高性价比混杂纤维工程水泥基复合材料的力学性能研究

张品乐,朱昊天,胡 静,曾靖渊,陶 忠

(昆明理工大学建筑工程学院,昆明 650500)

0 引 言

混凝土自19世纪被用作建筑材料以来一直受到国内外学者的关注,目前已经成为应用最广泛的建筑材料之一。混凝土的抗压强度随着相关研究发展不断提高,但普通混凝土仍存在抗拉性能差、延性低、在荷载作用下易产生裂缝以及耐久性差等缺点。鉴于传统混凝土材料性能的不足,新型工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites, ECC)应运而生[1]。ECC是一种在水泥基体中掺入纤维的复合材料,广义上说,它属于纤维增强混凝土,由Li等[2-3]根据细观力学和断裂力学的基本原理开发,是一种具有超高拉伸延性、拉伸应变硬化和多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料。

混凝土结构中常用的纤维增强水泥基复合材料主要是聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites, PVA-ECC)。试验研究[4]结果表明,PVA-ECC具有超强的拉伸应变能力,极限拉伸应变可稳定超过3%,是普通混凝土的200倍左右,韧性与铝合金非常相似。目前,市面上的PVA纤维主要由日本Kuraray有限公司生产,成本很高,将ECC大规模应用到实际工程中非常困难,因此,成本效益高的PVA-ECC具有很高的研究价值。国产PVA纤维的拉伸强度和弹性模量接近日本PVA纤维,成本相对较低,仅为日本PVA纤维成本的1/8。但国产PVA-ECC的准应变硬化性能相对较差,主要原因是国产PVA纤维分散性较差,纤维与水泥基体的黏结作用较强,在拔出过程中容易拉断,不易满足应变硬化条件,因此,国产PVA-ECC的混合比例需要进一步优化。此外,工程水泥基复合材料具有多层次多尺度的结构特征,且破坏过程也契合这一多层次特征[5]。而PVA纤维难以有效实现对微米尺度裂缝的阻裂,故有学者将碳纤维等微纳米材料用于水泥基材料中,但因成本等问题,碳纤维在工程中的应用也受到了限制。CaCO3晶须微米级纤维因兼具低成本(约1 700元/吨)、易于分散的优点,被引入水泥基材料中用作微观增强纤维。张聪等[6]将微米级的CaCO3晶须、PVA纤维组成的混杂纤维应用到水泥基复合材料中,发现不同尺度的纤维分别从微观、细观上对水泥基体进行了增强增韧,极大地提高了其力学性能。

基于以上认识,本文根据ECC材料的设计理论,设计12组试样,通过单轴拉伸试验和单轴压缩试验,研究了粉煤灰、硅灰、水胶比、纤维种类和CaCO3晶须对拉伸应变能力和抗压强度的影响。根据ECC材料的性能和成本,配制经济高效的混杂纤维水泥基复合材料,使其在工程中大规模应用成为可能。

1 混杂纤维ECC的可行性

1.1 复合材料应变强化行为准则

ECC的设计基于纤维、基体和纤维-基体界面三者间的相互作用,实现拉伸过程中的多缝开裂。Li等[2,7]提出的ECC的微观力学模型是ECC的设计基础。该模型提出了使复合材料达到应变强化行为的准则,即开裂强度准则和裂缝扩展能量准则。

1)开裂强度准则

ECC的多缝开裂由纤维桥联以承担基体传递的荷载。故为了避免单缝开裂导致纤维断裂失效并实现多缝开裂,要求在轴向拉伸时的初始开裂应力σfc必须小于最大桥接应力σ0,即

σfc<σ0

(1)

2)裂缝扩展能量准则

Marshall等[8]提出了一种扁平裂缝扩展模式,最初是为连续纤维增强陶瓷复合材料而推导出的,但它同样适用于纤维桥联增强脆性基体的复合材料,即

(2)

式中:Jtip(J·m-2)为基体材料在裂缝尖端的韧性,δss(mm)为稳态桥联应力σss(MPa)下的裂缝张开宽度,σ(δ)表示桥联纤维应力与裂缝张开宽度的关系函数。

为满足能量准则,要求

(3)

式中:J′b(J·m-2)为余能,σ0(MPa)为纤维最大桥联承载力,δ0(mm)为最大桥联承载力对应的裂缝开口宽度。

1.2 材料的优化

1)基体韧性

根据式(3),最大余能J′b必须大于基体韧性Jtip才能使复合材料出现应变硬化和多缝开裂。可以通过限制基体裂缝尖端韧性Jtip来实现,而Jtip由基体材料成分决定,因此可通过优化基体水灰比、粉煤灰掺量等来降低Jtip、增大J′b/Jtip。Kanda等[9]研究发现,当σ0/σfc≥1.3且J′b/Jtip≥2.7时,才可获得稳定的拉伸应变强化特征。

