粉煤灰摻量對HDCC力學及收縮性能的試驗研究

馬 東,王成生,周建國,田 礫*,王鵬剛

(1.青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266033;2.中交天津港灣工程設計院有限公司青島分公司,天津 300000;3.山東路橋集團青島分公司,山東 青島 266033)

高延性纖維增強水泥基復合材料(HDCC)是Li基于微觀力學、斷裂力學和統計力學,通過調整纖維、基體和纖維-基體界面微觀力學參數設計的一種纖維增強水泥基復合材料[1],因其具有應變硬化和多縫開裂特點被廣泛研究和應用,尤其應用于混凝土結構修復加固、橋梁連接板、抗震結構重要節點和機場跑道等方面[2-5]。粉煤灰作為一種常見的輔助膠凝材料[6],已被廣泛應用到HDCC中,通過粉煤灰取代水泥不僅可以提高HDCC材料的性能,還可以降低HDCC的生產成本。Wang等[7]研究表明,大摻量粉煤灰(粉煤灰摻量為60%)可顯著降低HDCC基體的強度,獲得較高的拉伸應變。Yang等[8]研究了粉煤灰摻量占膠凝材料總量75%～85%的HDCC,結果表明,90 d齡期HDCC仍能維持2%～3%的拉伸應變,且裂縫寬度顯著減小。Zhu等[9-10]研究表明粉煤灰摻量為50%～80% 能顯著提高HDCC的抗彎性能和細化裂縫等。然而,上述相關研究采用的是進口高強度、高彈性模量的PVA纖維或者PE纖維,導致HDCC成本較高。我國是PVA纖維生產大國,2021年我國PVA纖維產量高達100萬噸。與進口纖維相比,國產PVA纖維強度和彈性模量均較低,但成本僅為進口纖維的1/5。因此,許多研究學者嘗試采用國產PVA纖維制備HDCC,研究結果表明,采用國產PVA纖維同樣制備出相對較好的拉伸性能和力學性能[11-14]的HDCC。然而,對HDCC的微觀機理方面的相關研究尚不完善,同時HDCC收縮顯著高于普通水泥基材料的問題亟待解決。針對上述問題,本文采用國產PVA纖維和大摻量粉煤灰等材料制備低收縮HDCC,系統研究粉煤灰摻量對HDCC微結構、力學及收縮性能的影響。為低成本、低收縮HDCC制備與應用提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

采用P.O 52.5水泥和Ι級低鈣粉煤灰,水泥和粉煤灰的化學組成見表1。石英砂粒徑為80～120目,減水劑為聚羧酸高效減水劑,減水率為30%。采用國產PVA纖維,其物理力學性能見表2。

表1 水泥和粉煤灰的化學組成(單位:%)Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash (unit: %)

表2 PVA纖維物理力學性能指標Tab.2 Physical and mechanical properties of PVA fiber

1.2 配合比

HDCC配合比和基體凈漿配合比見表3和表4。其中,水膠比為0.36,粉煤灰摻量分別為水泥摻量的1.2倍、1.5倍和2.2倍,砂膠比為0.36,PVA纖維的體積摻量為2%。

表3 HDCC配合比(單位:kg/m3)Tab.3 Mix proportion of HDCC (unit: kg/m3)

表4 HDCC基體配合比(單位:kg/m3)Tab.4 Mix proportion of matrix of HDCC(unit:kg/m3)

1.3 試驗方法

采用TAM air八通道等溫量熱儀,測試不同樣品的水化熱。按照表4稱量各種原材料,采用凈漿攪拌機攪拌,用膠頭滴管將樣品裝入安倍瓶中,然后將安倍瓶放入等溫量熱儀進行測試,測試環境溫度為(20±2)℃,相對濕度為60%±5%。

采用PQ001型低場核磁共振分析儀測試試樣的孔結構。按照表3準備試樣,試樣在混凝土標準養護室(溫度(20±2)℃,相對濕度≥95%)養護至14和56 d后用小錘子輕輕敲碎,取2～3 mm的碎塊進行飽水處理,然后將待測試樣放入LF-NMR儀器的圓柱筒中,調整好儀器相關參數進行測試。

