SAP對高性能工程水泥基復合材料性能的影響

姜愛國,楊維斌,2,蔡 杰

(1.煙建集團有限公司,煙臺 264000;2.煙臺大學土木工程學院,煙臺 264000)

0 引 言

高性能工程水泥基復合材料(high performance engineered cementitious composites, HP-ECC)是一種抗壓強度大于80 MPa,拉伸延伸率大于3%,并且具有多縫開裂特性的短切纖維增強水泥基復合材料[1]。這種優良的水泥基材料能夠滿足我國快速城市化進程中建筑工程結構逐漸向大跨度和超高層等方向發展的要求。

在HP-ECC的設計中,通常用細硅砂代替粗骨料,降低砂與膠凝材料的比例可獲得更低的基體斷裂韌度,從而提高HP-ECC的拉伸延伸率[2-3]。使用低水膠比和超細礦物摻合料還可以確保HP-ECC的強度[4]。膠凝材料在水化過程中會消耗一部分水,導致基體內部相對濕度急劇下降,這會加強孔隙內部的毛細管張力,并導致材料早期自收縮增加[5]。此外,由于后期的水化反應和蒸發作用,基體內部的水分進一步耗散,也會導致基體發生干燥收縮[6]。上述因素導致的HP-ECC內部收縮量遠大于普通混凝土收縮量,這可能會導致結構開裂,進而降低結構的使用安全性。因此,收縮問題成為了阻礙HP-ECC廣泛應用的瓶頸。

超吸水性聚合物(superabsorbent polymer, SAP)作為一種具有親水網絡的新型功能聚合物材料,可以吸收大量的水[7]。在早期水化過程中,當相對濕度急劇下降時,SAP逐漸將水釋放到硬化的基體中,補充水化反應引起的水分消耗,從而降低毛細管壓力,緩解收縮效應[8]。因此,SAP通常被視為一種內部養護外加劑,用于緩解混凝土收縮[9]。Yao等[10]研究表明加入SAP顆?？梢悦黠@提高ECC的拉伸應變能力和韌性,由于SAP顆粒具有吸水性,在基體中引入SAP可有效降低ECC試件的干燥收縮和約束收縮。Khan等[11]研究了養護溫度和SAP含量對ECC應變硬化性能的影響,發現SAP的質量分數為0.6%時可抵消溫度對ECC性能的負面影響。Zhang等[12]發現SAP的應用降低了ECC的抗壓強度和極限抗拉強度,但使其應變能力提高了56.0%～81.3%,同時,ECC表現出較低的自收縮和干燥收縮。

本文以SAP作為內部養護外加劑,對SAP采用質量分數計算,研究了SAP摻量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)對HP-ECC抗壓強度、拉伸性能、干燥收縮和自收縮的影響,并采用掃描電子顯微鏡分析了纖維在基體中拔出后的表面形貌。

1 實 驗

1.1 原材料

膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥P·Ⅱ 52.5(portland cement, PC),輔助膠凝材料采用硅灰(silica fume, SF)和S95級?；郀t礦渣(granulated blast furnace slag, GGBS),其化學組成如表1所示。集料采用石英砂(silica sand, SS),其最大粒徑小于300 μm,平均粒徑為135 μm,表觀密度為2 850 kg/m3。纖維采用超高分子量PE纖維,長度12 mm,彈性模量100 GPa,拉伸強度3 000 MPa,SEM照片如圖1所示。SAP為交聯聚丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物,其吸水能力約為260 g/g,SEM照片如圖2所示,最大粒徑為200 μm,平均粒徑為 95 μm。采用聚羧酸系高效減水劑(superplasticizer, SP),固含量大于20%,減水率為30%。拌合水(water, W)為自來水。

圖1 PE纖維的SEM照片Fig.1 SEM image of PE fiber

圖2 SAP的SEM照片Fig.2 SEM image of SAP

表1 膠凝材料的化學組成Table 1 Chemical composition of cementitious materials

1.2 配合比及制備方法

HP-ECC的原材料配合比如表2所示,所有HP-ECC的原材料在標準混合器中混合。首先將配合比中干燥的SAP進行飽水處理,備用。將所有固體成分,包括PC、SF、GGBS和SS,干燥混合攪拌約2 min。然后將W、SP、SAP添加到干燥混合物中,攪拌3 min,得到砂漿。再將PE纖維緩慢添加到砂漿中并混合攪拌,直到所有纖維均勻分布,得到混合物。最后將混合物澆鑄到模具中,24 h后脫模。脫模后,所有試樣在標準養護室中養護28 d,養護溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(90±5)%。

