聚乙烯醇纤维掺量对高延性地聚合物混凝土早期抗裂和收缩性能影响

李 杉, 周 郑 州, 卢 亦 焱, 王 喆, 安 俊 澎

(武汉大学 土木建筑工程学院, 湖北 武汉 430072 )

0 引 言

混凝土是土木工程中应用最广泛的建筑材料之一．混凝土中普通波特兰水泥生产过程中会产生大量的CO2,对环境造成严重的污染．研发绿色环保的建筑材料非常重要．地聚合物混凝土是一种新型绿色建筑材料,一般由粉煤灰、矿渣等工业废弃物经过氢氧化钠溶液、水玻璃等碱性溶液激发制成．该材料具有优良的物理力学性能,早期强度高[1],抗化学侵蚀性能好[2],被认为是目前最有可能替代传统混凝土的建筑材料[3],近年来得到学术界、工程界和政府单位的广泛关注．地聚合物混凝土孔隙结构较为致密,介孔数量在总孔隙中占比大,导致其收缩性大[4-5]．地聚合物混凝土的收缩开裂会严重影响其使用寿命和耐久性能,甚至影响到结构的承载能力．

国内外学者初步开展了地聚合物混凝土的收缩性能研究．相关研究表明,增大碱性激发剂掺量或者增大碱性激发溶液浓度可以降低地聚合物混凝土的干燥收缩率[6-7]．活性粉末掺量的改变会对地聚合物混凝土的收缩造成较大影响,超细矿渣会增大地聚合物混凝土的干燥收缩[8];但是还有研究发现,地聚合物混凝土的收缩率会随着矿渣掺量的增大先减小后增大[9]．当地聚合物混凝土的失水率一定时,收缩率会随着骨胶比的增大而减小[10]．地聚合物混凝土的收缩也会受到养护条件的影响,高温养护会有效减小地聚合物混凝土的收缩[11]．

要将地聚合物混凝土应用于土木工程,期望这种材料刚柔并济,在地聚合物混凝土中掺入纤维是实现高延性的主要方法之一．同时,纤维的掺入可以减小地聚合物混凝土的早期收缩变形[12]．鉴于此,本文通过平板法试验[13]和长度法试验[14]研究PVA纤维掺量对地聚合物混凝土抗裂和收缩性能的影响,并建立相应的收缩预测模型．

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共设计了12组,共32个高延性地聚合物混凝土试件．其中,4组塑性收缩开裂试验(PC)试件,每组2个试件,试件尺寸为910 mm×600 mm×20 mm;4组干燥收缩试验(DS)试件和4组自生收缩试验(AS)试件,每组3个试件,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm．PVA纤维体积掺量分别考虑0%、1.5%、2.0%和2.5%．试件设计见表1,高延性地聚合物混凝土配合比详见表2．PVA纤维和碳纳米管材料参数分别见表3和表4．

表1 试件设计

试验采用的粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土、石英砂、水玻璃均来自河南省某公司．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/T 2461—2018)[15]对高延性地聚合物混凝土进行力学性能试验,28 d龄期的抗压强度、抗拉强度和延伸率等测试结果见表1．

表2 地聚合物混凝土配合比

表3 PVA纤维材料参数

表4 碳纳米管(CNTs)材料参数

1.2 试验方法

1.2.1 塑性收缩开裂试验 参照《水泥砂浆抗裂性能试验方法》(JC/T 951—2005)[13],对高延性地聚合物混凝土进行抗裂性能试验,试验装置如图1所示．试验在步入式恒温恒湿试验系统中进行,环境温度为20 ℃,相对湿度为60%．经过4 h灯光照射和24 h风速约为3.0 m/s的风吹后测量其裂缝宽度及裂缝长度．

图1 塑性收缩开裂试验装置图

1.2.2 干燥收缩试验 根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[14]中砂浆干燥收缩测试方法,对高延性地聚合物混凝土进行干燥收缩试验．试件浇筑完成后放入温度为20 ℃、相对湿度>95%的标准养护箱中养护;1 d后试件硬化,将其移入温度为20 ℃、相对湿度为60%的恒温恒湿干燥箱,预置4 h;随后将试件安装于立式收缩测试仪,如图2(a)所示,测量试件初始长度,之后测量1、2、3、7、14、28 d干燥龄期的试件变形．

1.2.3 自生收缩试验 试件浇筑完成后放入温度为20 ℃、相对湿度>95%的标准养护箱中养护;1 d后移入温度为20 ℃、相对湿度为60%的恒温恒湿干燥箱,预置4 h;然后采用聚乙烯塑料薄膜将试件完全包裹,阻止试件和外界环境的水分交换;最后将试件安装于立式收缩测试仪,如图2(b)所示,测量试件初始长度,之后测量1、2、3、7、14、28 d干燥龄期的试件变形．

