水泥基复合浆液

水泥基复合浆液（精选7篇）

水泥基复合浆液 第1篇

我国是农业大国, 水稻、小麦、玉米、花生、葵花、甘蔗等农作物的秸杆、壳、废渣类资源十分丰富。草本植物纤维价格低廉且基本上没有利用于工业, 因此, 开发农作物纤维用于建筑上的各种复合材料具有重要经济价值和广阔的应用前景[1~3]。农作物纤维复合材料目前主要用于工程、房屋建筑中的非承重墙体及装饰材料, 由于成本较低, 大力发展该材料可取代石棉纤维、玻璃纤维、合成纤维、钢纤维等增强的复合材料。农作物纤维材料本身具有投资小、能耗低等独特的优越性, 与其他建材相比具有优良的隔热保温、节能、轻质等性能, 是一种新型的绿色环保建材产品[4~5]。以稻谷加工剩余物为复合材料中的增强基, 以硅酸盐水泥为胶结材料, 以中细砂为骨料, 加入添加剂, 经简单的生产工艺制成的一种轻质保温材料稻草水泥板, 具有广阔的应用前景[6]。

1 主要原料及制备工艺

1.1 水泥

水泥作为一种传统的建筑材料沿用已久, 通常加入钢筋或高强纤维来增强, 以克服其脆性, 用植物纤维来增强水泥是一种有益的尝试[7~8]。本实验采用PO32.5级普通硅酸盐水泥、PO 32.5R级早强硅酸盐水泥和PS 32.5级矿渣硅酸盐水泥。

1.2 粉煤灰

粉煤灰可以提高混凝土的保水性、塑性及强度, 同时又可节约水泥和石灰, 降低成本。实验所用粉煤灰来自哈尔滨某发电厂。

1.3 稻草

植物纤维的化学组成是:纤维素、半纤维素、木质素和果胶、蜡质等, 实验所用稻草经粉碎筛分后备用。

1.4 复合材料的制备工艺

将相应助剂加入水中, 与粉碎后的稻草在搅拌机中混合, 加入水泥, 再搅拌20min。铺装成型后在2.0MPa压力下冷压成尺寸为40cm42cm1.5cm的板材, 并保压72h, 喷水养护28d后切割并进行相关的性能测试。

2 结果与讨论

2.1 三种水泥凝固速度的比较

分别称取三种水泥400g、细砂400g, 在用湿布擦过的拌合锅内干拌4min, 加水120m L, 搅拌4min, 放入保温杯中进行水化热测定, 每30min记录一次温度, 三种水泥的水化温度随时间变化情况见图1。

从图1中可以看出早强水泥的凝固速率比普通水泥和矿渣水泥快5h左右, 水化反应最高温度也明显比普通水泥和矿渣水泥高, 同时, 水泥拌水后由于水泥水化使水泥浆呈碱性。因此, 水泥中加入农作物秸秆与加入矿物纤维不同, 农作物秸秆在水泥浆碱性溶液中浸泡, 淬取物对水泥有缓凝或阻凝作用, 所以在稻草-水泥复合材料体系中, 采用早强水泥有利于复合体系的固化。

2.2 添加剂的选择

水泥在碱性条件 (p H>12) 下凝固, 水泥中加入糖类、甘油、羧基甲基纤维素、单宁等, 将使水泥凝固延缓, 几乎所有农作物秸秆都对水泥有阻凝或缓凝作用, 因此, 需加入一定的添加剂才能解决秸秆与水泥基体的结合问题[8~9]。混凝土中加入稻草后, 稻草中的可溶性物质渗入到水泥浆中, 阻碍了水泥的正常凝固, 通常采取以下两种方法来解决:一是用化学加机械的方法把阻碍水泥凝固的成分除去;二是找到一种合适的添加剂, 以形成某种物质以堵塞植物细胞腔和微毛细孔或秸杆表面, 阻止萃取物渗出, 使萃取物反应不灵敏或中和某些萃取物, 使水泥固化过程顺利进行, 植物纤维与水泥形成良好界面[10]。目前可能的无机添加剂有:氯化钙、氯化镁、硫酸铝、水玻璃 (硅酸钠) 、氢氧化钠等。为了研究添加剂的影响, 我们将水泥、细砂、添加剂和稻草按下列配方进行实验, 各试样原料的组成见表1。

将各试样按上述配方搅拌均匀后, 加入水搅拌均匀, 倒入插入温度计的自制保温箱中, 读初始温度, 以后每隔1h读一次数据, 水化温度与时间的关系见图2。

从图2中可以看出, Mg Cl2的曲线最高点比空白样提前了5h左右, Ca Cl2和Al2 (SO4) 3的最高点分别提前了12h和10h, Ca Cl2的最高温度明显比Al2 (SO4) 3的最高温度要高。结合水化热曲线图可以得出结论:水泥水化是放热反应, 水泥凝固的快慢与温度有关, 随着温度的上升反应速率加快。上述三种添加剂对水泥水化反应都有影响, 特别是加入Ca Cl2后, 水化温度升高最快且水化温度最高, Ca Cl2遇水后放热对水泥水化反应有利, 促进了混凝土的固化, 降低了稻草在碱性环境中的萃取物对混凝土的阻凝影响, 且价格相对便宜, 所以选择Ca Cl2作为添加剂。

2.3 稻草的掺量对复合材料性能的影响

复合材料中添加0~30% (以水泥质量为标准) 的稻草, 添加8%的Ca Cl2, 水泥、砂、粉煤灰比为5:3:2时, 制备稻壳含量为0~30%系列样品配方见表2, 材料的密度及弯曲强度见图3。

由于稻草密度相对较小, 在混凝土中加入大量的稻草后与相同质量但没加稻草的水泥混凝土相比体积明显增大, 且随着稻草量的增加体积成正比增大。同时, 采用低密度的骨料, 如矿渣、粉煤灰等也同样能达到轻质的效果。随着稻草含量的增加, 密度明显降低, 当稻草添加量达到30%时, 密度从1800kg/m3降到1400kg/m3。抗折强度和抗折模量随着稻草添加量的增加而上升, 当稻草量为15%时强度达到最高, 然后随着稻草量的增加而明显下降, 所以稻草掺量在15%左右时材料力学性能最好, 即稻草的最佳含量为15%左右。

2.4 复合材料的扫描电镜分析

复合材料中添加15% (以水泥、砂、粉煤灰总质量为标准) 的稻草, 添加8%氯化钙, 水泥、砂、粉煤灰比为5:3:2时, 复合材料的断面扫描电镜微观状态见图4。

图4a为稻草水泥复合材料断面放大300倍时的扫描电镜照片, 从图中可以看到以水泥为胶粘材料的复合材料中细砂、粉煤灰、稻草的结合比较紧密, 能够观察到稻草断裂的痕迹, 说明稻草与水泥粘结程度较好, 起到了增强混凝土的作用。图4b为复合材料放大1000倍的扫描电镜照片, 从图中能够观察到材料中分布着一些小孔, 可能是稻草外表面的纤毛或气孔留下的。水泥渗入稻草的表面, 一定程度上形成机械互锁状态, 当材料受到外力时, 稻草在混凝土中传递应力, 由于界面结合牢固, 稻草很难从混凝土中被拔出, 只被拉断。这说明在材料受力时稻草增强了其强度, 即使混凝土已经断裂, 稻草也还能提供一定的连接力使出现裂纹的材料还有一定的力学强度, 这证明了稻草的增强作用[11~12]。图4c是断裂面放大10000倍的局部放大后的状态, 可以明显看出有不规则的细丝状物质, 是Ca Cl22H2O的白色晶体, 表明添加剂对混凝土的促凝作用。

3 结论

通过测定三种水泥水化温度随时间的变化情况, 得到早强水泥的凝固速率比普通水泥和矿渣水泥快, 且水化反应最高温度也明显比普通水泥和矿渣水泥高的结论。所以, 在稻草-水泥复合材料体系中, 采用早强水泥有利于复合体系的固化。比较不同的添加剂与空白样的水化温度随时间的变化曲线图可以看出, 加入Ca Cl2后, 水化温度升高最快且水化温度最高, 有利于混凝土的固化, 有利于降低稻草在碱性环境中的萃取物对混凝土的阻凝影响。

复合材料随着稻草含量的增加, 密度明显降低, 当稻草添加量达到30%时, 密度从1800kg/m3降到1400kg/m3。抗折强度随着稻草的增加而上升, 当稻草量为15%时强度达到了最高, 然后随着稻草量的增加而明显下降。复合材料的扫描电镜照片表明, 体系中细砂、粉煤灰、稻草的结合比较紧密, 一定程度上形成机械互锁状态, 能够观察到稻草断裂的痕迹, 说明稻草与水泥粘结程度较好, 起到了增强混凝土的作用。

参考文献

[1]徐辉, 卢安琪, 陈健, 等.国内外植物纤维增强水泥基复合材料的研究.纤维素科学与技术.2005, 12:60-63.

[2]倪达生, 于湖生.天然植物纤维增强复合材料的研究应用.化纤与纺织技术.2006, 2:29-33.

[3]郭斌.天然植物纤维增强水泥复合物综述.江苏建材.2005, 3:49～52.

[4]刘彦龙, 刘学艳, 唐朝发, 等.无机胶粘剂植物纤维建筑复合板材.东北林业大学学报.2004, 5:107-108.

[5]江嘉运, 肖力光.用氯氧镁水泥和秸秆生产轻质空心条板.混凝土与水泥制品, 2004, 3:51-54.

[6]饶久平, 谢拥群, 林铭等.稻草等废弃物和水泥相适性的研究.林产工业, 2004, 3:5-27.

[7]肖力光, 李会生.秸秆纤维水泥基复合材料性能研究.吉林建筑工程学院学报, 2005, 3:1-6.

[8]肖力光, 吴歌.新型植物纤维水泥复合储粮仓板的试验研究.混凝土与水泥制品.2003, 5:38-39.