1.3 測試方法

抗壓強度和抗折強度根據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)進行測試,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。拉伸性能根據《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》(JCT2461—2018)進行測試,試樣尺寸如圖3所示。自收縮和干燥收縮根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行測試。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察HP-ECC拉伸后的纖維表面微觀形貌。

圖3 拉伸性能測試試樣的尺寸Fig.3 Specimen size of tensile performance test

2 結果與討論

2.1 抗壓強度和抗折強度

圖4為不同摻量的SAP對HP-ECC抗壓強度和抗折強度的影響。結果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的抗壓強度和抗折強度逐漸降低,這意味著SAP對HP-ECC的抗壓強度和抗折強度具有負面影響,尤其是在養護3 d時。當使用更高摻量的SAP時,抗壓強度和抗折強度損失更加明顯。隨著SAP摻量從0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d時的抗壓強度分別降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折強度分別降低了33.9%、20.8%和17.1%?？箟簭姸冉档偷脑蛑饕cSAP吸收的水釋放到基質后形成的空隙有關。值得注意的是,摻入更多的SAP也會導致基體的孔隙率升高,從而降低抗壓強度和抗折強度。但是,在HP-ECC的后期階段可以觀察到SAP輕微的強度補償效應。相比于S-0試樣,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣從28 d到90 d的抗壓強度分別提高了34.9%、23.3%和11.6%。這主要歸因于SAP的水解效應促進了HP-ECC中無水水泥顆粒的進一步水化反應,以及硅灰和礦渣的二次水化反應,進而增強了基體的C-S-H凝膠含量,改善了界面過渡區[13]。

圖4 SAP對HP-ECC抗壓強度和抗折強度的影響Fig.4 Effect of SAP on compressive strength and flexural strength of HP-ECC

2.2 拉伸性能

圖5為HP-ECC的單軸拉伸應力-應變曲線,樣品編號后的-1#、-2#、-3#為三個平行試樣。HP-ECC在軸向拉伸下的行為可分為三個階段:彈性上升階段、應變硬化階段和應變軟化階段。所有試樣在拉伸試驗過程中都表現出顯著的應變硬化行為。

圖5 HP-ECC的拉伸應力-應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of HP-ECC

基于HP-ECC的拉伸應力-應變曲線,表3列出了拉伸性能的關鍵參數,包括初裂強度、極限拉伸強度、拉伸延伸率和拉伸應變能。結果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的初裂強度和極限拉伸強度逐漸降低,這與HP-ECC的抗壓強度和抗折強度變化趨勢相似。與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的極限拉伸強度分別降低了5.7%、12.0%和15.6%。顯然,SAP作為有機聚合物會增加基體的孔隙率。盡管SAP在水泥基復合材料中具有內養護作用,可以改善HP-ECC的微觀結構,但SAP導致的基體孔隙效應高于SAP引起的纖維-基體界面黏結效應。由于PE纖維在拔出過程中具有相對更小的摩擦阻力,纖維的橋接作用更弱,從而降低了試樣的極限拉伸強度。然而,HP-ECC的拉伸延伸率隨著SAP摻量的增加而增加,這是因為SAP顆?？梢员灰暈榛w內部預先存在的缺陷,存在更多促進多重開裂的潛在開裂源,從而提高了HP-ECC的拉伸應變能力。應變能是評價試樣拉伸性能的一個重要指標,可以反映試樣的拉伸韌性。在HP-ECC的拉伸應力-應變曲線中通過從初裂點到極限拉伸強度峰值點的積分來計HP-ECC的能量吸收能力。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的拉伸應變能逐漸增加,應變能的增加主要來自于基體更多的開裂耗能。圖6為HP-ECC拉伸開裂圖像,結果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC拉伸后的裂紋數量逐漸增多。

圖6 HP-ECC的拉伸開裂圖像Fig.6 Tensile cracking images of HP-ECC

表3 不同SAP摻量下HP-ECC拉伸應力-應變曲線的關鍵參數Table 3 Key parameters of tensile stress-strain curves of HP-ECC with different SAP dosage

