夏正兵

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院(南通)建筑工程學(xué)院,江蘇南通226006)

MS-UHTCC水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性的試驗研究

夏正兵

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院(南通)建筑工程學(xué)院,江蘇南通226006)

高強混凝土在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，然而高強混凝土早期熱變形和自收縮變形很大，當(dāng)這種變形受到約束的時候，會產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致開裂。實際工程中，混凝土總是處于鋼筋和相連構(gòu)件的約束狀態(tài)下，因而易于發(fā)生早期開裂。采用廉價碳酸鈣晶須對UHTCC進行改性研究，結(jié)果表明：晶須的摻入可提高UHTCC的抗壓強度、延性及抗拉強度,MS-UHTCC在單拉作用下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化行為和多縫開裂模式，利用碳酸鈣晶須和國產(chǎn)PVA配制廉價MS-UHTCC具有可行性。

配筋；高強混凝土；力學(xué)性能

0 引言

UHTCC是一種水泥基復(fù)合材料，使用短纖維增強，一般纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的2.5%，其明顯結(jié)構(gòu)特征為多尺度，包括由凝膠孔、水泥水、孔洞缺陷、石英砂、水泥基體、PVA纖維等構(gòu)成。近年來，國內(nèi)外專家已經(jīng)在很多方面開展研究和探索，如PVA纖維、碳納米管、鋼纖維等[1]，這些材料的微纖維價格都較為昂貴，因此無法推廣應(yīng)用。

MS-UHTCC是一種纖維增強水泥基復(fù)合材料，它具有超高延性和韌性、應(yīng)變硬化、細密多裂縫開裂機制等特點[2]，該材料在纖維體積摻量為1.8%左右時，在單軸拉伸荷載作用下即可以體現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，同時出現(xiàn)細密多裂縫開裂。另外，該材料有超高的延性，極限拉應(yīng)變最高能達到6%，為普通混凝土開裂時應(yīng)變的250倍以上[3]。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對UHTCC材料的力學(xué)性能進行了很多研究，并且在部分工程中進行了應(yīng)用，實踐證明UHTCC具有抗?jié)B性能好、耐久性強等優(yōu)點，其抗壓強度及彈性模量的參數(shù)與普通混凝土接近，因此與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能強。但是，UHTCC材料的主要成分——PVA纖維完全需要進口，其造價約為混凝土材料造價的12～15倍。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，采用生產(chǎn)成本約1 000元/t的廉價碳酸鈣晶須對UHTCC進行改性，提出多尺度工程水泥基復(fù)合材料(MS-UHTCC)的設(shè)計概念，并進行材料宏觀力學(xué)性能測試，結(jié)果表明：MS-UHTCC相比普通UHTCC材料力學(xué)性能改善顯著，晶須的摻入可以明顯提高UHTCC的延性和強度，利用碳酸鈣晶須和國產(chǎn)PVA纖維制備廉價UHTCC具有可行性。

1 試驗過程

1.1 材料的準備及配比

本試驗采用的原料有水泥(42.5級的普通水泥)、石英砂(精細)、粉煤灰(國產(chǎn))、PVA纖維(國產(chǎn))、PVA纖維(進口)等。原材料的性能及化學(xué)成分分別見表1和表2。

表1 原材料性能

表2 原材料主要化學(xué)成分 %

圖1 晶須宏觀形態(tài)

晶須的宏觀形態(tài)如圖1所示。需要研究PVA的類型、PVA的摻合量、晶須的摻量對MS-UHTCC的影響，本研究基體砂膠比取為0.35，水膠比統(tǒng)一取為0.4，粉煤灰摻量與水泥用量的質(zhì)量比為4[4]。為保證基體有優(yōu)良的和易性，減水劑(聚羧酸)的用量為0.6%[5]。4組MS-UHTCC基體中纖維類型及體積摻量如表3所示。

表3 纖維體積摻量

1.2 試驗流程

MS-UHTCC的攪拌流程如圖2所示。依據(jù)日本《單軸拉伸測試標準》(JSCE—2008)[6]的技術(shù)標準，單軸拉伸試件采用厚度為15 mm的標準試件測試其抗拉性能，標準尺寸如圖3所示。試驗設(shè)備采用MTS-CMT4204型電子萬能試驗機，加載裝置如圖4所示。

圖2 MS-UHTCC的制備流程

圖3 標準狗骨試件尺寸(單位：mm)

圖4 單軸拉伸試件裝置圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變強度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)鋼環(huán)的應(yīng)變隨齡期的發(fā)展曲線圖，如圖5～8。

圖5 不配筋試件Y1-0內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖6 配筋試件Y2-16內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖7 配筋試件Y3-20內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖8 配筋試件Y4-25內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