[9]李国忠, 于衍真, 司志明等.植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究.硅酸盐通报, 1997, 3:42-45.

[10]李国忠, 冯倩, 司志明, 等.农作物秸秆纤维浸出物对水泥硬化过程的影响.山东建材学院学报.1997, 1:19-22.

[11]Guozhong Li, Yanzhen Yu, Zhongjian Zhao, etal.Properties study of cotton stalk fiber/gypsum composite.Cement and Concrete Research, 2003, 33:43-46.

水泥基复合浆液 第2篇

水泥基压电智能复合材料是近年来才刚刚发展起来的一种新型的功能复合材料。在各类建筑向智能化发展的背景下,人们愈加重视水泥基复合材料向智能化方向发展,以使智能建筑更加简洁,可靠和高效。以目前的科技水平,制备完善的水泥基智能复合材料还相当困难和难以实现,但在开发水泥基机敏复合材料方面己进行了一些研究[1]。

目前,国内外仅见香港科技大学报道过这方面的研究工作,Li Zongjin等以白水泥为基体,采用常规的成型技术于2002年首次制备了0-3型水泥基压电复合材料[2~5],通过调节复合材料组分的比例,可以使0-3型水泥基压电复合材料与混凝土之间具有良好的相容性。当压电陶瓷体积分数在40-50%之间时,即可将复合材料的声阻抗特性调节到与混凝土母体结构材料相匹配的状态(达到9.0106 kg/m2s左右);在PZT含量相同的情况下,其极化电压远远小于聚合物基0-3压电复合材料的,而压电性能和机电祸合系数却高于后者。Li Zongjin等人还制备了2-2型连通方式的水泥基压电机敏复合材料,在0.1~50Hz低频率范围内,研究了该复合材料的机电性能和机械性能,目的是将该材料用作混凝土结构中的自感知驱动器。与传统的压电材料相比,水泥基压电复合材料不但制备工艺简单,成本低,而且它可有效解决机敏材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题,大大提高压电机敏材料的传感精度及驱动力。因此,该类复合材料的研究与开发对于推进各类土木工程结构向智能化方向发展具有广泛的工程应用意义。

1 0-3型水泥基压电复合材料的制备和性能

0-3型压电复合材料是指具有压电活性的粉末分散于三维连续的基体中形成的复合材料。迄今为止,人们研制该材料主要是以聚合物为基体[6,7],而以水泥作为基体的研究很少见报道。由于压电陶瓷的密度(≈7500kg/m3)与水泥基体的密度(≈2000kg/m3)相差悬殊,这一特性为水泥基压电机敏复合材料的制备成型带来了困难。如果成型方法不当,必然导致压电陶瓷颗粒在水泥基体中发生沉降而偏析。目前制备水泥基压电复合材料所采用的成型方法是振动成型,采用此法时,往往要加一些有机粘合剂来增加流体的粘性,以增加压电陶瓷微粒在新鲜水泥基体内活动的阻力,限制和减小其发生不均匀沉降的幅度[3],而有机粘合剂的加入必然会给极化带来困难。另外,这种方法制备的试样往往含有大量气孔,会导致极化困难,影响复合材料性能的提高。

为消除结构缺陷对复合材料性能的影响,本研究采用压制成型方法,来提高水泥基压电复合材料的致密度;以快硬早强的硫铝酸盐水泥为基体制备水泥基压电复合材料。

原料:硫铝酸盐水泥,其性能如表1所示,压电陶瓷铌锂锆钛酸铅,简称PLN,其性能如表2所示。图1为PLN压电陶瓷的断口SEM照片,图2为0-3型水泥基压电复合材料试样,图3为PLN粉末的XRD图谱。XRD分析结果表明,PLN粉末已结晶成钙钛矿相,其衍射峰强度大且基线很低,说明结晶比较完全。由SEM照片可以看出,晶粒大小比较均匀,晶粒的形状完整、清晰,晶粒尺寸基本在1~2µm,结构致密。

注:d33压电应变常数;ε相对介电常数;tgδ介电损耗;Kp机电耦合常数;Qm机械品质因数;SE11弹性柔顺系数;ρ密度;Tc居里温度

试样制备流程图如图4所示。因与水泥的密度相差较大,为使PLN和水泥充分混合,首先将PLN和水泥球磨混合,研磨介质为无水乙醇,千燥后过筛备用。按一定的水灰比加入一定量的水,采用压制成型法压制成φ15mmlmm的圆片,成型压力为80MPa,在标准养护箱内(20℃,100%RH)养护3d后,用丙酮擦洗试样表面,然后在圆片两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆,在干燥箱内烘干2h,干燥温度为80℃,于硅油中进行极化。极化后的水泥基压电复合材料在室温放置24h后进行测试。每种压电复合材料中,PLN质量分数分别为60%,70%,80%,85%。

0-3型水泥基压电复合材料的压电活性主要取决于功能体PLN的含量,图5分别给出了压电应变常数d33和压电电压常数g33与PLN质量分数的关系。由图中可以看出,随着PLN的增加,d33值呈线性增加;当PLN质量分数超过70%时,d33值迅速增大;当PLN质量分数为80%时,值可达25.71PCN-1。当PLN质量分数小于70%时,随着PLN的增加g33值迅速增大,之后增加比较缓慢。主要是由于g33=d33/(εε0),随着PLN的增加,介电常数比压电应变常数增加更快。

图6给出了水泥基压电复合材料的介电常数εr和介电损耗tgδ与PLN质量分数的关系。由图中可以看出:随着PLN的增加,介电常数εr呈非线性增大;当PLN质量分数小于70%时,介电损耗tgδ变化较小,此后急剧增大。

2 1-3型水泥基压电复合材料的制备和性能

1-3型水泥基压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料。这种复合材料集中了各相材料的优点,互补了单相的缺点,具有低声阻抗、低介电常数、高机电祸合系数、低机械品质因数以及柔韧性和压电陶瓷相的可控性等优点[8]。在1-3型水泥基压电复合材料中,由于水泥的柔韧性要好于压电陶瓷相,因此当其受到外力作用时,作用于水泥基体上的应力将有效传递给压电陶瓷相,造成压电陶瓷相的应力放大;同时,水泥基体的介电常数极低,使整个压电复合材料的介电常数大幅度下降。这两个因素综合作用的结果使压电复合材料的压电电压常数g得到较大幅度的提高。更重要的是1-3型水泥基压电复合材料在土木工程领域中不但与混凝土母体具有良好的相容性,而且与混凝土结构材料的界面粘结效果也优于其它智能材料,因此,作为传感材料,1-3型水泥基压电复合材料的综合性能要优于纯压电陶瓷相,是一种在土木工程领域中很有潜力和发展前途的传感材料。

注:d33压电应变常数;ε相对介电常数;tgδ介电损耗;Kp机电耦合常数;Qm机械品质因数;SE11弹性柔顺系数;ρ密度;Tc居里温度

原料:硫铝酸盐水泥,其性能如表1所示;压电陶瓷铌镁锆钛酸铅,简称PMN,其性能如表3所示。图7为PMN压电陶瓷的断口SEM照片。由SEM照片可看出,晶粒大小较均匀,晶粒发育完整、清晰,晶粒尺寸基本在1~5µm,结构致密。图8为PMN粉末的XRD图谱,XRD分析结果说明,PMN粉末已经结晶成钙钛矿相,其衍射峰强度很大且基线很低,说明结晶比较完全。

本研究采用切割---填充法制备1-3型水泥基压电复合材料。首先分别在极化好的PMN压电陶瓷块上,切割长宽高为115mm的一系列陶瓷柱。压电陶瓷柱占复合材料的体积分数分别为:21.31%,2.726%,3.495%,4.72%。用丙酮彻底清洗干净后,用钦酸四丁酷将其浸泡,使其表面具有一定的粗糙度,便于提高水泥基体与压电陶瓷相的界面结合强度。然后将其固定在模具内,放在振动台上。按水灰比为0.28~0.30将水泥充分搅拌后,在不断振动的情况下,将水泥浇注到模具内,为使水泥基体致密度提高,一方面可往水泥基体中加入适量的消泡剂,另一方面也可在浇注水泥后,进行抽真空处理,然后再放在振动台上振动,以消除基体中的气泡和裂纹。将制备好的试样在标准养护箱内(20℃,100%RH)养护28d后,将养护好的水泥基体的上下两个平行表面分别进行打磨,待两面完全露出压电陶瓷柱后,再抛光,用丙酮擦洗试样表面,然后在两面薄薄地均匀地涂上低温导电银浆或真空镀金,在真空干燥箱内烘干lh~2h,千燥温度为80~100℃,即可得到1-3型水泥基压电复合材料。

图9给出了1-3水泥基压电复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33与PMN体积分数的关系。由图中可以看出随着PMN体积分数的增加,d33值呈近似线性增大,当PMN的体积分数为21.31%,复合材料的d33可达到213.5 PCN-1;但是g33随着PMN体积分数的增加确呈下降趋势,与单相PMN的g33相比,复合材料的g33明显要大得多。当PMN体积分数为21.31%时,复合材料的值就高达86.8m VmN-1。正是由于复合材料的g33较大,使得其传感性能大大提高。

图10给出了复合材料介电常数随PMN体积分数的变化曲线。由图可知,随着PMN体积分数的增加,复合材料的介电常数基本呈线性增加

3 结束语

综上所述,本文采用压制成型法和切割---填充法分别制备了0-3型和1-3型水泥基压电复合材料,并通过实验测试了其相关性能发现:

1)对于0-3型水泥基压电复合材料,随着PLN含量的增加,水泥基压电复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33呈非线性增大,只有当PLN含量超过70%时,水泥基压电复合材料才显示出较好的压电性能,当PLN含量达80%时,d33和g33值分别为25.71PCN-1,和28.0210-3VmN-1;随着PLN含量的增加,复合材料介电常数εr和介电损耗tgδ占均呈非线性增大;

2)对于1-3型水泥基压电复合材料,随着PMN体积分数的增加,复合材料的d33值呈近似线性增大,而g33则减小。与单相PMN的g33相比,复合材料的g33明显要大得多,这可大大提高复合材料的传感性能;随着PMN体积分数的增加,1-3型水泥基复合材料的介电常数εr基本呈线性增加。

参考文献

[1]吴人洁.复合材料[M].天津:天津大学出版社,2000.

