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超高韧性水泥基混凝土拉伸性能影响因素试验研究

2019-06-05李俊禧姜海波

广东建材 2019年5期
关键词:水胶单轴减水剂

肖 杰 叶 明 李俊禧 姜海波

(广东工业大学 土木与交通工程学院)

1 引言

为了解决混凝土脆性这一个致命的缺陷,许多的专家与学者开始了增强混凝土韧性的实验研究。经过大量研究,一种超高韧性水泥基混凝土(E ngineer ed C ement it ious C omposit e,简称ECC)得以发展与完善,这种混凝土有望有效解决了混凝土脆性破坏这一难题,因此该混凝土在工程中具有良好应用前景。

ECC 是由密歇根大学V ict or. C. Li 教授等人在1992 年发明的短纤维增强水泥基复合材料,通过细观力学和断裂力学原理,以体积不超过2%纤维制成薄板构件并做直接拉伸试验,通过试验获得的极限拉伸应变能够达到3%以上,并且在拉伸过程形成许多小于100μm 的细小裂纹[1],是一种高韧性,高延展性和具有多缝开裂特性的纤维增强水泥基复合材料。Ranade 等[2]在宏观尺度上将M45-ECC 和HF A-ECC 两种高延性水泥基混凝土的裂缝特征进行了对比,结果表示,M45-ECC的裂缝宽而少,而HF A-ECC 裂缝的细而多,同时得出裂缝概率密度函数可以用对数正态分布很好的描述。Kamil e 等[3]使用荧光显微镜和先进的数字图像分析了两种不同的ECC 在基质流动性方面的纤维分布对ECC的拉伸延性的作用,得出第一条裂缝开裂强度与最大裂缝尺寸的平方根成反比。Yang 等[4]研究了拉伸应变速率对P VA-ECC 拉伸性能的影响,建立了高负荷下材料微观结构与拉伸应变硬化的动态微观力学模型,研究发现在聚乙烯醇纤维增强ECC 体系中纤维刚度、纤维强度、基体韧性和纤维界面化学键强度对加载速率敏感,并且它们随着加载速率增加而增大。P ang 等[5]研究了粉煤灰含量和砂含量对P VA-ECC 性能的影响,得出随着粉煤灰掺量的增加和砂含量的减少,P VA-ECC 的拉伸应变增加。张菊等[6]研究了氯盐环境对P VA-ECC 质量损失率、相对动弹性模量和抗冻性的影响,得出了氯盐环境中P VA-ECC 试件的质量损失率增大,相对动弹性模量明显下降,抗冻性显著下降,表明氯盐环境对P VA-ECC 的性能有重大影响。除此之外,各位学者专家对ECC 的研究涉及各各方面,一些学者研究化学外加剂[7-10]的对其韧性的影响,一些研究P VA 纤维掺量[11-14]、水胶比[9-10,15]、砂[12-13]与粉煤灰等矿物掺合料的种类和掺量[10,12,15]等对ECC 变形能力的影响,还有一些学者研究ECC 的临近裂缝宽度[17]等。

尽管ECC 的配制方法已多有报道[18-22],但影响ECC拉伸性能的因素众多,因此系统地整理这些影响因素尤为重要。本文以纤维掺量、水胶比、骨料粒径、减水剂品牌、粉煤灰掺量等为变量,配制出了拉伸应变稳定在3%以上的ECC,此处在骨料粒径上本人采用了粗砂(粒径过3mm 的方孔筛子),同时还研究了不同的减水剂品牌对ECC 拉伸性能的影响,这与以往学者的研究稍有不同,这一研究结果又为P VA-ECC 这一新型材料的理论体系作了补充。

2 试验

2.1 原材料

试验水泥采用石井牌P·O42.5R 级普通硅酸盐水泥;粉煤灰选用Ⅰ级高钙粉煤灰;纤维选用日本Kur ar a y 公司生产的K-Ⅱ可乐纶纤维,参数如表1 所示;细骨料采用两种不同的材料,细骨料A 采用粒径为100目和200 目的广西生产的石英砂按50%混搭;细骨料B采用粒径过3mm 孔径筛子的精细砂;减水剂采用两种不同减水率的材料进行对比,减水剂A 采用江门生产的聚羧酸类高效减水剂,减水率为20%;减水剂B 采用西卡生产的高效减水剂,减水率为40%。

表1 PVA 纤维的基本特性

2.2 配合比设计

试验中水胶比为0.22 和0.24;粉煤灰掺量为80%、70%;试件纤维体积掺量为0%、1%、1.5%、2%、2.5%;砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂;A 与B 两种减水剂品牌。共设计了9 组配合比,每组3 个构件。配合比如表2 所示。

2.3 试件制作工艺

P VA 纤维水泥基复合材料除了配合比影响其工作性能外,各种材料的添加顺序、添加后的搅拌时间也会对其产生影响,经过重复试验,对P VA 纤维水泥基复合材料采用以下试件制备成型方法:

首先按配合比质量将粉状材料(包括水泥、粉煤灰和石英砂)称好、倒入JJ-5 型搅拌机混合搅拌2min 其次,将已称好的减水剂加入水中,搅拌均匀后全部倒搅拌桶内,先低速搅拌4min,接着高速搅拌2min,此时拌合材料呈糊状,且具有良好的流动性。最后,缓慢均匀地P VA 纤维,待人工将纤维全部加入到搅拌桶后,先低速搅拌2min,接着高速搅拌1min。若拌合物呈现出良好的粘聚性,且无结团与泌水现象,则搅拌过程完成。