從圖中可以看出，4組試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展趨勢相似，前36 h內(nèi)混凝土的收縮變形最為劇烈，之后混凝土的收縮變形速度漸緩。

2.2 單軸拉伸性能

4組配比的單拉曲線如圖9所示。

分析試驗圖示可知，用低價的晶須取代或部分取代PVA纖維具有一定的可行性，而且晶須的摻入在一定程度上可以提高UHTCC的強度和延性，并促使其裂縫更加細密，分布也更加均勻。這主要是由于MS-UHTCC中本身就存在PVA和晶須，這是2種不同的尺度纖維，晶須在實驗過程中阻止了基體內(nèi)部由微觀開裂漸漸變?yōu)榧氂^的裂紋，PVA纖維主要用于抑制裂縫的產(chǎn)生。在MS-UHTCC受力并開始開裂時，裂紋由微觀層次產(chǎn)生，晶須先在微觀尺度起作用，阻礙裂縫的發(fā)展，根據(jù)基體強弱的不同存在3種作用機理，即晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)以及裂紋沖斷[7]，這些過程一直都存在能量消耗，如圖9所示。相關(guān)的裂縫是由微觀裂紋和宏觀裂縫合并而成，但是由于晶須對微觀裂紋有抑制作用，因此復(fù)合材料中的復(fù)合裂紋相比普通水泥基材料少很多，即使PVA體積摻量達不到2%，復(fù)合材料(MS-UHTCC)依然可以表現(xiàn)出極好的應(yīng)力硬化以及極好的多裂縫開裂?？梢姡ы毜膿饺肟梢赃_到部分代替PVA纖維的效果。

(a)a組

(c)c組

(d)d組

晶須的部分摻入可以使基體與相關(guān)纖維的界面增大，使 MS-UHTCC的總孔隙率比普通UHTCC高。由于晶須是處于微觀尺度的，其孔隙主要在微細觀層面上，降低了產(chǎn)生大缺陷的可能，可以保證晶須的摻入起到優(yōu)化基體孔隙分布的作用[8]。在UHTCC基體里，孔隙是作為初始缺陷的，這對UHTCC的穩(wěn)定性具有極其重要的積極意義，晶須的摻入大大優(yōu)化了基體的孔隙分布，因此UHTCC開裂的裂源會增加很多，延性及抗拉強度會得到相應(yīng)的提高[9-11]。

3 結(jié)論

1)摻入碳酸鈣晶須纖維形成工程水泥基復(fù)合材料(MS-UHTCC)具有一定的可行性，該復(fù)合材料具有一定的受拉應(yīng)變硬化和多裂縫開展的性能。

2)碳酸鈣晶須的微觀增強和微觀阻裂作用使該水泥基復(fù)合材料具有很高的強度。

3)經(jīng)過組合優(yōu)化設(shè)計，可以用低價的碳酸鈣晶須取代PVA纖維，大大節(jié)約成本并可以制備具備超高延性的廉價工程水泥基復(fù)合材料。

4)對4組試件進行內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展趨勢分析，在不同直徑下，隨齡期的變化，發(fā)展趨勢一致，第1～3天鋼筋應(yīng)變發(fā)展劇烈，第4～7天發(fā)展變慢，此后應(yīng)變基本不變。

[1]汪衛(wèi),潘鉆峰,孟少平,等.國產(chǎn)PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].工業(yè)建筑,2014,44(12):958-964.

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責(zé)任編輯：唐海燕

Mechanical Property Test of a Reinforced MS-UHTCC Cementitious Composite

XIA Zhengbing

(College of Architecture and Civil Engineering,Jiangsu City Vocational College Nantong Campus,Nantong 226006)

The application of high-strength concrete has become increasingly popular in engineering.However,early thermal deformation and autogenous-shrinkage deformation of high-strength concrete is large.When the deformation is restrained,stress is induced,which might lead to cracks.As the concrete is usually restrained by steel bars and other components,early cracks are very common.In this research,CaCO3whisker is employed to modify the properties of ultra-high toughness cementitious composite (UHTCC).The result indicates that the compressive strength,ductility and tensile strength of multi-scale (MS) UHTCC has been enhanced due to the existence of CaCO3whisker,and strain-hardening behavior and multiple crack patterns have been observed under uniaxial tension,which provides possibility of developing cheaper MS-UHTCC using CaCO3whisker and domestic PVA fiber.

reinforcement；high strength concrete;mechanical performance

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．004

2016- 05- 19

九三學(xué)社江蘇省委員會科技創(chuàng)新項目(YHK1408);江蘇省江豪工程項目管理有限公司江豪專項資助項目(1503)

夏正兵(1982— )，男，碩士，講師。

TU599

A

1671- 0436(2016)05- 0018- 05