[2]Zongjin Li,Dong Zhang and Keru Wu.Cement-Based 0-3Piezoelectric Composites.Journal of American CeramicSociety 2002,85(2):305-313.

[3]张东,吴科如,李宗津.水泥基压电机敏复合材料的可行性分析和研究[J].建筑材料学报,2002,5(2):141-146.

[4]张东,吴科如,李宗津.0-3型水泥基压电机敏复合材料的制备和性能[J].硅酸盐学报,2002,30(2):161-166.

[5]张东,吴科如,李宗津.水泥基压电机敏复合材料的逆压电效应[J].同济大学学报,2002,30(3):312-317.

[6]王树彬,韩杰才,杜善义.压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺及其性能研究进展[J].功能材料,1999,30(2):113-17.

[7]李小兵,田漪,李宏波.PZN-PZT压电陶瓷及其PVDF压电复合材料的制备和性能[J].复合材料学报,2002,19(3:)70-74.

水泥基复合浆液 第3篇

1. 水泥基复合材料栅栏片总体设计

铁路防护栅栏片的技术要求为:其设计载荷抗人为破坏力≥1.0k N/m (集中载荷不大于1.0k N) , 抗风压荷载0.6k Pa, 最大抗地震烈度为8度。综合要求为:提供一种兼具自重轻、比强度高、比刚度大、抗老化、无锈蚀、长期使用安全可靠等性能, 综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片, 且适于大批量钢模工厂化生产, 便于运输、安装、施工的纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片。

为达上述目的特将该栅栏片设计为5层对称复合结构, 沿主平面垂直方向由外向内依次为:功能表面层1、强度层2、主体结构层3和强度层2、功能表面层1, 且相同层的材料配方相同。层复合结构是依据各层分别承担的技术功能不同而采用相应的复合材料配方和成型工艺, 经复合而制成的。

各层复合结构的组分材料配比和主要技术性能分别简介如下;

⑴功能表面层1为短切合成纤维和超细针状硅灰石纤维共同增强聚合物改性水泥细砂浆, 并在外侧粘贴合成纤维无纺布共同构成复合材料表面层。其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、高强铁铝酸盐水泥中的一种, 并以其作为计量基准 (w) 与其它组分材料配合。上述两纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料层的基体组分为聚合物改性水泥砂浆, 其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶35∶10∶2∶5∶15。其细集料为粒径0.3㎜的石英粉、石粉、轻砂等无机粉料中一种或混合使用;其功能填料为活化粉煤灰和硅粉 (灰) 中的一种或混合使用;其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸脂乳液等中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比45%~60%;其增强纤维为硅灰石短纤维, 用量为10%~15% (w) , 短切合成纤维为1% (w) , 无纺布用量为1-2层, 不以其质量计;其水用量应综合考虑水灰比、水胶比而定。为了不加大用水量而提高其工艺性, 聚合物改性水泥细砂浆中可添加适量的减水剂、缓凝剂等助剂, 其用量按其使用说明而定。为改善栏片的防水、耐水性, 应加入防水剂, 其用量按其使用说明而定。其功能表面层是用上述纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料采用喷涂工艺与铺覆工艺制成, 其厚度一般3㎜。

性能:本层集短切合成纤维与硅灰石超细纤维混杂增强、抗裂、降收缩, 聚合物细砂浆结构致密、抗渗、防腐蚀、耐磨, 合成纤维无纺布层密封、抗冲击、耐腐蚀和功能填料的诸多技术性能等四大优势于一体, 能同时发挥抗老化层、密封层、耐蚀层、防水层、保护层多种功能, 是保证栅栏片长期安全可靠工作的重要屏障。

⑵增强层2为数层连续纤维网与短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料强度层。其连续纤维网为网孔尺寸5㎜5㎜-10㎜10㎜的耐碱玻璃纤维网或相同网孔尺寸的聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺塑料纤维网中的一种。该网格布的层数根据栅栏片所要求的抗冲、抗折强度和网纤维的拉伸断裂强度计算确定, 一般≥3层。其短纤维为硅灰石纤维, 用量为15%~20% (w) 和长度为5㎜短切合成纤维为1% (w) , 其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的一种, 并以其作为计量基准 (w) , 其聚合物改性剂为聚丙烯酸脂乳液、聚醋酸乙烯乳液等水包油乳液中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比45%~55%。其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶36∶10∶2∶6∶20。其细集料为粒径2㎜的石英砂、碎石粒和功能填料粒径0.3㎜的粉煤灰、硅灰等。轻集料为粒径2㎜的闭孔珍珠岩、浮石颗粒等, 各种粒料均按级配合。其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸乳液等中的一种, 控制其干态用量为3%~8% (w) 和水灰比55%~70%。其用水量和外加剂的使用原则与功能表面层一致, 轻集料的吸水率较大配置前应对其进行预湿处理。该连续纤维增强层是用上述连续纤维、短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料, 采用喷涂工艺、注模工艺或铺覆工艺制成, 其纤维网层数可根据栅栏片所受拉应力由纤维网承担计算得出。

性能:本层为栅栏片的主强度层, 可单独承受由外载荷所产生的全部拉应力, 并通过连续纤维与短纤维协效, 增大其抗挠曲能力, 在减少开裂, 保证密封、抗渗、防腐蚀的同时可有效提高栅栏片抗冲击、抗弯曲强度, 以保障其使用安全。

⑶本体结构层3为短纤维增强轻集料混凝土主体结构。其短纤维为长度15㎜的聚丙烯纤维, 用量为1% (w) 左右。该轻集料混凝土的组成配合比一般为水泥∶轻集料∶聚合物∶短纤维∶水=30∶50∶2∶0.35∶20。其轻集料为粒径3㎜的轻细集料如漂珠、轻砂、闭口珍珠岩等和粒径5~15㎜轻粗集料如球状陶粒、碎石状浮石等, 二者配合使用, 一般轻细集料体积率占35%~50%。其水泥、聚合物、水的使用原则与纤维增强层⑵相同。因轻集料的吸水率较大, 配料前需对其进行预湿处理。水泥外加剂采用既减水又早强、消泡的减水剂, 如AN-2硫酸钠A型减水剂等。

本体结构层3是由上述组分材料配置而成的短纤维增强轻集料混凝土, 控制其坍落度50㎜, 表观密度1500~1800㎏/m³, 抗压强度不小于20MPa, 采用注模工艺或铺覆工艺制成。

性能:以本层为主提供栅栏片所需刚度和抗压强度, 增强短纤维可改善其抗挠曲韧性, 并在满足其力学性能的前提下有效减轻自重, 节省运输、安装成本, 提高栅栏片的性价比。

2. 水泥基复合材料栅栏片成型工艺

实施工艺过程是在模具内按功能表面层强度层主体结构层强度层表面层顺序分层制备, 由五层复合而制成整体栏片。工艺流程见图1

3. 水泥基复合材料栅栏片性能检测

济南铁路物资总公司科技开发中心、济南铁路科技开发中心委托山东省建材工业新型材料检测中心对FRC水泥基复合材料铁路栅栏构件和C30钢筋混凝土铁路栅栏构件分别进行抗弯力学性能检测, 结果如表1所示。两种材料构件的长度相等, 截面积相等, 而成本相当, 经比较FRC构件比C30构件的重量降低30%以上, 而抗弯强度提高30.7%, 使用安全系数≥8, 性能更加安全可靠。

4. 结语

纤维增强水泥基复合材料 (FRC) 及其制品是当今世界工程材料界竞相研发的热点, 新技术、新产品不断涌现。工程实践表明, FRC比钢筋混凝土和预应力混凝土更适于制造承受弯曲、冲击或应力方向不明, 形状比较复杂的制品, 铁路防护栅栏和高速公路护栏就十分适于用FRC制造, 其单位面积重量可比钢筋混凝土制品降低30%以上。而弯曲强度提高20%以上, 使用年限可提高50%以上, 并有效降低维护费用, 综合性价比明显提高, 在防护栅栏应用推广方面具有广阔的前景, 其社会效益、经济效益显著。

注:C30钢筋混凝土栅栏片构件按铁路线路防护栅栏设计图集规范制造

摘要：介绍一种使用年限30年, 采用钢模工厂化预制, 现场拼装组合埋设使用的综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片的高速铁路用纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片研制。

参考文献

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.铁路线路防护栅栏图号:通线 (2010) 8001铁路工程建设通用参考图[Q].北京:铁道部经济规划研究院 (发布) 2010年4月

水泥基复合浆液 第4篇

混凝土的耐久性通常都考虑抗渗性、抗冻性、对环境介质的抗蚀性和碱集料反应。但材料体积稳定性对耐久性的影响却不容忽视。如果体积稳定性不好, 在混凝土浇注完一段时间后, 将由体积变化产生内应力, 当应力达到一定水平的时, 就会在薄弱部位产生裂纹。裂纹的产生将使其力学性能降低, 从而使结构的安全性受到影响。更为重要的是, 裂纹给环境介质的侵入提供了通道, 也就是说因体积变化引起的开裂破坏会加剧以上影响耐久性的各种因素造成的破坏。

超高韧性水泥基复合材料 (UHTCC) 是一种新型的高性能纤维混凝土, 在很多力学性能方面都优于普通混凝土及纤维混泥土。与其它水泥基材一样, UHTCC收缩和限制条件下的开裂性能是影响结构耐久性的一个重要因素, 所以有必要进行深入研究。基于此, 主要介绍了UHTCC的收缩和抗裂性能在国内外的研究情况。