2.3 自收縮

不同SAP摻量的HP-ECC成型后72 h內的自收縮發展曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的自收縮顯著降低。HP-ECC混合料在10 h內水化速度快、彈性模量低的特點導致了該階段自收縮的快速演變,并隨著養護齡期的延長,自收縮趨于穩定增長。由于HP-ECC具有水膠比低、僅含細骨料、水泥和硅灰含量高等特點,基體微觀結構中的內應力較大,HP-ECC表現出非常大的自收縮。S-0試樣中的最大自收縮值為2 408 με,與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的自收縮率分別降低了8.1%、23.7%和42.9%。SAP含有的聚丙烯酸側鏈具有羥基官能團,可以與水分子上的氫鍵相互作用形成交聯[4]。SAP的收縮緩解機制如圖8所示。當基體內的相對濕度因水化作用而急劇下降,SAP中被交聯聚電解質吸附的水分子就會因滲透壓釋放到基體中。SAP在HP-ECC混合物的初始攪拌過程中可吸收部分游離水,并隨著水泥水化過程中內部相對濕度的降低,被視為一個內部蓄水池,以抵抗毛細收縮應力引起的自收縮。此外,SAP的引入還可以有效地延緩內部相對濕度的降低,從而減少自收縮。

圖7 HP-ECC的自收縮Fig.7 Autogenous shrinkage of HP-ECC

圖8 SAP的收縮緩解機制Fig.8 Mechanism of shrinkage mitigation for SAP

2.4 干燥收縮

所有HP-ECC混合物的干燥收縮如圖9所示。結果表明,對于所有HP-ECC試樣,在21 d之前,干燥收縮均顯著增加。隨著HP-ECC養護齡期的增加,基體越來越致密,內部自由水減少,水分蒸發量減少,因此,HP-ECC的干縮曲線發展趨于平緩。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的干燥收縮逐漸降低。與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的干燥收縮量分別降低了8.5%、16.4%和26.9%。SAP降低HP-ECC干燥收縮量的機制是SAP顆粒的蓄水池效應。在HP-ECC中引入SAP可以阻礙其內部的水分蒸發,有效解決水泥基體內部缺水的問題,促進未水化水泥的水化進程,并減少HP-ECC混合物的干燥收縮量[14]。

圖9 HP-ECC的干燥收縮Fig.9 Drying shrinkage of HP-ECC

2.5 纖維拔出微觀形貌

圖10為拉伸后的HP-ECC纖維SEM照片。在S-0試樣中觀察到拔出后的纖維表面出現了一些絲狀物,這是纖維在拔出過程中受到擠壓導致的,說明纖維-基體界面黏結性能良好,這也是S-0試樣拉伸強度最高的原因之一。此外,由于纖維在拔出過程中與拉伸應力軸向方向存在夾角,纖維在拔出位置受到基體楔形的尖銳切削作用,也會造成纖維損傷。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC拉伸后的纖維表面越來越光滑,這意味著纖維-基體界面黏結性能降低。因此,纖維表面損傷也受基體的致密性影響。顯然,SAP摻量的增加提高了基體的孔隙率,降低了纖維周邊的基體密實度,進而降低了纖維-基體界面摩擦黏結應力。

圖10 拉伸后的HP-ECC纖維SEM照片Fig.10 SEM images of HP-ECC fibers after stretching

3 結 論

1)隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的抗壓強度和抗折強度呈降低的趨勢。隨著SAP摻量從0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d時的抗壓強度分別降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折強度分別降低了33.9%、20.8%和17.1%。然而,在HP-ECC的后期階段可以觀察到SAP輕微的強度補償效應。當SAP摻量為0.1%時,SAP的強度補償效應最顯著。

2)所有HP-ECC試樣在拉伸過程中均表現出顯著的應變硬化行為。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的初裂強度和極限拉伸強度逐漸降低,分別從4.07和7.25 MPa降為1.84和6.12 MPa。然而,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的拉伸延伸率和拉伸應變能分別從3.62%和203.4 J·m2增加到5.27%和240.8 J·m2。

3)SAP在HP-ECC中可充當“蓄水池”,釋放的水保持了內部的相對濕度,有效緩解了HP-ECC的自收縮和干燥收縮,使HP-ECC的自收縮和干燥收縮分別從2 408和505 με降低到1 372和369 με。

4)隨著SAP摻量的增加,在HP-ECC基體中拔出后的纖維表面越來越光滑,這意味著纖維-基體界面黏結性能降低。