PVA-FRCC收缩性能试验研究

2021-01-08王玉清刘曙光

建筑材料学报 2020年6期

王玉清，刘潇，刘曙光

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051)

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-FRCC)是在水泥基材料(无粗骨料)中加入PVA纤维形成的复合材料，具有良好的抗裂、抗渗、抗冲击韧性及耐久性，近年来受到工程界人士的关注并在土木工程领域中得到应用[1-3],1).

由于水泥基材料的物质组成与硬化过程的特殊性，使其成为一种典型的多孔介质材料，孔型及孔径尺寸各异，孔隙分布错综复杂，当材料配比、养护环境等因素发生变化时，会引起材料孔隙分布与孔结构的变化，而孔隙的变化会影响到材料的各项性能，其中便包括收缩性能.水泥基材料的收缩性能对于结构构件的抗裂度验算、变形计算、预应力损失计算及非线性有限元分析等具有重要作用.目前关于水泥基材料收缩性能的研究中，对混凝土收缩的研究较为成熟，有关混凝土材料收缩性能的内外影响因素及收缩计算模型的建立等方面都取得了较多成果.其中，内部因素的研究包括水泥种类[4-5]、掺和料种类及掺量[4,6]、配合比[4]、外加剂种类及掺量[4,7],1)；外部影响因素的研究包括环境温湿度[8-10]、养护条件[4,11]、龄期[12]、试件尺寸及形状[13]、碳化作用[13]；收缩计算模型方面主要建立了ACI 209R-92系列模型[14]、CEB-FIP系列模型[15]、GL2000模型[16]和B3模型[17]等几类.在纤维增强水泥基复合材料收缩性能方面，目前对于钢纤维[18-22]、聚丙烯纤维[23]、混杂纤维[20,24-26]及其他纤维水泥基复合材料[27]的收缩性能研究结果表明，适当掺入上述纤维可不同程度地减小基材的收缩值；在PVA纤维水泥基复合材料收缩性能的研究中，有部分学者[25,28-32]也得出了PVA纤维的加入可以减小基材收缩、提高基材抗裂度的结论.在对PVA-FRCC收缩性能的研究中，每位研究者从各自角度对某个或少数几个影响因素进行了研究，未能全面考虑多种因素对材料收缩性能的影响，因而无法为PVA-FRCC材料的性能优化及多因素影响下收缩估算模型的建立提供较全面的基础研究数据.

1)关英俊.混凝土自生体积变形试验研究[C]//水利水电科学研究院科学研究论文集.北京：水利电力出版社,1981.

基于此，本文对多因素影响下PVA-FRCC的收缩性能展开试验研究，并力求提出PVA-FRCC的收缩估算模型，为PVA-FRCC的性能优化及结构构件设计分析理论的完善奠定基础，促进PVA-FRCC的工程应用.

1 试验概况

1.1 试验设计

本试验共设计10组PVA-FRCC试件，由于无粗骨料，试件尺寸参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[33]，采用40mm×40mm×160mm的棱柱体试件，每组3个试件，结果取平均值.本试验针对PVA纤维体积分数φPVA、水胶比mW/mB、砂胶比mS/mB、环境相对湿度RH这几种影响因素进行设计，试验工况及材料配合比见表1.

表1 收缩试验配合比及工况

水泥采用呼和浩特市冀东水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用鄂尔多斯达茂旗煤电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；硅灰采用包头明商环保科技有限公司生产的优质硅灰；细骨料采用包头固阳县生产的粒径范围为75～109μm精选优质石英精粉；纤维采用日本Kuraray公司生产的REC15型PVA纤维，其参数见表2；减水剂采用改性聚羧酸高效减水剂Sika Visco Crete 3301E；消泡剂采用水泥砂浆体系高效消泡剂；增稠剂主要成分为羟丙甲基纤维素.减水剂、消泡剂、增稠剂掺量分别为胶凝材料质量的1.00%、0.20%和0.03%.

表2 PVA纤维性能

1.2 数据采集

所有试件均在室温环境下养护48h后拆模，然后将试件分别放入干缩养护室(DC)环境和自然养护(NC)环境下进行收缩试验，分别在龄期为1、3、5、7、14、28、56、90、140、180、270和360d时测试各试件的收缩应变.其中干缩养护室温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%；自然养护环境温度为(20±5)℃，相对湿度为(30±10)%.

收缩测量设备采用绍兴市拓展仪器设备有限公司生产的SP-175型立式砂浆收缩仪.千分表采用德清盛泰芯电子科技有限公司生产的数显千分表，测量精度0.001mm.

2 收缩性能分析

由于材料收缩受到众多因素的影响，故收缩有多种类型，如干燥收缩、化学收缩及碳化收缩等，本文所述收缩应变为收缩试验过程中材料所发生的总收缩应变.

