聚乙烯醇纖維摻量對高延性地聚合物混凝土早期抗裂和收縮性能影響

李 杉, 周 鄭 州, 盧 亦 焱, 王 喆, 安 俊 澎

(武漢大學 土木建筑工程學院, 湖北 武漢 430072 )

0 引 言

混凝土是土木工程中應用最廣泛的建筑材料之一．混凝土中普通波特蘭水泥生產過程中會產生大量的CO2,對環境造成嚴重的污染．研發綠色環保的建筑材料非常重要．地聚合物混凝土是一種新型綠色建筑材料,一般由粉煤灰、礦渣等工業廢棄物經過氫氧化鈉溶液、水玻璃等堿性溶液激發制成．該材料具有優良的物理力學性能,早期強度高[1],抗化學侵蝕性能好[2],被認為是目前最有可能替代傳統混凝土的建筑材料[3],近年來得到學術界、工程界和政府單位的廣泛關注．地聚合物混凝土孔隙結構較為致密,介孔數量在總孔隙中占比大,導致其收縮性大[4-5]．地聚合物混凝土的收縮開裂會嚴重影響其使用壽命和耐久性能,甚至影響到結構的承載能力．

國內外學者初步開展了地聚合物混凝土的收縮性能研究．相關研究表明,增大堿性激發劑摻量或者增大堿性激發溶液濃度可以降低地聚合物混凝土的干燥收縮率[6-7]．活性粉末摻量的改變會對地聚合物混凝土的收縮造成較大影響,超細礦渣會增大地聚合物混凝土的干燥收縮[8];但是還有研究發現,地聚合物混凝土的收縮率會隨著礦渣摻量的增大先減小后增大[9]．當地聚合物混凝土的失水率一定時,收縮率會隨著骨膠比的增大而減小[10]．地聚合物混凝土的收縮也會受到養護條件的影響,高溫養護會有效減小地聚合物混凝土的收縮[11]．

要將地聚合物混凝土應用于土木工程,期望這種材料剛柔并濟,在地聚合物混凝土中摻入纖維是實現高延性的主要方法之一．同時,纖維的摻入可以減小地聚合物混凝土的早期收縮變形[12]．鑒于此,本文通過平板法試驗[13]和長度法試驗[14]研究PVA纖維摻量對地聚合物混凝土抗裂和收縮性能的影響,并建立相應的收縮預測模型．

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗共設計了12組,共32個高延性地聚合物混凝土試件．其中,4組塑性收縮開裂試驗(PC)試件,每組2個試件,試件尺寸為910 mm×600 mm×20 mm;4組干燥收縮試驗(DS)試件和4組自生收縮試驗(AS)試件,每組3個試件,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm．PVA纖維體積摻量分別考慮0%、1.5%、2.0%和2.5%．試件設計見表1,高延性地聚合物混凝土配合比詳見表2．PVA纖維和碳納米管材料參數分別見表3和表4．

表1 試件設計

試驗采用的粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土、石英砂、水玻璃均來自河南省某公司．參照《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》(JC/T 2461—2018)[15]對高延性地聚合物混凝土進行力學性能試驗,28 d齡期的抗壓強度、抗拉強度和延伸率等測試結果見表1．

表2 地聚合物混凝土配合比

表3 PVA纖維材料參數

表4 碳納米管(CNTs)材料參數

1.2 試驗方法

1.2.1 塑性收縮開裂試驗 參照《水泥砂漿抗裂性能試驗方法》(JC/T 951—2005)[13],對高延性地聚合物混凝土進行抗裂性能試驗,試驗裝置如圖1所示．試驗在步入式恒溫恒濕試驗系統中進行,環境溫度為20 ℃,相對濕度為60%．經過4 h燈光照射和24 h風速約為3.0 m/s的風吹后測量其裂縫寬度及裂縫長度．

圖1 塑性收縮開裂試驗裝置圖

1.2.2 干燥收縮試驗 根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)[14]中砂漿干燥收縮測試方法,對高延性地聚合物混凝土進行干燥收縮試驗．試件澆筑完成后放入溫度為20 ℃、相對濕度>95%的標準養護箱中養護;1 d后試件硬化,將其移入溫度為20 ℃、相對濕度為60%的恒溫恒濕干燥箱,預置4 h;隨后將試件安裝于立式收縮測試儀,如圖2(a)所示,測量試件初始長度,之后測量1、2、3、7、14、28 d干燥齡期的試件變形．

1.2.3 自生收縮試驗 試件澆筑完成后放入溫度為20 ℃、相對濕度>95%的標準養護箱中養護;1 d后移入溫度為20 ℃、相對濕度為60%的恒溫恒濕干燥箱,預置4 h;然后采用聚乙烯塑料薄膜將試件完全包裹,阻止試件和外界環境的水分交換;最后將試件安裝于立式收縮測試儀,如圖2(b)所示,測量試件初始長度,之后測量1、2、3、7、14、28 d干燥齡期的試件變形．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

