早强型高延性水泥基复合材料的性能研究

李伟

陕西省建筑材料工业设计研究院陕西西安710032

摘要：高延性水泥基复合材料（以下简称HDCC），又被称为工程水泥基材料（ECC），是一种具有多微裂缝、应变硬化特性的纤维增强水泥基复合材料，具有较好的抗裂性、韧性、抗冲击性等特征。HDCC材料因其优异的综合性能，得到国内外研究者和工程界的广泛关注，可应用于应力集中、应变较大的复杂建筑结构中，已在无伸缩缝桥面板的连接板、剪力墙、短柱抗震阻尼器等方面得到日益广泛的应用，特别是在桥梁箱梁或收缩缝、机场跑道、大坝与隧道等结构物的修复方面显示出良好的应用前景。本文就早强型高延性水泥基复合材料的性能展开探讨。

关键词：高延性水泥基复合材料；韧性；收缩

引言

混凝土结构在服役期间出现性能劣化、失效以致退出服役，大多与材料的脆性及开裂有关，传统水泥基复合材料抗拉强度低、抗裂性能差、脆性大，当温度变形与收缩变形受到约束时，很容易引起材料的开裂。裂缝的存在不仅降低了材料的承载能力，使材料在低于极限荷载的作用下发生破坏，而且为有害介质如水、Cl-、SO2-4提供了侵蚀的通道，从而使结构的耐久性大幅度降低。基于微观力学的性能驱动设计方法，考虑纤维特性、基体特性和纤维/基体界面特性及其之间的相互影响，通过对材料体系进行系统设计、调整和优化后设计得到的高延性水泥基复合材料（HDCC），是具有拉伸应变硬化特性和高延性的水泥基复合材料。

1实验部分

1.1实验原料

水泥为唐山某公司生产的A52.5快硬硫铝酸盐水泥，化学组成见表1；聚乙烯醇纤维性能见表2；细骨料为0.3mm洁净石英砂；硼砂来自上海某公司；辅助胶凝材料、减水剂、减缩剂（SRA）与膨胀剂（HME-IV、CaO）等其他助剂均为自行制备。

1.2HDCC搅拌工艺

试件制作流程为：①先将水泥、辅助胶凝材料、石英砂和功能性组分混合干拌2～3min至各颗粒组分间混合均匀；②然后将溶有减水剂的水加入，低速搅拌2～3min以获得均匀流动的浆体；③在低速搅拌的同时手工缓慢加入短切PVA纤维，纤维完全加入后，快速搅拌1～2min以确保纤维能够均匀分散在浆体中；④搅拌完成后分2层浇筑试件，成型完毕，用透明塑料薄膜覆盖试模表面以防水分蒸发。

1.3性能测试

凝结时间：依据GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中凝结时间测定方法测定浆体初终凝时间，由于纤维的存在会影响试针的下落，从而导致测试结果失真，因此，测试凝结时体系中未添加纤维。单轴拉伸测试：试验用试件为狗骨头型薄板（见图1），拉伸区为100mm×30mm×13mm，标准养护至24h，参照JSCE—SF4《日本土木学会标准》标准，利用万能力学试验机以0.5mm/min速率位移加载方式拉伸。劈裂抗拉采用150mm×150mm×150mm标准试块，依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相应内容进行测试。干燥收缩依据JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中收缩实验。冻融试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》中的快冻法进行测试。

2结果与讨论

2.1缓凝剂对凝结时间的影响

硫铝酸盐水泥混凝土由于具有快硬早强的特性，难以泵送，只能采用传统的现场配制方法，因此只在一些特定的冬期施工或抢修抢建工程中有所使用，限制了硫铝酸盐水泥的推广和应用。在添加高体积率纤维的HDCC中，其流动性更难以调控，为了保持其较长的施工时间，加入硼砂缓凝剂延长其凝结时间。常见的缓凝剂有葡萄糖酸钠、酒石酸、柠檬酸、硼酸、硼砂和三聚磷酸钠等。本文使用硼砂作为缓凝剂，在其他组分不变的前提下，随着缓凝剂用量的增加初凝时间逐渐显著增加，但终凝与初凝之间的时间差变化不大。当缓凝剂用量为0.3%时，初凝时间可以达到60min，具备了将HDCC进行砂浆喷射机喷射施工的可行性。

2.2HDCC的拉伸特性

用水灰比、减水剂、辅助胶凝材料掺量和纤维体积掺量四个因素三个水平设计正交试验。。依次制备9组试验配比的浆体，在实验室（20±5）℃静置24h后拆模，通过微机控制电液伺服万能试验机采用恒定加载速度测定其拉伸性能。分析不同实验配比极限应变与极限应力实验结果。九组配比极限拉应变均超过0.5%，但纤维掺量为1.25%的A1、A5和A9组极限应变平均值为0.72%，且未出现多缝开裂。纤维掺量为1.50%的A2、A6和A7组极限应变平均值为1.71%，纤维掺量为1.75%的A3、A4和A8组极限应变平均值为2.22%，并且六组配比均出现明显应变硬化效应。但基于工程中对于ECC的流变性要求，1.50%PVA为最佳纤维体积掺量。通过极差分析可知，随水灰比、辅助胶凝材料和减水剂增加，极限应变均无明显变化；纤维体积掺量对极限应变影响较大。各影响因素的顺序为：纤维掺量＞水灰比＞减水剂＞辅助胶凝材料，可得结论：纤维体积掺量是影响极限应变的关键因素，其他三因素均无明显作用。随水灰比和减水剂掺量增加，极限应力不断降低；纤维掺量对于极限应力的影响呈现上升规律；粉煤灰对于极限应力基本无影响。可得结论：纤维掺量为影响极限应力的关键因素，且为促进作用，减水剂和水灰比为次要因素，且会抑制极限应力的增加，粉煤灰为不相关因素。

2.3ECO－HDCC与传统HDCC成本分析

利用国产PVA纤维代替日产PVA纤维、普通河砂代替磨细石英砂和石灰石粉等量部分取代普通河砂的技术措施，通过配合比优化设计、原材料优选、配合比优选，并以水胶比、纤维体积掺量、普通河砂和粉煤灰掺量等为主控技术参数，制备了不同强度等级的ECO－HDCC，且四点弯曲试验和单轴拉伸试验下均表现出应变硬化、多缝开裂现象及应变硬化。此外，利用国产PVA纤维和普通河砂所制备的生态型高延性水泥基复合材料（ECO－HDCC）的生产成本仅为传统HDCC生产成本的1/3。本研究以ECO－HDCC（0．25－2．0+80－S+LS）和传统HDCC（M45）为例，对比ECO－HDCC和传统HDCC的生产成本，因为生产所用搅拌设备和所需搅拌的时间相差不大，仅对比二者所用原材料的成本（自来水仅6元m3，这里忽略不计）。

结语

缓凝剂有效延长了凝结时间，为后期的喷射施工提供了足够的开放时间。早强剂则提高了HDCC的抗折强度。HDCC材料在某桥梁箱梁侧壁补强修补中成功应用，取得了良好的抗裂与增韧效果，预计将有良好的工程效益与应用前景。

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