2)PVA纤维

根据式(3),提高余能J′b更容易实现多缝开裂。国产PVA纤维余能及对应复合材料的极限应变均较低,而全日产PVA纤维成本过高,故采用国产PVA纤维和日产PVA纤维混掺,使复合材料满足准应变硬化模型及其性能参数的要求。纤维掺量增加也能提高峰值桥接应力和余能,但根据试验发现,当纤维超过1.8%(体积分数,下同)后,搅拌开始困难,分散性变差,因而纤维掺量不宜超过1.8%。

3)CaCO3晶须

试件极限抗拉强度由试件中最弱横截面的纤维桥接能力σ0决定,Ma等[10]提出纤维桥接能力σ0可通过式(4)计算(忽略纤维断裂和滑移强化)。

(4)

式中:Vf(%)为纤维的体积含量,τ0(MPa)为纤维和基体界面的摩擦结合强度,Lf(mm)和df(μm)分别为纤维的长度和直径,ηB为纤维桥接的效率,可看作是纤维不沿基体开裂面法向时的一个小于1的效率系数。

从式(4)可以看出,对于给定的纤维类型和体积分数,纤维桥接能力σ0由摩擦结合强度τ0决定。τ0与纤维/基体界面的粗糙度和密实度直接相关,通过加入适量的CaCO3晶须(针状形态),提高纤维/基体界面的粗糙度和密实度,就能提高极限抗拉强度。

纤维在基体中被拉拔会出现滑移强化现象。滑移强化作用可以使拉伸荷载最终超过纤维自身强度,故增加界面摩擦(加入CaCO3晶须)会导致滑移强化作用,这可以改善复合材料的应变硬化。但是,滑移强化不宜过高,以免导致纤维磨损造成剪切断裂。

水泥基复合材料具有多层次多尺度的结构特征[11],其模型如图1所示。纤维的加入可以阻止水泥基体裂缝的扩展[12],但单一尺度的宏观纤维或微观纤维很难契合其多层次开裂过程。在水泥基体中加入CaCO3晶须和PVA纤维,既可桥接混凝土内部分布的微裂缝,并抑制这些微裂缝发展成宏观裂缝,也能阻止宏观裂缝的扩展,这样就可以在不同结构层次上增强混凝土的力学性能。

图1 水泥基复合材料的多尺度模型[11]Fig.1 Multi-scale model of cement-based composites[11]

2 实 验

2.1 试验材料

本试验采用的水泥为云南昆明华新水泥厂制造的P·O 42.5普通硅酸盐水泥;减水剂为宏祥建筑外加剂厂生产的聚羧酸高性能减水剂,减水率为30%;粉煤灰为昆明环恒粉煤灰有限责任公司生产的I级粉煤灰;砂为石英砂,细度模数2.9、密度2.66 g/cm3;硅灰,SiO2含量约96%;日产PVA纤维(纤维J)由日本Kuraray公司生产,国产PVA纤维(纤维C)由中国石化集团四川维尼纶厂生产,其相关性能参数见表1;碳酸钙晶须(CaCO3whisker, CW)由东莞鸿兴新材料有限公司生产,其相关性能参数见表2;水为自来水。

表1 PVA纤维性能指标Table 1 Performance indexes of PVA fibers

表2 CaCO3晶须性能指标Table 2 Performance indexes of CaCO3 whisker

2.2 试验参数设计

本文根据ECC设计理论,结合课题组前期研究成果,通过调整粉煤灰含量、水胶比等因素优化基体韧性Jtip,通过加入CaCO3晶须和改变PVA纤维种类优化余能J′b。综合考虑试件应变硬化性能和强度,得到试件配合比(见表3)。

表3 试件配合比Table 3 Mix ratio of test specimens

2.3 测试方法

单轴拉伸试验采用狗骨式试件,试件尺寸如图2所示,每组配合比制备4个试件。试验采用电子万能试验机的量程为100 kN,加载方式为位移控制,加载速率为0.15 mm/min。抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,每组试件均浇筑3个, 采用液压伺服万能试验机对试件进行抗压试验,试验参照《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T2461—2018)[13]。