2 試驗結果與討論

2.1 塑性收縮開裂

平板法試驗結束后,地聚合物混凝土開裂情況如圖3所示,不同PVA纖維體積摻量的地聚合物混凝土塑性收縮裂縫參數見表5．由圖3和表5可知,摻PVA纖維后地聚合物混凝土試件表面的裂縫總面積和裂縫最大寬度顯著減小,PC2組地聚合物混凝土試件裂縫總面積和裂縫最大寬度比PC1組的分別減小了86.9%和91.8%．試件表面的裂縫總面積和裂縫最大寬度隨著PVA纖維體積摻量的增大而減小,PC3組的地聚合物混凝土試件表面已經沒有明顯裂縫,地聚合物混凝土的塑性收縮開裂基本上得到了控制．

(a) PC1組

(b) PC2組

(c) PC3組

(d) PC4組

表5 地聚合物混凝土塑性收縮裂縫參數

隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土試件上的裂縫數量、長度以及寬度都有減小的趨勢,意味著PVA纖維增強了地聚合物混凝土抗塑性收縮開裂能力．主要原因可能是摻入地聚合物混凝土的PVA纖維亂向分布,承擔了部分地聚合物混凝土內部的拉應力,增強了地聚合物混凝土的抗拉能力和韌性,因此減少了地聚合物混凝土表面裂縫的出現[16]．在一定范圍內隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土抗開裂性能更好．

2.2 干燥收縮

地聚合物混凝土干燥收縮率按下式計算：

(1)

式中：εd(t)為齡期為t時的試件干燥收縮率;L0為初始長度(試件成型后1 d的長度),mm;L為試件的長度,mm;Ld為收縮頭埋入試件中的長度,mm;Lt為時間t時的試件長度,mm．

根據干燥收縮率公式(1),得到各組試件不同齡期的干燥收縮率,如圖4所示．由圖可見,地聚合物混凝土干燥收縮早期發展得很快,7 d齡期時,地聚合物混凝土干燥收縮率占28 d齡期干燥收縮率的90%以上;地聚合物混凝土干燥收縮后期幾乎不發展,28 d齡期時干燥收縮基本穩定．

(a) 28 d收縮率

(b) 收縮曲線

齡期為28 d時,DS2、DS3和DS4組試件的干燥收縮率相對于DS1組分別減小了18.63%、26.58%和21.46%．摻PVA纖維的地聚合物混凝土試件的干燥收縮率相對于沒摻PVA纖維的試件顯著減小,說明PVA纖維可以有效抑制地聚合物混凝土的干燥收縮．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的收縮率逐漸減小,PVA纖維的抑制效果更加顯著．可能是因為PVA纖維在地聚合物混凝土中亂向分布,一方面可以橋接地聚合物混凝土的內部裂縫[17-19],延緩裂縫的產生和發展,另一方面可以承受部分內應力,降低基體的有效應力[20],以此減小地聚合物混凝土的干燥收縮率．但當PVA纖維體積摻量超過2.0%時,PVA纖維體積摻量的提高會增大地聚合物混凝土的干燥收縮率．原因可能是PVA纖維體積摻量過大,會導致在地聚合物混凝土內部發生團聚現象,降低了PVA纖維對收縮的抑制作用．

2.3 自生收縮

不同齡期各組試件的自生收縮曲線如圖5所示．由圖可以看出,地聚合物混凝土自生收縮早期發展得很快,到7 d齡期時,地聚合物混凝土自生收縮率占28 d齡期自生收縮率的60%左右,地聚合物混凝土自生收縮后期發展速度變緩．齡期為28 d時,AS2、AS3和AS4組試件的自生收縮率相對于AS1組分別減小了31.91%、39.36%和36.17%．這表明在地聚合物混凝土中摻入PVA纖維會對自生收縮有顯著的抑制效果,其原因主要是PVA纖維在地聚合物混凝土中隨機分布,橋接裂縫,傳遞拉應力,以此約束地聚合物混凝土的自生收縮變形,減小地聚合物混凝土的自生收縮率．但PVA纖維摻量過大,會導致在地聚合物混凝土內部發生團聚現象,纖維分布不均勻,對收縮的抑制作用減弱．

(a) 28 d收縮率

(b) 收縮曲線

2.4 微觀形貌分析

摻PVA纖維的地聚合物混凝土28 d試樣SEM圖如圖6所示．由圖可以看出,PVA纖維上有殘留的水化產物,說明其與地聚合物混凝土基體之間有很好的黏結．PVA纖維錨固在地聚合物混凝土基體中,拔出時會受到一定的黏結阻力,這會增加地聚合物混凝土抵抗開裂和收縮變形的能力．地聚合物混凝土的微裂縫之間有PVA纖維起橋接作用,可以承擔基體內部的拉力,延緩微裂縫的發展,提高地聚合物混凝土的抗開裂和抗收縮性能．