2 UHTCC的干缩性能

在所有收缩变形中, 干燥收缩最容易发生, 且产生的变形量较大, 又是一个长期的行为, 所以也最受研究者的重视。

从微观层次上说, 水泥基材料的干燥收缩变形可归为以下几个方面的变化[1,2]:a.C-S-H凝胶粒子表面能;b.C-S-H凝胶粒子间的斥力;c.毛细管压力。研究表明[2]:当相对湿度在50%到100%之间时, 干缩变形是由毛细管压力和粒子静电排斥力变化造成的;当相对湿度小于50%时, 干缩变形则是毛细管压力、分子之间的范德华力和粒子之间的静电排斥力共同作用的结果。对于ECC, 当相对湿度大于50%时, 收缩变形是由于C-S-H凝胶粒子表面能和粒子之间的静电斥力的变化引起的, 则减小斥力就可以减小干燥收缩。这是因为较小的斥力可以使得C-S-H凝胶粒子在相对湿度为100%的情况下达到平衡状态时的粒子间距较小, 当水泥基材料发生干燥收缩时其宏观变形也就比较小[3]。

很多研究人员对ECC的干燥收缩性能进行了大量的试验研究。Yun Mook Lim等对HPFRCC进行的的收缩性能试验表明[4]:HPFR-CC的干燥收缩率一般较大, 约为普通混凝土的3倍。Mo Li等的研究结果也表明[5]:与普通混凝土和钢纤维混凝土相比, 由于ECC的水泥含量湿度的提高而增大;当相对湿度大于65%时, ECC的湿度扩散系数则高于混凝土。较高的湿度扩散系数使得材料的湿度梯度较小, 因此在材料内部由干燥收缩引起的应力也较小, ECC就不易开裂, 这也对耐久性有利。

3 UHTCC的抗裂性能

水泥基材料的收缩是不可避免的, 但是收缩变形多发生于材料成型的早期, 此时它的的抗拉强度很低, 非常容易发生开裂, 这就在材料的表面或内部形成了原始的裂缝, 为其以后的正常使用造成了隐患。

纤维的加入大大改善了水泥基材料的性能, 有效地解决了材料早期抗拉强度低、易开裂的缺点。研究指出[6]:水泥基材料中纤维的主要作用主要有:a.由于众多乱向分部的纤维, 在水泥基体中形成三维支撑体系, 可以防止骨料下沉, 提高材料的均质性, 减少水分散失, 防止早期塑性开裂。b.减少材料原始缺陷, 改善其抗裂性能。c.纤维使材料早期弹性模量低, 降低拉应力;使材料的早期变形能力增强, 减少早期塑性开裂的概率。d.减少材料表面与内部应力梯度, 应力松弛增大, 残余应力减小。

国外学者对ECC的长期性和耐久性也进行了大量的试验研究。在约束收缩条件下, 由于纤维的桥接作用, HPFRCC的最大裂缝宽度约为混凝土的1/5。Martin B等对ECC进行的约束收缩试验发现[1]:ECC的裂缝宽度大约为30~50μm, 从耐久性的角度看, 裂缝宽度比干燥收缩率更为重要, 因此ECC对裂缝宽度良好的控制能力使它的耐久性要优于普通混凝土;当湿度小于50%时, 低碱水泥的加入可以降低ECC的干缩率、提高其耐久性。M.B.Weimann等研究表明[3]:当相对湿度较低时, ECC的湿度扩散系数与对比混凝土的湿度扩散系数相近, 但都会随相对湿度的提高而增大;当相对湿度大于65%时, ECC的湿度扩散系数则高于混凝土。较高的湿度扩散系数使得材料的湿度梯度较小, 因此在材料内部由干燥收缩引起的应力也较小, ECC就不易开裂, 这也对耐久性有利。

4 结论

UHTCC的干缩应变很大, 但在约束收缩条件下, 裂缝宽度很小, 具有很强的抗裂能力, 这对结构的耐久性非常有利, 因此具有良好的应用前景。

摘要：新近研制的超高韧性水泥基复合材料 (简称UHTCC, 国外称之为ECC) 具有优良的韧性和能量吸收能力, 在直接拉伸荷载作用下表现出应变硬化和多点开裂等特性。国内外研究表明:UHTCC干缩应变大, 但抗裂能力强, 对结构的耐久性有利。

关键词：超高韧性水泥基复合材料,多点开裂,干缩,抗裂能力

参考文献

[1]Weimann M.B.and Li V C.Hygral Behav-ior of Engineered Cementitious Composite (ECC) .International Journal for Restoration of Buildings and Monuments, 2003, 9 (5) :513-534.[1]Weimann M.B.and Li V C.Hygral Behav-ior of Engineered Cementitious Composite (ECC) .International Journal for Restoration of Buildings and Monuments, 2003, 9 (5) :513-534.

[2]Beltzung F., Wittmann F.H.and Holzer L.In-fluence of Composition of Pore Solution onDrying Shrinkage.Creep, Shrinkage and Dura-bility Mechanics of Concrete and other Quasi-Brittle Materials.2001:39-48.[2]Beltzung F., Wittmann F.H.and Holzer L.In-fluence of Composition of Pore Solution onDrying Shrinkage.Creep, Shrinkage and Dura-bility Mechanics of Concrete and other Quasi-Brittle Materials.2001:39-48.

[3]Weimann M.B.and Li V C.Drying Shrinkage and Crack Width of Engineering Cementitious Composites (ECC) .Proceedings of The Seventh International Symposium on Brittle Matrix Composites (BMC-7) , 2003 (10) :37-46.[3]Weimann M.B.and Li V C.Drying Shrinkage and Crack Width of Engineering Cementitious Composites (ECC) .Proceedings of The Seventh International Symposium on Brittle Matrix Composites (BMC-7) , 2003 (10) :37-46.

[4]Yun Mook Lim, Hwai-chung Wu, Li V C.Development of flexural composite properties and drying shrinkage behavior of high perfor-mance fiber reinforced cementitious composites at early ages.ACI Materials Journal, 1999, 96 (1) :20-26.[4]Yun Mook Lim, Hwai-chung Wu, Li V C.Development of flexural composite properties and drying shrinkage behavior of high perfor-mance fiber reinforced cementitious composites at early ages.ACI Materials Journal, 1999, 96 (1) :20-26.

[5]Mo Li and Li V C.Behavior of ECC/Con-crete Layer Repair System Under Drying Shrinkage Conditions.International Journal for Restoration of Buildings and Monuments.2006, 12 (2) :143-160.[5]Mo Li and Li V C.Behavior of ECC/Con-crete Layer Repair System Under Drying Shrinkage Conditions.International Journal for Restoration of Buildings and Monuments.2006, 12 (2) :143-160.

水泥基复合浆液 第5篇

工程用水泥基复合材料 (简称ECC, Engineered Cementitious Materials) 于上世纪90年代问世, 属于高性能纤维增强水泥基复合材料的一种, 是基于微观物理力学原理优化设计, 具有应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型的工程用水泥基复合材料。因其高延性、超高韧性、高阻裂等不同于普通水泥基脆性的特性, 受到业界广泛关注。结合微观结构与断裂力学理论, 研究人员通过对纤维、基体以及界面优化设计, 通过产生细密裂缝来实现假应变硬化的特性。ECC成型工艺多样化, 施工方便, 尤其适用于结构耐久性要求较高的环境。目前在日本, 西方发达国家都有较多成功的工程实践。

2 材料与设计理念

工程用水泥基复合材料组分与纤维增强复合材料类似, 在剔除混凝土中粗骨料的同时, 掺加适量体积的纤维组分 (通常不超过2%) , 能达到具有与铝合金类似的高断裂韧性, 单轴极限拉伸应变可达3%~7%, 甚至在剪切荷载下依然可以保持韧性特征[1]。大量研究表明, 强度高、弹性模量高、伸长率高的柔性合成纤维是理想的选材;纤维的强度与长度需要配合适当, 才能有效达到桥联应力与余能的发挥。目前研究较多的是采用PVA纤维制备的ECC材料。

表1给出了典型的ECC配合比[2]。

IPC小组上世纪70年代将断裂力学引入对纤维增强水泥基复合体系的研究, 为工程用水泥基复合材料的问世奠定了基础。至90年代, 密歇根大学的Li教授与麻省理工的Leung教授结合微观力学与断裂力学的基本原理提出了该材料的基本设计理念。Li教授提出了典型的ECC的设计流程图:

3 ECC材料的力学性能分析

3.1 受压特性

和普通混凝土材料相比, ECC弹性模量偏低, 但压应变能力较大。图2给出了普通混凝土, PVA-ECC与PE-ECC试件的受压应变曲线。两类ECC试件在经过峰值荷载后, 承载能力以相对混凝土缓慢得多的速率持续下降, 且经过峰值后具有类似的下降速率。而在同一个压应变区间, PVA-ECC承受峰值荷载远大于PE-ECC试件, 本例可见PVA纤维对于该水泥基受力的抗阻效果较优, 有希望获得更多的工程应用[4]。

3.2 抗拉特性

大量试验研究表明, ECC单轴受拉时的初裂荷载与素混凝土基本相当, 极限受拉荷载甚至低于素混凝土, 但极限拉应变接近普通混凝土或传统纤维混凝土的几百倍, 表现出超高韧性。可参考图3中示例的应变硬化特征曲线。由于高强、高弹性模量且无毒亲水PVA纤维的作用, 显著地改善了水泥基材料的脆性性质, 同时提高了材料的断裂能, 这对于解决水泥基材料高脆性引发的诸多耐久性问题十分重要。

3.3 弯曲特性

ECC抗弯性能类似于抗拉性能, 表现出超高的韧性以及多缝开裂的特性。采用四点弯曲抗弯性能试验, ECC试件尺寸为304.8mm×76.2mm×12.2mm, 极限挠度达22mm, 是普通混凝土的40倍, 而且变形过程有明显的弯曲-硬化现象[6]。