图2 试件尺寸图Fig.2 Specimen size diagram

纤维均匀分散是纤维在ECC中充分发挥作用的前提条件,提高纤维分散性可提高ECC的力学性能,并保障其力学性能稳定。为提高纤维分散性,本试验采用改进的ECC拌和流程[14]:先将PVA纤维进行人工分散,然后把适量的水泥、砂、粉煤灰、硅灰倒入搅拌机干拌2 min,再加入CaCO3晶须搅拌2 min;将适量的水和减水剂倒入搅拌机后搅拌3 min,然后加入剩余的粉料和液体拌和,最后沿着搅拌桶旋转的方向缓慢加入PVA纤维,全部加入后再搅拌10 min。

3 结果与讨论

3.1 拉伸试验

试件的开裂强度σfc,t、开裂应变εfc、抗拉强度σt和极限拉伸应变εt的确定方法见文献[15]。单轴拉伸试验的应力-应变曲线如图3所示,单轴拉伸试验结果平均值见表4。图3(a)为28 d不同粉煤灰含量下的PVA-ECC拉伸应力-应变曲线。由图3(a)可以看出,粉煤灰含量的增加有利于水泥基复合材料的应变硬化,提高极限拉伸应变,相对于H1,H2、H3极限拉伸应变分别提高约了6.23%、11.05%。

表4 试件的单轴拉伸性能Table 4 Uniaxial tensile properties of specimens

图3 试件的拉伸应力-应变曲线Fig.3 Tensile stress-strain curves of specimens

图3(b)为不同水胶比下的PVA-ECC的拉伸应力-应变曲线。由图3(b)可知,粉煤灰掺量为58%(质量分数,下同)时,0.25水胶比试件的平均极限拉伸应变为2.55%;0.30水胶比试件的平均极限拉伸应变为3.75%;0.35水胶比时,应力-应变曲线相对平缓,试件的平均极限拉伸应变为4.21%。与0.25水胶比相比,0.30、0.35水胶比试件极限拉伸应变平均值分别提高了47.06%、65.10%。

这是因为粉煤灰掺量的增加能减弱基体韧性和纤维/基体界面的化学黏结,而水胶比增大不仅能降低基体韧性,还会降低纤维/基体界面的化学黏结和摩擦黏结,从而导致最大桥接应力降低,更容易进入应变软化阶段。

图3(c)和(d)分别为加入国产纤维和碳酸钙晶须下的PVA-ECC的拉伸应力-应变曲线。由图3(c)可知,对于采用混合纤维的H10、H11,当国产纤维体积率从0.3%增加到0.6%时,材料的极限拉伸应变逐渐降低。对于只加入国产纤维的H12,其试件的平均极限拉伸应变仅为0.54%。相比国产纤维,加入CaCO3晶须后,试件的极限拉伸应变有所提高,加入1%CaCO3晶须试件的极限拉伸应变相对于H2提高了29.07%,随着CaCO3晶须含量的进一步增加,拉伸应变略有增加,并稳定在4.9%左右。极限抗拉强度与初裂强度呈相似的变化趋势,即先增加后降低,如表4所示。当CaCO3晶须含量为1%时,ECC的极限抗拉强度达到最大值,与H2相比提高了37.19%;当CaCO3晶须掺量增至2%时,试件的极限抗拉强度出现了降低。出现上述现象的原因为:加入适量的CaCO3晶须可以增加基体的密实性,并且由于CaCO3晶须具针状形态,它可以提高纤维/基体的界面的粗糙度,从而提高纤维的桥接能力和极限抗拉强度。其次,附着在PVA纤维表面的CaCO3晶须能减少PVA纤维与水泥基体的接触面积,减少Al3+和Ca2+的含量,降低界面上的化学键,从而提高最大余能J′b,进而实现多缝开裂,提高拉伸应变能力。然而,过量的晶须往往会聚集,这会增加基体中的孔隙,导致复合材料中出现新的缺陷[10]。因此,当晶须含量高于1%后,极限抗拉强度随着晶须含量的增加而降低。

3.2 抗压强度试验

在制备PVA-ECC受拉试件的同时,制作了同一批次下的立方体试件,研究了不同粉煤灰含量、水胶比、硅灰和纤维尺度对水泥基复合材料抗压强度的影响。这些试样在与受拉试样在标准养护室养护28 d后进行相应试验。试验参照《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T2461—2018)[13]。

不同粉煤灰含量、水胶比、硅灰和纤维尺度对抗压强度的影响如图4所示。由图4(a)可知,随着粉煤灰含量的增加,试件的抗压强度逐渐降低,相比H1,H2、H3的抗压强度分别降低了3.76%、9.65%。这主要是因为水泥基复合材料中的粉煤灰含量增加、水泥含量降低,粉煤灰与水泥二次反应有限,粉煤灰的火山灰反应得不到充分发挥,无法大量生成水化凝胶物质填充到孔隙中,从而使得基体抗压强度的增长趋势减弱[16-17]。