(a) 橋接裂縫

(b) PVA纖維分布

3 地聚合物混凝土收縮預測模型研究

3.1 收縮預測模型

目前,混凝土收縮預測模型一般根據試驗中實際測量的數據回歸分析得到．參考歐洲混凝土結構設計標準BS EN收縮模型[21],考慮纖維體積摻量的影響,將纖維體積摻量引入收縮預測模型,并根據高延性地聚合物混凝土收縮試驗結果,建立地聚合物混凝土干燥收縮預測模型和自生收縮預測模型．干燥收縮表達式見式(2)～(4),自生收縮表達式見式(5)～(7)．

εd(t)=εd∞βd(t)

(2)

εd∞=1.39(1-0.227α+0.056α2)

(3)

βd(t)=1-exp(-0.686(t-t0)1.027)

(4)

式中：εd∞為試件最終的干燥收縮率;βd(t)為干燥收縮率隨齡期變化的函數;α為纖維體積摻量,%;t0為收縮測試開始時的齡期,d．

εa(t)=εa∞βa(t)

(5)

εa∞=1.01(1-0.381α+0.084α2)

(6)

βa(t)=1-exp(-0.139(t-t0)1.023)

(7)

式中：εa(t)為齡期為t時的試件自生收縮率;εa∞為試件最終的自生收縮率;βa(t)為自生收縮率隨齡期變化的函數．

收縮預測模型預測值與試驗值對比曲線如圖7所示．可以看出,收縮預測模型預測值與試驗值吻合較好,收縮預測模型在一定程度上可以反映地聚合物混凝土的早期收縮特性．

3.2 不同收縮預測模型比較

迄今為止,國內外許多學者已經結合試驗數據和理論分析建立了混凝土收縮預測模型,選取合理的收縮預測模型尤其重要．現列舉幾種有代表性的收縮預測模型,并與本文收縮預測模型對比,據此來評估既有混凝土收縮預測模型和本文收縮預測模型對地聚合物混凝土的適用性．干燥收縮預測模型選取ACI模型[22]和GL2000模型[23],自生收縮預測模型選取Dilger模型[24]和CEB-FIP模型[25],這些都是權威的混凝土收縮預測模型,對普通混凝土有很高的適用性．

利用本文提出的基于BS EN的收縮預測模型預測地聚合物混凝土的最終收縮率,代替既有收縮預測模型中的普通混凝土最終收縮率．應用各收縮預測模型對地聚合物混凝土對照組的收縮率進行估算,并與實測值進行對比,對比曲線如圖8所示．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

由圖8(a)可知,ACI模型和GL2000模型低估了地聚合物混凝土的干燥收縮值和早期收縮速率,不適用于預測地聚合物混凝土的干燥收縮．由圖8(b)可知,Dilger模型過高地估計了地聚合物混凝土早期的自生收縮速率,而CEB-FIP模型低估了地聚合物混凝土的自生收縮值和早期收縮速率．綜上所述,既有的混凝土收縮預測模型一般不適用于地聚合物混凝土,原因是既有混凝土收縮預測模型的發展函數不符合地聚合物混凝土的收縮特征．地聚合物混凝土早期收縮發展快,且在總收縮中占比大,本文模型采用的指數型發展函數更加符合地聚合物混凝土的收縮發展趨勢．

(a) 干燥收縮

(b) 自生收縮

4 結 論

(1)PVA纖維能夠有效抑制地聚合物混凝土的塑性收縮開裂,隨著PVA纖維體積摻量的提高,地聚合物混凝土塑性收縮裂縫面積減少．PVA纖維體積摻量為1.5%的地聚合物混凝土試件表面裂縫總面積比對照組減小了86.9%．

(2)地聚合物混凝土的干燥收縮主要在早期發展．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的抗干燥收縮性能緩慢提高．但是PVA纖維體積摻量超過2.0%后,會在地聚合物混凝土內部團聚,對地聚合物混凝土干燥收縮的抑制作用會降低．當PVA纖維體積摻量為1.5%、2.0%和2.5%時,地聚合物混凝土28 d干燥收縮率相對于對照組分別減小了18.63%、26.58%和21.46%．

(3)地聚合物混凝土的自生收縮也主要集中在早期．隨著PVA纖維體積摻量的增大,地聚合物混凝土的自生收縮率先減小然后增大．當PVA纖維體積摻量為1.5%、2.0%和2.5%時,地聚合物混凝土28 d自生收縮率相對于對照組分別減小了31.91%、39.36%和36.17%．

(4)本文建立的收縮預測模型預測值與實測值吻合良好,可在一定程度上反映地聚合物混凝土的早期收縮特性．