3.4 抗剪特性

对钢筋混凝土与ECC悬臂梁构件进行的抗剪周期循环试验表明, ECC剪切破坏时出现大量的细微斜裂缝, 类似于延性破坏。抗震结构中, 塑性铰区的能量吸收是耗散地震能的主要途径, 但是在周围塑性混凝土包裹下, 只有极少部分的钢筋能够经历屈服阶段。取消抗剪箍紧, ECC悬臂梁构建实验中仍未出现保护层剥落或爆裂现象, 其滞回环形状饱满, 具有较强的能量吸收能力。图5为剪切试验后的保护层开裂与剥落示意图。

4 ECC耐久性

Lepech博士参与了一个使用ECC进行桥面板的修复工程, 并与混凝土修复进行了对比试验。施工2天后, 混凝土修复部位已经出现300微米宽疑似塑性收缩裂缝, ECC却无肉眼可见裂缝。4个月寒冷天气后, ECC出现了一些宽50微米的微细裂缝, 而混凝土修复部位的裂缝已经裂开至2毫米。4年后, ECC的裂缝保持在50微米, 但混凝土修复局部已经被再次修复。短期和长期的现场观察图片与数据, 如图6所示:

该工程实践较好的证明了ECC在严酷环境下, 与频繁荷载作用下, 仍能够保持较好的抗阻裂性能, 保障了工程的耐久性, 节省了后续维护成本。

5 ECC自修复特性

Li教授等人采用共振频率方法, 研究了自然环境下, 具有微裂纹ECC材料的自我修复特性。最新的进展表明:

⑴ECC自修复不局限于实验室环境, 在自然条件下同样存在, 除非先前荷载使其拉伸变形至0.5%~1.0%, 并伴有较大气温波动。

⑵ECC试件基本都能恢复到95%~105%原先的共振频率值。除此之外, ECC材料的刚度与首次开裂强度都有一定的恢复。

⑶自然环境中ECC材料的自修复程度, 往往取决于温度和降水多少[8]。

6 ECC的工程应用与价值分析

瑞士采用ECC材料对建成仅25年, 就被除冰盐严重腐蚀的立交桥和隧道进行了成功的修复;美国采用ECC对建于1976年, 经反复维修的四跨简支桥混凝土面板进行了彻底的修复[6]。

2005年日本北海道三原大桥建成通车, ECC超高的拉伸韧性和裂缝致密的特点, 使得该桥桥面板很薄, 自重降低40%, 预计寿命100年。同年, ECC桥梁连接板示范工程在美国完成, ECC连接板提供大约1.4%的拉伸变形能力, 远小于ECC实际拥有的变形能力 (3%~5%) 。

以上是ECC应用于大型工程修复与消能减震结构。根据Li教授的研究, ECC在未来主要可应用于三个大的方向:

⑴在高荷载环境中, 抗倾覆性能要求高的结构;

⑵严峻环境中需要高耐久性的结构;

⑶建造效率要求较高的结构[3]。

7 国内外最新的研究动态

目前国内的研究还停留在实验室阶段, 鲜见有ECC工程应用的实例。2006年大连理工大学徐世烺科研团队, 制得拉应变能力0.7%的PVA纤维水泥基复合材料, 拉应变能力仍然偏低, 此时只能算作PVA-FRCC。2006年张君教授报道了极限拉应变能力1.65%且平均裂缝宽度63微米的实验结果, 复合广义ECC对拉伸性能的基本要求。最近, 徐世烺科研团队以及成功配制了多组性能稳定的拉应变能力为3.6%~4.2%的超高韧性水泥基复合材料, 对应极限拉应变时都能呈现多条细密裂缝, 平均裂缝宽度33~90微米[4]。

美国Li教授研究团队, 近年来开展了一系列新尝试。例如用铁尾矿做骨料制备绿色ECC, 用废旧轮胎制备低弹模ECC进行混凝土耐久性修复, 以及ECC在自然环境中微裂缝的自愈合等项目都取得不错进展。

8 ECC的发展前景与展望

在近二十余年, ECC技术取得长足的进展。可以预见, 具备钢铁韧性与混凝土优点的新一代ECC材料将会涌现出来。它们能够满足特殊结构的设计要求;受破坏后能够自愈合;满足结构承载之外的功能需求;对社会、经济、环境而言, 都是可持续的。基于此, 新一代的基础设施将可能涌现更多的特征:即便超强荷载下仍能够保障结构安全, 且很少需要维修;灵活的自适能力;超大规模却没有尺寸效应的缺点;严峻自然环境中仍能无需维修;提升建造效率, 减少不必要的浪费[3]。

国内ECC研发起步较晚, 需要从优质纤维的量化生产, 微观结构理论的深入研究, 以及现场试验做起, 从实验室试验向优质工程实践应用转型。

展望未来, 随着设计理念革新与微观结构学科的进步, ECC或将能够带来更多水泥基复合材料领域的突破。

摘要：工程用水泥基复合材料 (ECC-Engineered Cementitious Composites) 以微观力学与断裂力学为理论支撑, 结合微观结构设计理念, 采用合理工艺与适量纤维组分, 达到超高韧性、阻裂、抗冲击、耐疲劳等普通水泥基材料不具备的特性。本文系统地介绍了ECC的组分、设计理念、力学性能、耐久性、自修复特性、国内外研究进展与工程应用实践。

关键词：工程用水泥基复合材料,力学性能,耐久性,自修复

参考文献

[1]V.C.Li.Engineered cementitious composites for structural applications[J].ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 1998, 10 (2) :66-69.

[2]V.C.Li, Horikoshi T, Ogawa A, et al.Micromechanics-based durability study of polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite (PVA-ECC) [J].Materials Journal, ACI, 2004, 101 (3) :242-248.

[3]Victor C.Li.On engineered cementitious composites (ECC) :A review of the material and its applications[J].Advanced Concrete Technology, 2003, 1 (3) :215-230.

[4]徐世烺, 李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报, 2008, 41 (6) :45-60.

[5]M.B.Weimann, V.C.Li.Hygral behavior of engineered cementitous composites (ECC) [J].Restoration of Buildings, 2003, 9 (5) :513-534.

[6]丁一, 陈小兵, 李荣.ECC材料的研究进展与应用[J].建筑结构, 2007, (37) :94-98.

[7]M.D.Lepech, V.C.Li.Long term durability performance of engineered cementitious composites[J].Restoration of Buildings and Monuments, 2006, 12 (2) :119-132.

水泥基复合浆液 第6篇

聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料(Polyviny alcohol Fiber-Engineered Cementitious Composites,简称PVA-ECC)是一种拉伸变形性能优异的水泥基复合材料,最早是由美国密歇根大学的Victor C Li教授和麻省理工大学的Christopher K.Y.Leung教授于1992年提出来的,是利用断裂力学和微观力学原理,对材料体系进行系统地设计、调整和优化得到的复合材料[1]。PVA-ECC主要用水泥、水泥加填料或者粒径不大于5mm的细集料作为基体,用高强高弹模的PVA纤维作用增强材料的一种复合材料。当纤维掺量为材料体积的2%时,在直接拉伸作用下可实现准应变硬化特征,材料的韧性和抗拉强度可得到很大程度的提高。在直接拉伸实验中,试件从受力开裂到极限破坏过程中可产生多条细密裂缝,裂缝间距仅为1~2mm,裂缝宽度可限制在100μm内[2],极限抗拉应变可达到3%以上,为普通混凝土的100~300倍、钢筋混凝土的10~20倍。

一般的纤维增强砂浆/混凝土,通过在基体中添加低掺量(体积掺量小于1%)的纤维,能够在一定程度上提高水泥基材料的韧性、抗拉强度、变形性能和耐久性[3],但纤维增强砂浆/混凝土在直接拉伸荷载作用下仍会发生应变软化破坏。传统的高性能纤维增强水泥基复合材料是通过体积掺量大于5%的钢纤维来实现材料的高韧性和高抗拉强度的,该复合材料在直接拉伸作用下能表现出明显的准应变硬化特性,但由于纤维掺量太高,必须运用特殊的搅拌和施工工艺。同时,高掺量的钢纤维也加大了工程造价,使应用范围受到限制。

Li和Leung教授提出聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料的设计理论基础后,引起了国内外的普遍重视。国外的研究人员对该材料的基本力学性能和耐久性开展了大量的研究工作,其中包括直接拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗剪性能、断裂特性、收缩性能、抗冲击性能、徐变性能、长期应变能力、抗剥落性、抗疲劳性能、耐磨性、自愈合能力、抗渗透性能、抗冻融循环能力、耐腐蚀能力、耐湿热老化性能等。为满足不同工程需要,国外还开发了具有特殊性能和制备工艺的ECC,如喷射ECC、自密实ECC、挤压成型ECC、轻质ECC、绿色ECC、防水ECC、早高强ECC、被动智能自愈合ECC等。另外,在ECC的运用上,国外的研究人员也展开了一系列的研究工作,ECC已在国外部分工程上得到成功运用,并取得很好的效果[4]。

近年来,国内很多学者和科研团队都陆续开展了ECC材料的研究工作。2000年大连理工大学徐世烺等开始了超高韧性水泥基复合材料的研究工作[4~5];2001年前后,清华大学张君教授也开始了相关研究[6]。另外,北京工业大学邓宗才教授[7]、东南大学孙伟教授等[8]、哈尔滨工业大学罗百福[9],西安建筑科技大学和青岛理工大学合作的研究团队[10]、内蒙古工业大学白建文[11]、北京交通大学黄广华[12]、合肥工业大学詹炳根[13]、中冶建筑研究总院的丁一和陈小平等[14]也先后对PVA-ECC展开了研究工作。由于我国PVA-ECC研究的起步较晚,目前的研究主要集中在材料基本力学性能上,部分科研单位开始了ECC材料的耐久性及构件性能研究。

由于起步较晚,国内对PVA-ECC的研究仍有许多问题需要解决,其中以优质(性能满足ECC的要求)PVA纤维的国产化和直接拉伸实验方法的研究最为迫切。

(1)优质PVA纤维的国产化问题

目前,国内生产的PVA纤维性能不及国外,还不能满足ECC对纤维的要求。故国内的研究中多采用日本可乐丽公司生产的REC-15纤维及日本尤尼吉可公司生产的PVA纤维,其价格昂贵,每m3ECC中PVA纤维的价格达250美元[12]。要实现ECC生产的本土化及在国内工程上的运用,必须首先解决优质PVA纤维的国产化问题。