图1为本试验各工况下PVA-FRCC的收缩应变-时间曲线.由图1可见，PVA-FRCC收缩的发展大致经历3个阶段：第1阶段，各组试件的收缩应变相差较小，曲线几乎重合，曲线斜率较大，且近似呈线性增长，说明PVA-FRCC的初期收缩增长迅速，故此阶段称为收缩快速增长阶段；第2阶段，随着时间的增长，各工况的曲线逐渐分离，且收缩应变增长速率开始下降，收缩应变曲线逐渐偏向横轴，此阶段称为收缩第2发展阶段；第3阶段，此时收缩应变增长趋于平缓，收缩应变曲线开始收敛，曲线斜率大大降低，逐渐趋于水平，故此阶段称为收缩收敛阶段.总结收缩应变随时间的变化特征，可将之概况为：前期快，后期慢，约180d时收缩基本完成.

图1 不同条件下PVA-FRCC收缩应变-时间变化曲线Fig.1 Shrinkage strain-time curves of PVA-FRCC under different conditions

2.1 环境相对湿度的影响

本试验中，试件分别放置于干缩养护室(DC)环境和自然养护(NC)环境中.图1显示在整个收缩过程中，相对于干缩养护室环境，自然养护环境下的材料收缩应变较大，360d时自然养护环境下的各组试件收缩应变是干缩养护室环境下的 1.25 倍左右.这是因为水泥基材料会在水泥硬化过程中产生大量毛细孔道，当水分蒸发后，毛细管束中产生的毛细管张力将对毛细管壁产生紧缩的压应力，从而引起基材的收缩变形.自然养护环境下试件所处的环境介质相对湿度较低，而相对湿度越低，水泥石中较细的孔隙水越容易蒸发，致使孔隙水形成的弯液面不再稳定，存在于C-S-H胶凝内层区的层间水随着相对湿度的降低而产生较大的能量梯度，从而使得层间水向外迁移，进而引起收缩[34-35].

由图1还可发现：在相对湿度较大的干缩养护室环境下，收缩应变曲线中第1阶段末到第3阶段开始，以及第2阶段中的曲线斜率逐渐减小，变化梯度较小；在相对湿度较小的自然养护环境下，收缩应变曲线中第1阶段末到第3阶段起点的曲线斜率变化梯度较大，曲线斜率的减小较剧烈，而第2阶段变化不明显.说明在干缩养护室环境下，PVA-FRCC在中期产生的收缩占总收缩的比例大于自然养护环境下的相应比例，随着相对湿度的提高其收缩趋势有所缓和.这是由于在相对湿度较大的干缩养护室环境中，水泥水化作用可以在较长时间内进行，且一直到收缩中后期仍然有较多的水化反应进行.

2.2 不同养护环境下PVA纤维体积分数的影响

由图1(a)可见，在360d时，干缩养护室环境下不掺纤维试件的收缩应变是纤维体积分数为 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%试件的 1.01、1.02、1.03和1.03 倍，而自然养护环境下上述各值分别为 1.03、1.04、1.06和1.10 倍.说明PVA纤维的掺入降低了基材的收缩应变，且纤维体积分数越高，材料的收缩应变越小.这是因为分散在基材中的PVA纤维表面会吸附大量水分，形成一层水膜，当材料内部相对湿度降低时，纤维通过释放自身吸收的水分来延缓材料内部相对湿度的下降，起到内养护作用，从而降低材料的收缩值[36]；同时，纤维分散在基材中，阻碍了水泥浆在结硬过程中的回缩，其作用与钢筋、钢纤维等抑制混凝土收缩的作用类似，故加入PVA纤维后，基材的收缩减小.但总体来说，纤维体积分数不同试件的收缩应变相差较小，说明纤维对基材收缩的影响非常有限.

同时，在干缩养护室环境下，各类工况的收缩应变曲线比较靠近；在自然养护环境下，从第2阶段开始一直到第3阶段，收缩应变曲线出现了较明显的分离，说明相对于干缩养护室环境，自然养护环境下纤维对减小基材收缩的作用更大.这是因为在干缩养护室环境中，环境相对湿度较大，水泥石收缩较小，纤维对收缩的阻碍作用体现得不明显；反之，在自然养护环境中，环境相对湿度较小，水泥石收缩较大，纤维对收缩的阻碍作用便体现得较明显.

2.3 不同养护环境下水胶比的影响

由图1(b)、(c)可以看出，在不同环境下，砂胶比分别为0.8、1.1时，在本次试验的水胶比变化范围内，PVA-FRCC的收缩应变均随水胶比的增大而增大，此特征与混凝土材料的收缩特性相似.这是因为随着水胶比的增加，用于水泥水化的水增加，这将导致其化学收缩增加，同时使得水泥浆中毛细管连通性提高，而毛细孔连通性越好，水分越容易迁移，水泥浆失水越严重，收缩越大.另外，在毛细管失水的同时，有时还会伴随着吸附水甚至层间水的散失，使得水泥浆的收缩进一步增加.

比较图1(d)、(e)、(f)可见，在同一环境下，水胶比不同的3组曲线只有收缩应变绝对值的不同，而其形态及每组曲线的相对关系基本无变化；比较图1(b)、(c)可见，砂胶比不同的2组曲线也存在同样性质.由此可见，水胶比和砂胶比在对PVA-FRCC收缩性能的影响中，二者耦合效应较小.