采用FSF003高精度纖維性能測試儀進行單纖維拔出試驗,按照表3配合比,試樣尺寸為10 mm的立方體,纖維一端埋入基體內部1 mm,覆膜養護1 d后拆模,然后將試樣放入混凝土標準養護室養護7 d后取出,待表面干燥后用AB樹脂膠在纖維另一端進行纖維掛膠球處理[15]。待膠球強度達到待測強度進行試驗,測試拉伸速率為3 μm/s。

抗壓、抗折強度試驗參照GB/T—17671《水泥膠砂強度檢驗方法》進行,試塊成型1 d后拆模,然后放入標準養護室進行養護,之后分別測試14、28、56和90 d齡期的抗壓和抗折強度。

單軸拉伸試驗采用“啞鈴型”試塊進行拉伸性能的測試[16]。試件尺寸示意圖和試驗測試圖如圖1所示。試塊成型后覆膜養護1 d后拆模、編號,將試塊放入標準養護室養護28 d,到待測齡期后取出試塊,并擦干表面水分,采用電子拉伸試驗機進行測試,采用外接引伸計(測量標距為80 mm,最大測量變形為20 mm)同步采集縱向變形,加載方式按位移加載,加載速率為0.3 mm/min。

圖1 單軸拉伸試驗和試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniaxial tensile tests and specimens

自收縮和干收縮試驗按照規范JCT/603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件,成型24 h后拆模。拆模后將自收縮試塊放入恒溫恒濕養護室(溫度(20±2)℃,相對濕度60%±5%)靜置4 h后,用鋁箔紙將其全部密封,分別進行編號、標記測試方向。干燥收縮試塊成型后24 h后拆模,然后將試塊放入混凝土標準養護室養護至28 d,取出試塊放入恒溫恒濕養護室(靜置4 h后,沿兩個長度方向用鋁箔膠帶密封,只保留兩個暴露面。使用標準桿調零后,將試塊放在水泥砂漿比長儀上進行測試,測試結束后將試塊放入恒溫恒濕養護室。自收縮和干燥收縮試塊分別以1和28 d的長度為初始長度,分別測試不同齡期的試塊長度,通過計算得到試塊收縮變形量。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰摻量對HDCC凈漿水化速率的影響

與硅酸鹽水泥的水化過程相似,HDCC凈漿的水化反應同樣包括初始期、誘導期、加速期、減速期和穩定期五個反應過程。從圖2可知,隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC凈漿的水化放熱峰值和累計放熱量均顯著降低。從圖2(a)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,初始期提前。產生上述的原因:當HDCC的膠凝材料用量固定不變時,隨著粉煤灰摻量的增加減少了水泥用量,而粉煤灰早期不參與水化反應,相當于增大了HDCC的有效水膠比,使更多的水參與水泥初始期的水化,導致初始期提前。而誘導期、加速期、減速期和穩定期均出現明顯的延遲現象。產生上述的原因:(1)粉煤灰摻量增大了有效水膠比,一方面降低了孔隙溶液的Ca2+濃度,另一方面粉煤灰顆粒對Ca2+有吸附作用,因此,Ca2+需要更長的時間達到過飽和,導致誘導期延后[18];(2)隨著粉煤灰摻量的增加導致水泥用量的減少,使HDCC凈漿體系水化反應生成的氫氧化鈣(CH)和水化硅酸鈣(C-S-H)明顯減少,進而導致水化過程延遲且放熱峰顯著降低。從上述分析可知,隨著粉煤灰摻量的增加,顯著降低和延遲了HDCC的水化放熱速率,從而引起HDCC凈漿累計放熱量的顯著降低。

圖2 粉煤灰摻量對HDCC凈漿水化放熱速率和累計放熱量的影響Fig.2 Effect of fly ash amount on the heat release rate of hydration and cumulative heat release of HDCC matrix

此外,與普通硅酸鹽水泥水化放熱相比,在加速期新增了一個放熱峰,產生的原因是與粉煤灰的礦物組成有關[17]。產生第二個放熱峰的原因是由于粉煤灰中氧化鋁(Al2O3)含量較高,水化反應生成的鋁酸鹽相與鈣礬石反應形成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)有關,此過程放出一定的熱量,造成加速期新放熱峰的出現。