图4 不同参数对试件抗压强度的影响Fig.4 Influence of different parameters on compressive strength of specimens

由图4(b)可知,试件的抗压强度随硅灰含量的增加而增大,与H4相比,H2、H5的抗压强度分别提高了15.86%、25.21%,表明复掺粉煤灰及硅灰比单掺粉煤灰更有利于提高试件的抗压强度。这主要是因为:一方面,硅灰的颗粒细度较小,比表面积大,能很好地填充到水泥浆体的空隙中,使材料内部结构更密实;另一方面,在水泥的水化产物中,高碱性水化硅酸钙的强度不是很高,Ca(OH)2的强度很低,而硅灰中含有大量的活性SiO2,在常温下能与水泥水化时析出的Ca(OH)2发生二次反应,生成具有胶凝性的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙,可以填充结构空隙从而提高混凝土的强度[18-19]。

由图4(c)可知,水胶比越大,立方体抗压强度越低,与H6相比,H2和H7的抗压强度分别降低了16.70%、33.61%。这是因为随着水胶比增加,基体结构由致密变疏松,内部缺陷增多,从而导致立方体抗压强度降低。

图4(d)为不同CaCO3晶须含量的立方体抗压强度。可以看出,与CaCO3晶须含量为0%和2%相比,添加1%体积分数的CaCO3晶须的ECC试件具有最大抗压强度,与H2相比增加了6.11%,而当CaCO3晶须含量增加到2%时,其抗压强度低于H8。这是由于当CaCO3晶须掺量较低时,复合材料中的CaCO3晶须分散比较均匀,对混凝土起填充作用,增加了基体的致密性。此外,由于CaCO3晶须的直径小,它可以在微观层面桥接缺陷,延迟微裂纹发展为宏观裂纹,因而使得复合材料的力学性能有所提高。而当添加过量的CaCO3晶须时,CaCO3晶须的活性非常低,导致基体强度相对较弱。此外,CaCO3晶须的分散性较差,易出现团聚现象,添加过量的CaCO3晶须不仅会影响基体的均匀性,还会因纤维之间的相互接触点过多导致更多孔隙的出现,造成基体强度下降[10]。

3.3 试件破坏形态

图5为三类试件拉伸试验后的表观裂缝形态。加入日产纤维和CaCO3晶须的H8以及日产纤维和国产纤维混掺的H11表现出明显的多缝开裂模式,且H8的裂纹数量比H11裂纹数量更多,而纯国产纤维的H12破坏时其裂缝仅有几条,远少于H8。结合试件的应力-应变曲线表明,PVA纤维的加入会提高试件的韧性和延展性,使试件表现出多缝开裂模式,但加入国产纤维的多缝开裂能力小于加入日产纤维,而CaCO3晶须的引入可以进一步提高材料多缝开裂的能力。

图5 单轴受拉试件的开裂形态Fig.5 Cracking morphologies of uniaxial tensile specimens

图6为单轴受压试件破坏后的图像。受压试验中,基体的破坏形式为脆性破坏,即当外荷载达到极限荷载后,试件会瞬间失去承载力,而无论掺入哪种PVA纤维,都会使得试件在受压达到极限荷载后可以继续承载而不发生脆性破坏,呈延性破坏,说明PVA纤维对水泥基材料的延性破坏性能起到了改善作用。

从表4中可以看出,H9的极限拉伸应变为4.96%,较没掺CaCO3晶须的对照组H2有较大的提高,说明该复合材料的延性和韧性得到了较大的改善。但H9的抗压强度只有38.6 MPa,相对H2偏低,而H8的极限拉伸应变为4.84%,同时抗压强度也达到43.8 MPa,是本组试验中的较优配比。

4 经济成本分析

为了平衡混凝土性能和经济成本的关系,更加客观地反映混凝土的性能,采用价值工程分析法[20]对比分析本文制备的混杂纤维水泥基复合材料的经济价值性。价值工程分析法是经济分析的一种方法,现已被应用于机械、电气、化工、纺织、建材、冶金等多种行业,其核心是通过计算价值系数评估产品或项目的经济价值,公式如式(5)所示。

V=F/C

(5)

式中:V为价值系数,F为产品的功能值,C为产品的成本,本研究主要对不同组ECC成本进行对比分析。

原材料的成本以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本(市场上材料价格计算)计算,结果如表5所示。

