全消耗。水化中止时，水胶比0.25 试验组的C3S、C2S 含量仍远高于水胶比0.35 试验组，导致前者裂后自愈合能力高于后者。