试件尺寸为330mm×600mm×15mm 哑铃型试件,如图1 所示。试件浇筑完成后用塑料薄膜覆盖并置于室内,试件初凝后将其表面进行抹平,所有试件24h 拆模后薄膜养护,养护温度为(23±2)℃,养护时间为28d。

图1 哑铃型钢模板

2.4 试验加载与测试

试件两端采用铝板进行粘贴加固,铝板与试件之间采用502 胶水进行粘结。固定完毕后在微电控制电液伺服万能试验机W A W-300 型(如图2)中进行直接拉伸试验,试验数据由D H3819 静态数据测试系统进行采集,荷载由10k N 外置拉压传感器采集,加载速率采用位移控制,整个试验过程中保持加载速率为0.5mm/min。试件加载前,使用铝质位移计固定装置将位移计安装于标距长度为90mm 的试件两侧,试验加载装置如图3 所示。试验变形值取两侧位移计测量值的平均值,应力值和应变值取试件实际尺寸进行计算。

图2 电液伺服万能试验机

图3 试验加载图

表2 配合比

3 试验结果分析

3.1 试件应力应变曲线

图4 给出了9 组试件的应力应变曲线图。

3.2 纤维体积掺量对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

为了研究纤维掺量,对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响,本试验共五种不同的纤维掺量,即0%、1%、1.5%、2%、2.5%。

根据应力应变曲线可以看出,在水胶比、减水剂及粉煤灰都相同的情况下,纤维的加入使P VA-ECC 的拉伸性能逐渐提高,在纤维掺量为2%时,其拉伸性能表现最为优越和稳定,表现出较高的拉伸应变。而当纤维的量大于2%时,纤维就会出现结团现象,纤维掺量为2.5%的应力应变曲线就可以看出,纤维的加入过多,不仅抗拉强度下降,应变硬化现象也很不明显。从经济效果以及搅拌工艺上考虑,2%的纤维掺量明显优于2.5%的纤维掺量,而且2%纤维掺量的ECC 的细密裂缝条数明显多而密,可以使纤维的利用率最大化。

3.3 水胶比对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

图4 应力应变曲线图

为了研究水胶比对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响,本试验共设计了两种不同的水胶比,即0.22 和0.24。

如图4,由应力应变曲线图可知,纤维掺量在2.5%的情况下,水胶比从0.22 增大到0.24,从流动性讲和拉伸效果讲,都有一定的提高,但由于纤维掺量过多,使得该混凝土有结团的现象。由于纤维结团会造成混凝土试件的不密实,所以不利于试件开裂强度的提高及多条细密裂缝的形成。不过适当地提高水胶比可以使混凝土流动性提高,从而提高该试件的密实度,对于配制自密实ECC 大有好处。

3.4 砂的粒径对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

为了研究砂的粒径对P VA-ECC 单轴拉伸性能的影响,本试验共设计了两种不同的砂的粒径,即砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂。由图4 可知,砂的粒径越大,不利于曲线的振荡段的形成,即难以出现应变硬化现象。因此,砂子粒径的大小对于配制高韧性混凝土尤为重要,而对于ECC 的配制,砂子粒径至少控制在3mm 以下。

3.5 A 与B 两种减水剂品牌对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

本次实验对比了纤维体积掺量在2.5%的情况下,不同的减水剂品牌对其拉伸性能的影响。如图,由于减水剂会影响混凝土的流动性,从而影响P VA-ECC 单轴拉伸性能。而减水剂B 由于减水率高,可以大大提高混凝土流动性,且不出现严重的泌水现象,因此配出来的试件不仅拉伸性能高,而且具有明显的多裂缝开裂现象,应变硬化现象比减水剂A 所配出来的试件更明显。

3.6 粉煤灰对PVA- ECC 单轴拉伸性能的影响

在粉煤灰为80%的应力应变曲线中,由于粉煤灰掺量的增加,颗粒与颗粒之间的相对滑动增加,从而使混凝土的流动性增加,可以最大限度地使纤维分散均匀,因此裂缝条数多而密。在粉煤灰为70%和80%的应力应变曲线中,由于水胶比低,粉煤灰的减少,不利于混凝土和易性,但一般来说,可以增大了混凝土的初裂强度。对比这两种应力应变曲线中,由于纤维的量为2%,流动性好,因此拉出来的应变硬化结果都很明显,极限抗拉应变都超过3%。总的来说,80%的粉煤灰掺量下,应变硬化效果更明显一点。

4 结论

本文通过单轴拉伸试验,研究了P VA 纤维掺量、水胶比、细骨料粒径、减水剂品牌、粉煤灰掺量对P VA-ECC单轴拉伸性能的影响,研究结果表明:

⑴随着纤维掺量的增加,P VA-ECC 的拉伸性能逐渐提高,在纤维掺量为2%时,其拉伸性能表现最为优越和稳定,表现出较高的拉伸应变。

⑵水胶比0.22 的情况下,粉煤灰掺量为80%的P VA-ECC 试件表现出高强度和高延性,且表现出多缝开裂特征,具有优异的裂缝控制能力。

⑶砂的粒径为过3mm 孔径筛子的精细砂和石英砂,砂的粒径越大,可以提高初裂强度,但不利于多裂缝的出现,极限拉应变也大大降低。

⑷B 品牌减水剂由于减水率高,可以大大提高混凝土流动性,且不出现严重的泌水现象,因此配出来的试件不仅拉伸性能高,而且具有明显的多裂缝开裂现象,应变硬化现象比减水剂A 所配出来的试件更明显。

⑸由于粉煤灰掺量的增加,颗粒与颗粒之间的相对滑动增加,从而使混凝土的流动性增加,可以最大限度地使纤维分散均匀,因此粉煤灰80%的掺量比70%的拉伸性能好,裂缝条数多而密。●

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