2.2 粉煤灰摻量對PVA纖維-基體界面微觀力學參數的影響

圖3和表5分別為單纖維拔出荷載-位移曲線和PVA纖維-基體界面微觀力學參數?？梢钥闯?粉煤灰摻量的增加引起拉伸荷載的降低,FA2.2出現了明顯的荷載陡降段,該現象表示PVA纖維與基體的脫粘現象。根據文獻[19]中公式,計算出化學結合能Gd、界面摩擦力τ0和滑移硬化系數β,計算結果如表5所示。由于FA1.2基體強度高,產生較大的Gd,導致纖維因較高的Gd發生斷裂,使基體無法進入脫粘和滑移強化階段。對于FA1.5和FA2.2,隨著粉煤灰摻量的增加,會顯著降低纖維與基體之間的化學結合能Gd、界面摩擦力τ0,但滑移硬化系數β逐漸增大。這是因為粉煤灰摻量的增加,延遲了HDCC基體的水化放熱速率,導致HDCC基體強度顯著降低,未水化的球狀粉煤灰顆粒在基體中起到填充和潤滑作用。因此,這三個微觀參數的改變會使纖維在基體中由纖維拔斷變為纖維拔出[19],這種變化對于提高HDCC的延性十分有利。

圖3 單纖維拔出試驗曲線Fig.3 Single fiber pull-out test curve

表5 PVA纖維-基體界面微觀參數Tab.5 Microscopic parameters of PVA fiber-matrix interface

2.3 粉煤灰摻量對HDCC孔結構分布的影響

粉煤灰摻量對HDCC孔徑分布的影響如圖4所示。從圖4(a)和(b)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,波峰和孔隙累計體積都增大。隨著養護齡期的增加,波峰和孔隙累計體積顯著降低。在14 d齡期時,曲線第一個波峰對應的孔徑(最可幾孔徑)隨著粉煤灰摻量的增加右移(FA1.2、FA1.5:20.39 nm,FA2.2:25.85 nm)。而56 d的最可幾孔徑分別為(FA1.2、FA1.5:19.02 nm,FA2.2:21.85 nm)。這是因為粉煤灰摻量的增加,引起HDCC內部水化產物相對稀疏,使最可幾孔徑右移,而隨著齡期的增加,最可幾孔徑左移,這是因為粉煤灰的二次水化反應,生成的水化產物填充了HDCC的內部孔隙。根據研究表明[20],水泥基材料的孔結構可分為凝膠孔(<10 nm)、小毛細孔(10～50 nm)、大毛細孔(50～100 nm)以及有害孔(>100 nm)。此外,從圖4(b)的孔隙累計體積曲線可計算出各種孔徑的占比,如圖4(c)所示?？芍?隨著粉煤灰摻量的增加,小毛細孔占比降低,有害孔占比增大。HDCC的總孔隙率如表6所示。很明顯,隨著粉煤灰摻量的增大,HDCC的總孔隙率變大。因此,粉煤灰的摻入顯著改變了HDCC的內部孔隙結構,從而影響HDCC的力學和收縮變形性能。

圖4 粉煤灰摻量對HDCC孔徑分布的影響Fig.4 Effect of fly-ash amount on the pore distribution of HDCC

表6 HDCC孔隙率Tab.6 Porosity of HDCC

2.4 粉煤灰摻量對HDCC單軸拉伸性能的影響

HDCC單軸拉伸應力-應變曲線如圖5所示?？芍?所有配合比的極限拉伸應變均大于0.5%,且極限拉伸應變隨著粉煤灰摻量的增加而增大。根據JC/T 2461—2018的規定,極限拉伸應變超過0.5%且裂縫寬度不超過200 μm,即為高延性纖維增強水泥基復合材料。與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的極限拉伸應變分別提高了89%和128.7%,但極限抗拉強度隨粉煤灰摻量的增加而減小,分別降低了14.6%、25.2%。HDCC多縫開裂情況如圖6所示?？芍?隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC多縫開裂和應變硬化特性更明顯。從2.2節可知,粉煤灰摻量越大,對降低化學結合能Gd和界面摩擦力τ0越明顯,基體中的纖維從纖維拔斷變為纖維拔出,促進纖維-基體更好地發揮橋接作用,使HDCC的延性顯著提高。