(2)直接拉伸实验方法问题

直接拉伸实验是验证ECC材料是否具有应变硬化特性最直接有效的试验方法。目前,我国ECC直接拉伸实验没有统一的标准,各研究单位在PVA-ECC直接拉伸实验时采用的均是自定方法。为了ECC材料的长远的发展,非常有必要统一ECC的直接拉伸实验方法,并制定相关实验标准。

1 PVA纤维研究进展

聚乙烯醇纤维(Polyvinyl alcohol fiber简称PVA纤维)也称维纶纤维,是以高聚合度的优质聚乙烯醇为原料,采用特定的技术加工而成的一种合成纤维,其主要特点是高强、高弹模、低拉伸度、耐磨、抗酸碱好、耐候性好,与水泥石膏等基材有良好的亲和力和结合性,且无毒、无污染,对人体无害,属新一代的高科技绿色建材。

PVA纤维于1924年由德国的Hermann和Haehnel利用聚醋酸乙烯醇解得到聚乙烯醇,并运用干法纺丝制得后[15],在研究和生产方面都得到了很大发展。2000年,日本可乐丽公司运用高新纺丝技术成功开发了高强PVA纤维,其强度可达21.1c N/dtex(约相当于2690MPa),当年总产量就达到了2.5万t。该公司开发的K-Ⅱ高强高弹模PVA纤维的强度达22c N/dtex(约相当于2800MPa),已成为有机高强高弹模纤维的第二大品种[16]。

我国自20世纪60年代初从日本引进全套PVA纤维生产技术和设备以来,在PVA纤维的生产上已达到一定的规模,但目前的生产技术仍较落后。如PVA纤维纺丝方法主要有湿法、干法或熔融法和凝胶纺丝法,而我国的生产方法基本仍为湿法纺丝和含硼碱性芒硝纺丝法,干法纺丝和聚醋酸乙烯醇解直接纺丝还未实现大规模工业化生产[17]。国内生产的PVA纤维与国外产品相比,性能上还有一定差距。国内外部分PVA纤维产品性能见表1。

由表1可见,相比于日本生产的PVA纤维,国产的PVA纤维直径较小,抗拉强度、弹性模量等性能也有一定的差距。

国产PVA纤维在水泥基材料中的应用已有相关的实验研究,并取得了满意的效果[18~20],能有效改善混凝土的早期开裂,增韧效果显著,并可提高混凝土的抗拉强度和抗冲击性能,但上述结果都是在纤维体积掺量较低(一般低于1%)情况下才得以实现的,效果有限。试验表明,当PVA纤维的掺量达到基体体积的2%时,国产PVA纤维不能成功制成具有应变硬化特征的ECC。早前,东南大学的刘小泉[8]在配制ECC时,采用了国产PVA纤维,结果PVA-ECC出现了结团现象,比掺同掺量的国外PVA纤维流动性差,在进行PVA-ECC四点薄板抗弯实验时,试件未出现应变硬化特性,在出现第四条裂缝时,试件破坏。采用进口PVA纤维,则成团现象不明显,流动性良好,试件出现应变硬化特性,试件最后出现多条裂缝。

针对国产PVA纤维不能成功配制出ECC的问题,需要从ECC对PVA纤维要求的角度来探讨原因。ECC是在微观力学的基础上进行设计得到的,纤维参数包括抗拉强度、弹性模量、伸长率、长径比、界面摩擦粘结强度等,这些参数对ECC是否产生应变硬化特性起重要作用。由ECC理论纤维桥接法则[21]可知,纤维产生的开裂桥接应力σcb在理论上可以表示为纤维特性、基体特性、纤维/基体的界面特性以及裂缝张开位移δ的函数,即:σcb=func(δ;纤维特性;基体特性;纤维/基体界面特性)。

纤维抗拉强度方面,根据微观力学模型预测[22],如纤维的抗拉强度低于1000MPa,那么在化学粘结强度较低的情况下,其对应复合材料的余能仍会保持非常普通;而在高化学粘结强度的情况下,其余能不仅没有提高,反而会变得更低,这不利于准应变硬化特性的实现。

在纤维的弹性模量方面,Zhang和Li的研究表明[23],纤维的高弹性模量有助于降低纤维在基体中的强度损失。在纤维的伸长率方面,日本的研究表明[22],高的纤维伸长率可减小纤维在基体中的强度降低系数,有利于纤维强度的充分发挥。在纤维长径比和纤维与基体的界面摩擦粘结强度方面,从细观力学角度分析,对一定强度的增强纤维,其长度、断面尺寸及其与水泥石的粘结强度之间存在一个最佳的匹配关系[24],当纤维的长径比小于临界值时,长径比的增大,能同时提高材料的抗拉强度和变形能力;当长径比大于临界值时,会使基体中的纤维在受拉时不被拔出,而是发生断裂[25],这会使材料的抗拉强度增大,不利于材料的变形,即试件会发生明显的应变软化特征,而不能发生应变硬化特征。由于PVA纤维属亲水性纤维,纤维与水泥基基体间存在很强的化学粘结,同时亦存在摩擦粘结,材料破坏时属纤维断裂型。为提高复合材料的准应变硬化性能,应使化学粘结强度尽量低,并将摩擦粘结强度控制在一定的范围内[5]。

由上面的分析可知,若想PVA-ECC在直接拉伸作用下发生应变硬化特性,理想的纤维特性应满足下面的条件[26]:抗拉强度>1000MPa,抗拉应变>3%,弹性模量>30GPa,密度<2g/cm3,纤维的体积掺量<2%,直径30~50μm;且需要抗腐蚀,在水泥基体中化学性稳定,与水泥基体的界面摩擦粘结强度为3~6MPa,化学粘结力较小。

由以上ECC对PVA纤维性能的要求看,国产PVA纤维若要满足PVA-ECC所要求的高强高弹模,仍存在两个主要问题:

(1)直径较小。直径小则长径比就大,当长径比大于临界值时,基体中的纤维在拉伸往往被拉断而不是被拔出,这就使材料的抗拉强度增大,出现明显的应变软化与单点开裂特征。文献[24]对2种性能相似、直径不同的聚乙烯醇(PVA)纤维增强的水泥基复合材料进行了轴心抗拉试验,结果表明,在基材配合比、纤维掺量均相同时,直径较大(39μm)的PVA纤维复合材料可获得应变硬化与多点开裂模式,其极限抗拉应变可达到2.6%;而采用直径较小(15μm)的PVA纤维却表现出明显的应变软化与单点开裂模式,其极限抗拉应变仅为0.1%左右。另外,直径较小也会导致纤维的分散困难。国产PVA纤维直径仅为国外纤维的1/3~1/2,即同样纤维长度和掺量时,国产纤维根数约是国外纤维根数的4~9倍,故国产PVA纤维比进口PVA纤维更难分散到基体材料中。

(2)未进行有效的表面处理。表面处理对纤维在基体中的分散性起重要作用,国产PVA纤维表面在生产过程中一般仅经过简单的油剂处理或未经处理,而进口PVA纤维表面是经过特殊处理的。虽然经过油剂处理的国产PVA纤维在低体积掺量(一般<1%)时不存在分散性的问题,但体积掺量达到2%时,搅拌过程中经常会出现结团现象,影响材料的流动性,进而严重影响材料的力学性能。另外,只有在PVA纤维与基体界面的化学粘结强度很小时,才能保证基体中的PVA纤维在拉伸时被拔出而不发生断裂。国产PVA纤维表面未经过处理或处理不足导致了PVA纤维和基体化学粘结力过大,使得材料中的PVA纤维在受直接拉伸时出现断裂,从而不能使PVA-ECC发生硬化应变特性。

对于纤维的分散性问题,国内研究人员主要是对材料的搅拌方法进行改善。大连理工大学李伟在硕士论文中总结了目前国内既有的搅拌方法,并在此基础上通过试验对PVA-ECC的搅拌方法进行研究,得到了能使纤维分散均匀的搅拌方法[27]。但此方法主要是针对日本可乐丽公司生产的PVA纤维而进行的。对于国产PVA纤维,其在基体材料中高掺量(体积比为2%)时的分散性问题仍有待研究。笔者所在团队对上述问题进行了尝试性试验,主要是参考砂浆干混技术,将纤维和基体材料在砂浆干混机里共同搅拌,使纤维先均匀分布在干的基体材料中,再将搅拌均匀的材料放到水泥胶砂搅拌机中加水和减水剂,进行二次搅拌。采用的砂浆干混机中加入了能发生横向旋转的刀片,该刀片可使材料在干混机中搅拌时能发生横向旋转,使纤维能更好地分散到基体材料中。使用此搅拌方法,国产PVA纤维掺量能到达2%而不出现结团现象。

上述搅拌方法虽然解决了纤维在基体材料中的分散性问题,但还存在着不足之处。首先,高掺量纤维同样会降低流动性,需要添加较多的减水剂才能得到较好的流动性;其次,砂浆干混机中刀片在高速旋转过程中是否会对纤维表面造成损伤,砂对纤维的摩擦是否会对其表面造成损伤,从而影响纤维对基体材料的增韧效果等问题还需进一步的试验验证。

2 ECC直接拉伸试验方法

ECC材料在直接拉伸作用和弯曲作用下,具有明显的准应变硬化特征,出现多条细密裂缝。一般纤维混凝土在弯曲作用下也能出现明显的准应变硬化特征,但在直接拉伸作用下则表现出应变软化特征。此外,直接拉伸试验可以同时给出ECC材料的拉伸弹性模量、初裂强度、初裂应变、极限抗拉强度、极限拉应变和极限裂缝宽度等参数。所以,直接拉伸试验无论是对ECC是否为应变硬化材料的验证方面,还是在给出结构设计参数等方面都起着重要作用[27]。