(a) 干燥收缩

(b) 自生收缩

2 试验结果与讨论

2.1 塑性收缩开裂

平板法试验结束后,地聚合物混凝土开裂情况如图3所示,不同PVA纤维体积掺量的地聚合物混凝土塑性收缩裂缝参数见表5．由图3和表5可知,掺PVA纤维后地聚合物混凝土试件表面的裂缝总面积和裂缝最大宽度显著减小,PC2组地聚合物混凝土试件裂缝总面积和裂缝最大宽度比PC1组的分别减小了86.9%和91.8%．试件表面的裂缝总面积和裂缝最大宽度随着PVA纤维体积掺量的增大而减小,PC3组的地聚合物混凝土试件表面已经没有明显裂缝,地聚合物混凝土的塑性收缩开裂基本上得到了控制．

(a) PC1组

(b) PC2组

(c) PC3组

(d) PC4组

表5 地聚合物混凝土塑性收缩裂缝参数

随着PVA纤维体积掺量的增大,地聚合物混凝土试件上的裂缝数量、长度以及宽度都有减小的趋势,意味着PVA纤维增强了地聚合物混凝土抗塑性收缩开裂能力．主要原因可能是掺入地聚合物混凝土的PVA纤维乱向分布,承担了部分地聚合物混凝土内部的拉应力,增强了地聚合物混凝土的抗拉能力和韧性,因此减少了地聚合物混凝土表面裂缝的出现[16]．在一定范围内随着PVA纤维体积掺量的增大,地聚合物混凝土抗开裂性能更好．

2.2 干燥收缩

地聚合物混凝土干燥收缩率按下式计算：

(1)

式中：εd(t)为龄期为t时的试件干燥收缩率;L0为初始长度(试件成型后1 d的长度),mm;L为试件的长度,mm;Ld为收缩头埋入试件中的长度,mm;Lt为时间t时的试件长度,mm．

根据干燥收缩率公式(1),得到各组试件不同龄期的干燥收缩率,如图4所示．由图可见,地聚合物混凝土干燥收缩早期发展得很快,7 d龄期时,地聚合物混凝土干燥收缩率占28 d龄期干燥收缩率的90%以上;地聚合物混凝土干燥收缩后期几乎不发展,28 d龄期时干燥收缩基本稳定．

(a) 28 d收缩率

(b) 收缩曲线

龄期为28 d时,DS2、DS3和DS4组试件的干燥收缩率相对于DS1组分别减小了18.63%、26.58%和21.46%．掺PVA纤维的地聚合物混凝土试件的干燥收缩率相对于没掺PVA纤维的试件显著减小,说明PVA纤维可以有效抑制地聚合物混凝土的干燥收缩．随着PVA纤维体积掺量的增大,地聚合物混凝土的收缩率逐渐减小,PVA纤维的抑制效果更加显著．可能是因为PVA纤维在地聚合物混凝土中乱向分布,一方面可以桥接地聚合物混凝土的内部裂缝[17-19],延缓裂缝的产生和发展,另一方面可以承受部分内应力,降低基体的有效应力[20],以此减小地聚合物混凝土的干燥收缩率．但当PVA纤维体积掺量超过2.0%时,PVA纤维体积掺量的提高会增大地聚合物混凝土的干燥收缩率．原因可能是PVA纤维体积掺量过大,会导致在地聚合物混凝土内部发生团聚现象,降低了PVA纤维对收缩的抑制作用．

2.3 自生收缩

不同龄期各组试件的自生收缩曲线如图5所示．由图可以看出,地聚合物混凝土自生收缩早期发展得很快,到7 d龄期时,地聚合物混凝土自生收缩率占28 d龄期自生收缩率的60%左右,地聚合物混凝土自生收缩后期发展速度变缓．龄期为28 d时,AS2、AS3和AS4组试件的自生收缩率相对于AS1组分别减小了31.91%、39.36%和36.17%．这表明在地聚合物混凝土中掺入PVA纤维会对自生收缩有显著的抑制效果,其原因主要是PVA纤维在地聚合物混凝土中随机分布,桥接裂缝,传递拉应力,以此约束地聚合物混凝土的自生收缩变形,减小地聚合物混凝土的自生收缩率．但PVA纤维掺量过大,会导致在地聚合物混凝土内部发生团聚现象,纤维分布不均匀,对收缩的抑制作用减弱．

(a) 28 d收缩率

(b) 收缩曲线

2.4 微观形貌分析

掺PVA纤维的地聚合物混凝土28 d试样SEM图如图6所示．由图可以看出,PVA纤维上有残留的水化产物,说明其与地聚合物混凝土基体之间有很好的黏结．PVA纤维锚固在地聚合物混凝土基体中,拔出时会受到一定的黏结阻力,这会增加地聚合物混凝土抵抗开裂和收缩变形的能力．地聚合物混凝土的微裂缝之间有PVA纤维起桥接作用,可以承担基体内部的拉力,延缓微裂缝的发展,提高地聚合物混凝土的抗开裂和抗收缩性能．