表5 原材料成本Table 5 Cost of raw materials

降低成本是材料研发中的一个重要目标,因为成本的高低直接影响材料的应用范围和市场竞争力。从表5可以看出,混杂纤维水泥基复合材料成本占比中纤维成本占80%～90%,其中日产PVA纤维的成本占主导地位,最高占原材料总成本的91%。故传统混杂纤维水泥基复合材料成本高的原因主要为日产PVA纤维价格昂贵。随着国产PVA纤维替代率的增加,混杂纤维水泥基复合材料的总成本下降,相较于H2,H10、H11、H12分别下降了13%、27%、82%。

以28 d龄期的极限拉伸应变、抗拉强度、抗压强度为功能值,对比分析不同配比ECC的性能,可以得到不同配比ECC的性能差距。以H2为基准组,标准设置为1,由其他组力学性能数值与基准组相除可以得到其力学性能比,计算公式为

(6)

式中:Fi为不同组ECC的功能系数,Di为三种力学性能比值的平均值。ECC试件的力学性能以及力学性能比值、功能系数的计算结果如表6所示。

表6 ECC试件的力学性能以及力学性能比值、功能系数计算结果Table 6 Mechanical properties and calculation results of mechanical properties ratio and functional coefficients of ECC specimens

根据式(7)计算不同组ECC的成本系数(以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本计),再根据式(5)计算出价值系数,结果如表7所示。

表7 ECC试件的价值系数Table 7 Value coefficients of ECC specimens

(7)

式中:Yi为各组ECC的成本,Ci为各组ECC的成本系数。

由表6可知,从价值分析法的角度来看,H8、H11和H12的价值系数高于其他试验组。H8通过加入廉价的CaCO3晶须,提高了复合材料的力学性能,从而提高其价值性。H11通过国产PVA纤维替代日产PVA纤维,虽然在力学性能上不能达到全日产PVA纤维(H2),但其价值和经济性均优于全日产PVA纤维。H12则通过采用全国产PVA,大幅度降低成本,从而提高其价值性。

根据混杂纤维水泥基复合材料的成本、价值系数、拉伸和压缩性能,提出了三种配合比:低成本、拉伸延展性相对较低、只加入国产PVA纤维的H12;中等成本、拉伸延展性相对较高、加入两种PVA纤维的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日产PVA纤维和CaCO3晶须的H8。混合料的确定取决于实际应用的需求。

通过力学性能和经济成本分析可知,加入适量的CaCO3晶须能显著提高复合材料的力学性能,而国产PVA纤维替代日产PVA纤维能大幅度提高其经济价值。故通过上述试验和理论分析可以预估,在水泥基复合材料中,用国产PVA纤维替换日产PVA并加入适量的CaCO3晶须,能实现混杂纤维水泥基复合材料功能价值和经济价值的最大化,从而实现力学性能优化和经济性提高的双重目标。

5 结 论

1)水胶比和粉煤灰含量的增加有利于复合材料应变硬化,提高极限拉伸应变,但也降低了水泥基复合材料的抗拉强度和抗压强度。与0.25水胶比相比,0.30、0.35水胶比极限拉伸应变平均值分别提高了47.06%、65.10%,抗压强度分别降低了16.70%、33.61%。

2)复掺粉煤灰和硅灰替代部分水泥时,随着硅灰含量的增加,PVA-ECC试件的拉伸峰值应力及开裂荷载提高,抗压强度得到改善。

3)最佳含量的CaCO3晶须可以显著提高ECC的拉伸应变能力,这是由于CaCO3晶须的加入能减少纤维/基体界面化学键。此外,CaCO3晶须的针状形貌可以提高界面粗糙度,从而提高摩擦结合强度。这可以提高余能J′b,从而提高拉伸应变能力。

4)CaCO3晶须的最佳含量为总ECC混合物体积的1%。在此含量下,ECC的抗拉应变能力为4.84%,比H2(VCW=0)提高了29.07%;极限抗拉强度为4.82 MPa,比H2提高了37.19%;抗压强度为43.8 MPa,比H2提高了6.11%。

5)两种PVA纤维比例适当时,所制成的复合材料既能满足降低成本的要求,又能保证较好的力学性能。并对复合材料进行力学性能和经济成本对比分析,提出了三种配合比:低成本、拉伸延展性相对较低、只加入国产PVA纤维的H12;中等成本、拉伸延展性相对较高、加入两种PVA纤维的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日产PVA纤维和CaCO3晶须的H8。在工程中可根据实际需求选择合适的配合比。