目前,对ECC进行直接拉伸试验时,试件一般被制作成板状结构,通常采用外夹式试验方法,个别使用粘贴式试验方法。国际上流行的薄板形试件主要有哑铃形和矩形两种,日本采用哑铃形试件进行直接拉伸试验[28],美国采用矩形薄板试件进行直接拉伸试验[29]。这两种实验方法均可同时给出ECC材料的拉伸弹性模量、初裂强度、初裂应变、极限抗拉强度、极限拉应变和极限裂缝宽度等参数,能准确测试出ECC材料的抗拉性能。国内科研单位对ECC进行直接拉伸试验时,很多都是直接采用上述二种方法,或在两种方法基础上进行改进。

大连理工大学徐世烺教授[28]采用的直接拉伸实验方法就是在美国方法基础上改进的。试件采用矩形平板状,尺寸为15mm50mm350mm,使用钢质模具成型,单层浇筑,成型后在振动台上振捣约1min,抹面后加盖塑料膜,24h后拆模,随后放入湿度90%以上,温度20℃±2℃的养护室进行标准养护,28d取出,放在室内环境下养护至56d。为保证试验机的夹持力均匀地施加到夹持面上,试件在试验之前通过砂轮、数控磨床或其它有效措施将试件浇筑面磨平,厚度偏差控制在±0.02mm。试件两端变形监测区以外100mm长度范围内粘贴纤维布,在纤维布的外面使用环氧树脂粘贴70mm的铝板,过12~24h,待胶水固化达到一定强度后便可进行直接拉伸试验。该试验采用LVDT测试仪来测定试件的变形,使用快速硬化胶水粘贴位移计固定架,保证固定架朝向试件中央一端并与变形监测区边界线对齐;采用100k N带有液压夹头的MTS810试验机,整个试验过程保持加载速率0.1mm/min,用IMC动态采集系统记录整个加载过程中试件上150mm变形监测区范围内的变形及相应荷载。

清华大学张君教授[6]所做的ECC单轴直接拉伸试验,采用了150mm75mm15mm长方形板状试件,试模由水泥胶砂抗折强度的三连模改装而成。试件分两层浇注,浇注一半后振动1~2min,以确保材料密实,然后以同样的方式浇入剩余的一半。浇注完成后将表面抹平并覆盖一张聚乙烯膜以防水分蒸发。在室温下养护24h拆模,放入20℃±2℃的标准养护室进行水养,至7d或28d。试件加载前在两侧粘贴50mm40mm1.0mm的铝板,6h后进行抗拉强度试验。试验机为美国产MTS810材料实验机,变形测量采用在试件的两侧分别夹引伸计。试验装置如图1所示。

同济大学王晓刚等[30]做的ECC直接拉伸试验采用了哑铃形和有胫形。其中,胫形直接拉伸试验用的是粘贴式拉伸方法,试件厚度为40mm,几何尺寸见图2,试验时用快硬胶将试件两端分别粘在围栏形试验机夹头中间。哑铃形直接拉伸试验与日本采用的方法相似,即在试件两端用自粘性铝箔包裹后夹紧在试验机上进行拉伸,如图3所示。

北京工业大学邓宗才教授[7]做的ECC单轴直接拉伸试验,采用了尺寸为12mm40mm160mm长方体试件。试件成型24h后拆模,放入标准养护室养护28d,试验前3h拿出试件晾干。加载前在试件两侧粘上50mm40mm1.0mm的铝板,采用美国产MTS810材料试验机进行试验,试件的变形通过在试件两面安置标距为50mm的引伸计测定,采用计算机采集位移、应变和承载力数据。

以上各直接拉伸实验中,外夹式试件一般在夹持处容易产生应力集中,断裂易发生在试件夹持部位。为克服该问题,日本学者采用了变截面试件,即哑铃形试件,该试件对模具的要求高,需要特别加工;美国学者采用了在试件两端粘贴铝片的方法,来减轻试件两端的应力集中。大连理工大学的试验还在试件两端粘贴了纤维布,以进一步减轻应力集中现象。该方法在试验前准备工作较多,要求试验者有足够的试验经验,首先,试件厚度由纤维长度决定,应略大于纤维的长度;另外,应保证试件表面的平整性,以确保试验机的夹持力均匀地施加到夹持面上。

对于试验结果的处理,初裂强度、初裂应变、极限抗拉强度、极限拉应变等数据可通过应力应变曲线得到,弹性模量可通过相关公式计算得到。试件的裂缝数量和平均极限裂缝间距可采用美国或日本的方法,其中,平均极限裂缝间距=变形监测区长度/试验结束后试件上贯穿整个横截面的裂缝的条数;平均裂缝宽度=极限拉应变变形监测区长度/试验结束后试件上贯穿整个横截面的裂缝的条数,但必须注意的是在两者的计算过程中均忽略了未开裂区域的弹性伸长。

综上所述,笔者在对PVA纤维增韧水泥基复合材料进行直接拉伸试验时,在以上试验方法的基础上,参考环氧树脂砂浆的抗拉强度试验方法(DL/T5193-2004),提出了操作较为简便的试验方法。试件及试验方法见图4和图5。本试验方法主要是对试件进行了改进,采用了中间部分适当延长的8字型试件。该试件在环氧砂浆拉伸试验采用的8字型试件基础上进行了改进,使试件中间有一段截面相同的区段,该区段的截面是试件中最小的,要求受力均匀,以保证ECC在直接拉伸试验时能在该区段发生初裂和稳态开裂。另外,考虑到纤维是三维分散,该截面采用了边长为25mm的正方形,以使试验结果更接近实际情况。

试件采用专用拉伸拉头,通过两头突出的两翼来传递拉力,并在拉力区到受力均匀区采用平滑的过渡,以避免试件在拉伸时发生应力集中而断裂。拉伸拉头通过球铰接,能自动调节试件拉伸时处于同一条轴线上,以保证试件的轴心受力。

本试验方法与前述外夹式和粘结式直接拉伸试验方法不同之处是避免了外夹式试件出现的应力集中现象和粘结式试件出现的偏心受拉情况。且该方法简单易行、操作简便,无需在试件表面贴纤维布和铝片等。采用本方法需要注意的是,试件两头的受力能否平滑过渡到试件的中间区域是试验成功的关键,若该区段设计不好,试件在受拉时会在此处发生应力集中而破坏。试件的成型对模具要求较高,模具要求有一定的精度。该方法在初步试验时效果较好,但仍需进一步的验证。

3 结语

水泥基复合浆液 第7篇

超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Tough-ness Cementitious, 简称UHTCC) 是一种具有应变硬化、超高延性和韧性、细密多裂缝开裂机制的纤维增强水泥基复合材料[1],UHTCC材料在纤维体积掺量为2%时即可在单轴拉伸荷载作用下表现出应变硬化的特性, 并出现垂直于受力方向的细密裂缝。该材料表现出超高的延性,其极限拉应变可达2%~6%,是普通混凝土开裂应变的200 倍以上[2]。 近十几年来, 国内外学者对UHTCC的材料性能以及工程应用进行了大量的研究, 结果表明UHTCC具有优越的抗渗性能[3]、耐久性[4]等特点。 另外,由于该材料抗压强度及弹性模量与普通混凝土相近,并且与钢筋及混凝土黏结性能较好[5], 使其在现代混凝土结构中有着广阔的应用前景。 然而,作为UHTCC主要成分的PVA纤维依赖进口, 这就使得同样体积的UHTCC造价约是混凝土造价的10 倍。 近几年,有学者尝试利用国产PVA纤维制备UHTCC, 但仍存在延性和强度相对较低等问题[6,7]。

UHTCC作为一种水泥基复合材料,具有明显的多尺度结构特征,包括由凝胶孔和水泥水构成的微观结构、由孔洞缺陷及石英砂等构成的细观结构以及由水泥基体和PVA纤维构成的宏观结构[8,9]。UHTCC的多尺度破坏过程可以描述为以下过程:基体内部微观首先开裂演变为细观裂纹, 细观裂纹最后汇合形成宏观裂缝。 当宏观裂纹发展到一定程度时,PVA开始限制宏观裂缝发展使得UHTCC呈现多裂缝开展模式,最终某一截面纤维拉断,材料最终破坏。 如果能在UHTCC中基体微观开裂演变为细观裂纹阶段即进行阻裂设计, 使得UHTCC在微裂纹发展阶段和宏观裂缝开展阶段均得到有效抑制, 对于UHTCC的性能提高以及节约造价等方面具有重要意义。 近十几年以来,国内外学者已经开展了不同尺度纤维增强水泥基复合材料的探索,如碳纳米管、PVA纤维、钢纤维等[10,11,12],但是微纤维(如碳纳米管等)的价格一般较为昂贵,限制了此类材料的研究和应用。

基于上述情况, 本文在UHTCC已有的研究基础上,采用生产成本约1000 元/t的廉价碳酸钙晶须对UHTCC进行改性, 提出多尺度工程水泥基复合材料(MS-UHTCC)的设计概念,并进行了材料宏观力学性能测试。

1 试验过程

1.1 原材料与配合比

本研究所用原料:水泥(P·O 42.5R)、石英砂、粉煤灰、 国产PVA纤维、 进口PVA纤维及碳酸钙晶须。 原材料的性能和化学成分如表1 和表2 所示。

晶须的宏观和微观形态见图1。 为研究PVA类型、PVA的掺量、 晶须的掺量对MS-UHTCC的影响,基体砂胶比取0.35,水胶比统一取0.30,粉煤灰掺量与水泥用量质量比为3[13]。 为保证基体具有良好的和易性, 聚羧酸减水剂的用量(减水剂用量与水泥用量质量之比)为0.5%[14]。 16 组MS-UHTCC基体中纤维的体积掺量和用量如表3 所示。