(a) 桥接裂缝

(b) PVA纤维分布

3 地聚合物混凝土收缩预测模型研究

3.1 收缩预测模型

目前,混凝土收缩预测模型一般根据试验中实际测量的数据回归分析得到．参考欧洲混凝土结构设计标准BS EN收缩模型[21],考虑纤维体积掺量的影响,将纤维体积掺量引入收缩预测模型,并根据高延性地聚合物混凝土收缩试验结果,建立地聚合物混凝土干燥收缩预测模型和自生收缩预测模型．干燥收缩表达式见式(2)～(4),自生收缩表达式见式(5)～(7)．

εd(t)=εd∞βd(t)

(2)

εd∞=1.39(1-0.227α+0.056α2)

(3)

βd(t)=1-exp(-0.686(t-t0)1.027)

(4)

式中：εd∞为试件最终的干燥收缩率;βd(t)为干燥收缩率随龄期变化的函数;α为纤维体积掺量,%;t0为收缩测试开始时的龄期,d．

εa(t)=εa∞βa(t)

(5)

εa∞=1.01(1-0.381α+0.084α2)

(6)

βa(t)=1-exp(-0.139(t-t0)1.023)

(7)

式中：εa(t)为龄期为t时的试件自生收缩率;εa∞为试件最终的自生收缩率;βa(t)为自生收缩率随龄期变化的函数．

收缩预测模型预测值与试验值对比曲线如图7所示．可以看出,收缩预测模型预测值与试验值吻合较好,收缩预测模型在一定程度上可以反映地聚合物混凝土的早期收缩特性．

3.2 不同收缩预测模型比较

迄今为止,国内外许多学者已经结合试验数据和理论分析建立了混凝土收缩预测模型,选取合理的收缩预测模型尤其重要．现列举几种有代表性的收缩预测模型,并与本文收缩预测模型对比,据此来评估既有混凝土收缩预测模型和本文收缩预测模型对地聚合物混凝土的适用性．干燥收缩预测模型选取ACI模型[22]和GL2000模型[23],自生收缩预测模型选取Dilger模型[24]和CEB-FIP模型[25],这些都是权威的混凝土收缩预测模型,对普通混凝土有很高的适用性．

利用本文提出的基于BS EN的收缩预测模型预测地聚合物混凝土的最终收缩率,代替既有收缩预测模型中的普通混凝土最终收缩率．应用各收缩预测模型对地聚合物混凝土对照组的收缩率进行估算,并与实测值进行对比,对比曲线如图8所示．

(a) 干燥收缩

(b) 自生收缩

由图8(a)可知,ACI模型和GL2000模型低估了地聚合物混凝土的干燥收缩值和早期收缩速率,不适用于预测地聚合物混凝土的干燥收缩．由图8(b)可知,Dilger模型过高地估计了地聚合物混凝土早期的自生收缩速率,而CEB-FIP模型低估了地聚合物混凝土的自生收缩值和早期收缩速率．综上所述,既有的混凝土收缩预测模型一般不适用于地聚合物混凝土,原因是既有混凝土收缩预测模型的发展函数不符合地聚合物混凝土的收缩特征．地聚合物混凝土早期收缩发展快,且在总收缩中占比大,本文模型采用的指数型发展函数更加符合地聚合物混凝土的收缩发展趋势．

(a) 干燥收缩

(b) 自生收缩

4 结 论

(1)PVA纤维能够有效抑制地聚合物混凝土的塑性收缩开裂,随着PVA纤维体积掺量的提高,地聚合物混凝土塑性收缩裂缝面积减少．PVA纤维体积掺量为1.5%的地聚合物混凝土试件表面裂缝总面积比对照组减小了86.9%．

(2)地聚合物混凝土的干燥收缩主要在早期发展．随着PVA纤维体积掺量的增大,地聚合物混凝土的抗干燥收缩性能缓慢提高．但是PVA纤维体积掺量超过2.0%后,会在地聚合物混凝土内部团聚,对地聚合物混凝土干燥收缩的抑制作用会降低．当PVA纤维体积掺量为1.5%、2.0%和2.5%时,地聚合物混凝土28 d干燥收缩率相对于对照组分别减小了18.63%、26.58%和21.46%．

(3)地聚合物混凝土的自生收缩也主要集中在早期．随着PVA纤维体积掺量的增大,地聚合物混凝土的自生收缩率先减小然后增大．当PVA纤维体积掺量为1.5%、2.0%和2.5%时,地聚合物混凝土28 d自生收缩率相对于对照组分别减小了31.91%、39.36%和36.17%．

(4)本文建立的收缩预测模型预测值与实测值吻合良好,可在一定程度上反映地聚合物混凝土的早期收缩特性．