圖5 HDCC單軸拉伸應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial tensile stress-strain curve of HDCC

圖6 不同粉煤灰摻量HDCC的多縫開裂情況Fig.6 Multiple cracking of HDCC with different fly-ash dosages

2.5 粉煤灰摻量對HDCC抗壓強度和抗折強度的影響

HDCC的抗折強度和抗壓強度如圖7(a)和(b)所示。養護90 d后,與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的抗折強度和抗壓強度分別降低了8.8%、16.5%和9.6%、36%。產生上述的原因如下:(1)粉煤灰的反應活性較低,使HDCC內部反應生成的水化產物減少。(2)從表6可知,粉煤灰的摻入增大了HDCC的總孔隙率,導致抗壓、抗折強度的顯著降低。與28 d強度相比,三組配合比在90 d齡期的抗折強度和抗壓強度分別增加了14.6%、13.4%、7%和13.9%、20.2%、27.2%。這是由于養護齡期的增加,未水化的水泥顆粒的繼續水化和粉煤灰中SiO2和Al2O3與孔溶液中的Ca(OH)2發生二次火山灰反應[21],生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)填充HDCC內部孔隙。

圖7 HDCC的抗折和抗壓強度Fig.7 Flexural and compressive strengths of HDCC

2.6 粉煤灰摻量對HDCC自收縮和干燥收縮的影響

圖8為粉煤灰摻量對HDCC收縮變形的影響?？梢钥闯?28 d自收縮變形發展較快,且自收縮變形隨齡期的增加而增大,90 d后趨于穩定,與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d齡期自收縮分別降低了14.2%和30%?？梢?隨著粉煤灰的摻入可顯著降低HDCC的自收縮變形。產生上述的原因如下:(1)從2.1節可知,粉煤灰摻量對HDCC凈漿體系早期的水化有延遲作用,HDCC內部水分消耗量減少。由Kelvin方程可知,較高的相對濕度可降低HDCC自收縮驅動力。(2)從圖5(c)可知,粉煤灰摻入減少了小毛細孔(10～50 nm)范圍的孔徑比例,而HDCC的自收縮變形主要與小毛細孔有關,小毛細孔徑的減少是HDCC自收縮變形減小的另外一個原因。

圖8 粉煤灰摻量對HDCC收縮變形的影響Fig.8 Effect of fly ash amount on shrinkage deformation of HDCC

HDCC干燥收縮曲線如圖8(b)所示。與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d干燥收縮分別降低了16.2%和36.1%?？梢?隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC的干燥收縮變形顯著減小。這是因為:(1)未水化的粉煤灰顆粒作為細集料,抑制了HDCC的干燥收縮變形。(2)由于外界濕度保持恒定,而HDCC內部水分向外擴散,毛細孔彎液面半徑逐漸減小[22],引起干燥收縮。因此,隨著粉煤灰摻量增加,水化產物的減少,導致干燥收縮因毛細失水而降低。

3 結論

1)粉煤灰摻量的增加引起水泥用量的減少,增大了體系的有效水膠比,促進初始期水泥顆粒的水化。而水泥用量的減少,導致體系更快地完成水化,使穩定期提前。此外,由于粉煤灰顆粒的稀釋和吸附作用,使Ca2+濃度過飽和的時間延長,反應生成物延遲了誘導期、加速期和減速期。

2)粉煤灰摻量的增加,降低了基體的強度,引起微觀力學參數的改變,促使基體中的纖維由拔斷轉為拔出,進而提高了HDCC延性和韌性。

3)粉煤灰摻量的增加,增加了HDCC的總孔隙率,導致了抗壓、抗折強度和極限抗拉強度的降低。而小毛細孔徑占比降低和內部相對濕度高引起自收縮顯著降低,干燥收縮降低是未水化的粉煤灰顆粒的微集料效應和水化產物減少毛細失水降低引起的。