%

1.2 试验流程

MS-UHTCC的搅拌顺序见图2,采用跳桌试验测试新拌混合物的工作性能,16 组MS-UHTCC的流动性均控制在200mm左右, 表明流动性较好[15]。装模后, 各试件在振动台上振动30s, 随后按照ISO679—2009[16]标准放入标准水泥养护箱中养护24h,拆模并继续养护至28d, 取出测试。 采用70mm×70mm×70mm标准立方体试件测试抗压强度, 试验设备为30t液压伺服压力试验机, 加载方式为力加载,加载速度2.4 k N/s[16]。 参考JSCE—2008[17],单轴拉伸试件采用厚度为13mm的标准狗骨试件测试MS-UHTCC的抗拉性能,标准狗骨试件的尺寸见图3。 试验设备为MTS-CMT4204 型电子万能试验机,加载方式为位移加载,加载速度0.01mm/s,加载装置见图4。

2 试验结果与讨论

2.1 抗压强度

16 组MS-UHTCC的抗压强度试验结果见图5,其中图5(a)为Kuraray纤维制备的MS-UHTCC,图5(b)为国产PVA制备的MS-UHTCC。 比较KB0 与KAO可知,PVA掺量的降低导致材料抗压强度降低。 比较KB0 与KB2 可知,PVA体积掺量为1.75%时,2%体积掺量碳酸钙晶须的掺入使材料的抗压强度提升了12% , 表明晶须掺量的增加有利于UHTCC的抗压强度。 比较KC0、KC2、KC4 可知,在PVA体积掺量为1.5%的情况下,晶须的掺入有利于增强材料的抗压强度,但比较KC4 与KC6 可发现,在晶须体积掺量从4%增加到6%时,抗压强度反而略有降低,这是因为晶须比表面积较大,容易团聚,掺量过多会造成一定的“晶须毒性”,不利于抗压强度的提升[18]。 分析图5(b)可知,国产皖维纤维制备的MS-UHTCC具有同样的趋势, 随着PVA掺量逐渐降低,纤维随着晶须的掺量逐渐增加,抗压强度逐渐提高, 掺2%晶须UHTCC的抗压强度增幅约10%,掺4%晶须UHTCC的抗压强度增幅约18%。

这主要是因为晶须体积较小而长径比较大,在微观尺度上对UHTCC基体存在填充作用和桥接作用, 作用机理与晶须增强水泥砂浆相同。 晶须对UHTCC抗压强度的提高作用效果与掺加硅灰等填料类似,但作用机理却不同。 两者都对基体起到了填充的作用,但是硅灰具有火山灰活性,参与水化过程, 使得PVA纤维与基体的黏结增强, 不利于PVA纤维从基体中拔出, 使得UHTCC的稳定性较差[2]。 而晶须作用机理是从微观层次对基体产生物理桥接作用,不会增加PVA纤维与基体的化学黏结作用, 是在不影响UHTCC稳定开裂的前提下,对UHTCC基体的物理增强。

2.2 单轴拉伸性能

三组配比的单拉曲线如图6 所示。

从图6(a)可以看出,KAO、KBO以及KB2 由于采用了进口Kuraray纤维,纤维表面经过涂油处理,因此,三条曲线均具有较高的延性。 KA0 是PVA掺量为2%的典型UHTCC单轴拉伸曲线,具有明显的应变硬化行为,极限拉应变为4.8%,极限抗拉强度为5.8MPa。 KB0 配比是在KA0 配比基础上,将PVA体积掺量降低至1.75%,由图6(a)可以看出,KB0依然具有明显的应变硬化行为, 极限拉应变为3.9%,极限抗拉强度为4MPa,相对M1 有明显的减弱。 这是因为PVA体积掺量的降低,使得同一截面乱向分布的纤维量较少,纤维桥接作用减弱,材料的延性和抗拉强度均减弱。 KB2 配比是在KB0 配比的基础上增加2%体积掺量的碳酸晶须, 由图6(a)可以看出,KB2 的极限拉应变和抗拉强度较KB0 均有较明显的增加,极限拉应变达到5.8%,甚至超过KA0 配比的抗拉强度, 表明晶须的掺入可以提高UHTCC的延性和抗拉强度, 并可以部分取代PVA纤维。

图6(b)为PVA体积掺量1.5%时,不同晶须体积掺量对MS-UHTCC的影响。 由于PVA体积掺量偏小,KC0 的极限拉应变仅为1.6%, 极限抗拉强度为2.6MPa, 与KA0 及KB0 相比均有明显降低,但KC0 依然具有应变硬化的力学特征。 KC2 极限拉应变为4.8%,极限抗拉强度为3.7MPa,相比KC0 具有明显提高。 如果在KC2 的基础上继续增加晶须掺量,可以发现材料的极限抗拉强度和极限拉应变均有降低,这是因为晶须比表面积较大,容易聚团,掺量过多会造成一定的“晶须毒性”。

图6(c)为国产PVA体积掺量2%时,不同晶须掺量对材料的影响。相比图6(a)和图6(b), 图6(c)中的曲线应变硬化趋势较小,曲线 “锯齿”量降低,表明材料的裂源较少。这是因为国产PVA纤维没有经过表面处理,PVA中的羟基与基体具有较强的结合力, 因此,PVA纤维在基体中不易拔出, 不利于UHTCC材料的稳定开裂。 WA0 的极限拉应变为1.6%,极限抗拉强度为3.3MPa,表明利用国产PVA纤维配制UHTCC具有一定的可行性。 WA2 是在WA0 的基础上增加2%体积掺量的晶须, 从图中可以看出,WA2 的极限拉应变为2.2%,极限抗拉强度为4.1MPa,相比WA0 均具有明显提升,表明晶须对国产PVA-UHTCC同样具有提高延性和强度的作用。 WA4 相比WA2,极限抗拉强度和极限拉应变均有一定程度降低,这同样也是因为“晶须毒性”的作用,因此,对国产PVA掺量为2%的UHTCC,晶须的合理体积掺量为2%。

图6(d)为国产PVA体积掺量1.75%时,不同晶须体积掺量对材料的影响。相比图6(c),由于PVA体积掺量降低,材料的延性和抗拉强度均有一定程度的降低。WB0的极限拉应变为1.3%,极限抗拉强度为2.8MPa。WB2 是在WB0 的基础上增加2%体积掺量的晶须,从图中可以看出,WB2 的极限拉应变为1.6%,极限抗拉强度为3.8MPa, 相比WB0 均具有明显提升。WB4 相比WB2,极限抗拉强度和极限拉应变均有一定程度降低, 因此, 国产PVA掺量为1.75%的UHTCC,晶须的合理体积掺量为2%。

图6(e)为国产PVA体积掺量1.5%时,不同晶须体积掺量对材料的影响。 相比图6 (d), 由于PVA体积掺量降低,材料的延性和抗拉强度均进一步降低。 WC0 的极限拉应变为0.6%,极限抗拉强度为2.5MPa。 WC2 是在WC0 的基础上增加2%体积掺量的晶须, 从图中可以看出,WC2 的极限拉应变为1%,极限抗拉强度为3.5MPa,相比WC0 均具有明显提升。 WC4 相比WC2,极限抗拉强度和极限拉应变均有一定程度降低。 日本土木工程学会颁发的《具有多缝开裂特征的高性能纤维增强水泥基复合材料设计与施工建议》中只要求该复合材料的拉应变能力大于0.5%[17],因此,用1.5%的国产PVA纤维和2%晶须制备的MS-UHTCC满足工程要求。

典型试件的裂缝破坏模式如图7 所示。 由图可见,KC0 试件同时存在一条主裂缝以及部分微裂缝,而KC2 裂缝分布相比KC0 更为均匀全面,表面KC2 的多裂缝开展程度更高。 WA0 试件存在一条主裂缝而微裂缝较少,WA2 相比WA0 裂缝分布的更加细密,但仍未达到全面分布,主要集中在上部区域。 裂缝的发展模式表明:1进口PVA纤维更加有利于UHTCC的多裂缝开展机制;22%体积掺量的晶须使试件的裂缝分布更加均匀细密。

由上面的分析可知,用廉价晶须部分取代PVA纤维具有可行性, 晶须的掺入可以提高UHTCC的延性、强度并使得裂缝开展的更加细密,分布更加均匀。 这是因为MS-UHTCC中存在PVA及晶须这两种不同尺度的纤维,晶须在一定程度上阻止了基体内部微观开裂演变为细观裂纹,而PVA纤维主要用于抑制细观和宏观裂缝。 当MS-UHTCC受力开裂时,裂纹由微观层次产生,晶须在微观尺度首先起作用,阻碍裂缝的发展,根据基体强弱的不同存在三种作用机理,即晶须拔出、裂纹偏转以及裂纹冲断[19],这三个过程都伴随着裂纹尖端场能量的耗散,如图8 所示。 细观裂缝和宏观裂缝是由微观裂纹的拓展和合并而成,由于晶须对微观裂纹的阻裂作用,MS -UHTCC中的细观和宏观裂纹比普通UHTCC少, 即使PVA体积掺量不足2% 时,MS -UHTCC依然可以表现出很好的应力硬化和多裂缝开裂的行为。

其次, 晶须的掺入使得基体与纤维界面增加,因此MS-UHTCC的总孔隙率相比普通UHTCC会增加。 但由于晶须处于微观尺度,孔隙主要分布在微细观层次,减少了大缺陷产生的可能,因此,晶须的掺入会优化基体的孔隙分布[20]。 在UHTCC基体中,孔隙作为初始缺陷存在,对于UHTCC的稳定性具有重要意义, 晶须的掺入优化了基体的孔隙分布,使得UHTCC的开裂裂源增加,延性、抗拉强度得到提高[21]。

3 结论

(1)碳酸钙晶须、聚乙烯醇(PVA)纤维形成多尺度工程设计水泥基复合材料(MS-UHTCC)具有可行性,MS-UHTCC具有受拉应变硬化和多裂缝开展的机制。

(2)碳酸钙晶须的微观增强和微观阻裂作用使得MS-UHTCC具有更高的强度和延性。