2.4 不同养护环境下砂胶比的影响

由图1(d)、(e)、(f)可见，不同环境下，水胶比分别为0.55、0.50、0.45时，在本次试验的砂胶比变化范围内，PVA-FRCC的收缩应变均随砂胶比的增大而减小.原因是随着砂胶比的提高，骨料含量增多，而骨料本身在整个收缩过程中基本不产生变形，同时充斥于水泥浆中的骨料会对水泥浆的收缩产生阻碍作用，减小基材的收缩应变.

3 PVA-FRCC材料收缩应变的估算

目前对混凝土材料收缩计算模型的研究已经较为成熟，国际上常用的有ACI 209R-92模型[14]、CEB-FIP90模型[15]、GL2000模型[16]、B3模型[17]等几种.中国的TB 10002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》[37]和JTG 023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[38]采用了CRB-FIP78模型，JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[39]采用了CRB-FIP90模型；GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[40]采用了欧洲的EN1992-2收缩模型.对于纤维增强水泥基复合材料的收缩计算，文献[41]提出了一种预测聚丙烯纤维水泥基复合材料塑性收缩开裂的模型；文献[29]基于混凝土收缩计算模型的双曲线函数对试验数据进行拟合，得到了超高韧性水泥基复合材料干缩与龄期的函数关系式，但此模型不能清晰地反映每个影响因素对材料收缩的影响；文献[22]基于收缩机理，通过系统推导，给出了反映基体和纤维性能以及纤维取向特性影响的自由收缩表达式，但未反映水胶比、砂胶比、环境温湿度等对收缩值的影响.因此本文拟通过试验研究，在考虑多种影响因素的基础上，总结PVA-FRCC的收缩发展规律，对现有混凝土收缩计算模型进行修正与改进，从而得到符合PVA-FRCC的收缩估算模型.

ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000这3种模型在计算混凝土收缩时，都采用了混凝土收缩应变随时间发展系数再乘以各影响因素对收缩的影响系数两部分组成.本文在建立PVA-FRCC收缩估算模型时，参考以上计算方法，拟采取如下路线进行研究：先排除其他各因素对收缩的影响，只考虑时间对收缩的影响，得出收缩随时间发展系数βs(t-ts)；然后考虑各相关因素的影响，乘以各相关因素对收缩的影响系数，最终得到各工况下PVA-FRCC的收缩估算模型.

式(1)由上到下依次表示ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000模型的收缩应变随时间发展系数βs(t-ts)：

(1)

式中：t为测试龄期,d；ts为试件的养护龄期,d；b为常数，湿养护时b=35，蒸汽养护时b=55；h0为试件名义厚度，mm；V/S为试件的体表比,mm.

由式(1)可作出3种模型的收缩应变随时间发展系数曲线，如图2所示.由图2可见：CEB-FIP90和GL2000模型的收缩应变随时间发展系数曲线几乎重合，且其发展趋势与本文研究的PVA-FRCC收缩应变发展趋势较为吻合，基本呈现出早期发展迅速、中期曲线增长、后期趋于收敛的发展趋势；而ACI 209R-92模型曲线早期发展趋势较缓，与本文试验所得结论相差较大，故不予参考.

图2 3种模型的收缩应变随时间发展系数Fig.2 Shrinkage strain with time coefficients of three models

本文借鉴CEB-FIP90 和GL2000模型的函数形式，同时排除其他因素，只考虑时间因素对收缩应变的影响，对试验数据进行分析，建立了适用于PVA-FRCC收缩应变随时间发展系数的计算式:

(2)

排除其他影响因素，仅分析本文10组PVA-FRCC试件的收缩应变随测试龄期变化的试验数据，并与式(2)计算结果进行对比，所得结果见图3.观察发现，由式(2)得到的曲线与试验数据吻合度较高.

PVA-FRCC不含粗骨料，其名义极限收缩应变εu要大于混凝土材料.分析图1可以发现，各组试件的360d收缩应变均在3000μm/m左右.综合考虑环境条件及收缩龄期等因素，本文建议PVA-FRCC的名义极限收缩应变εu取为3200μm/m；同时考虑纤维体积分数、水胶比、砂胶比、环境相对湿度等因素，建立PVA-FRCC收缩估算模型，见式(3)：

(3)

图3 不同环境下试验数据与收缩应变随时间发展系数对比Fig.3 Comparison of experimental data and shrinkage strain with time coefficients under different environments

式中：ε(t,ts)为从养护结束到龄期t时发生的收缩应变；γs h为收缩修正系数，γs h=k1·k2·k3·k4，其中k1为纤维掺量修正系数，k1=1.08-0.06φPVA，k2为水胶比修正系数，k2=0.45+mW/mB，k3为砂胶比修正系数，k3=1.51-0.63mS/mB，k4为周围环境湿度修正系数，k4=1.4-0.007RH.

按式(3)计算所得的收缩应变计算值与试验值的比值见表3.由表3可见，除个别点外，其余计算值与试验值的吻合度均较高.经对比，建立的PVA-FRCC收缩估算公式计算值与试验值的比值均值为1.25，方差为0.50，误差满足工程精度要求.