姚仲泳

(平潭綜合實驗區(qū)城鄉(xiāng)建設與交通運輸服務中心, 福州 350400)

工程水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC)在拉力作用下具有拉伸應變硬化的特點，極限拉應變可穩(wěn)定達到3%，具有多縫開裂特征，最大裂縫寬度可控制在40 μm以下[1]。ECC在國外已經(jīng)被廣泛用于大壩、輸水渡槽和橋面連接板等重要工程中的關鍵部位[2]。然而，由于水泥基材料的固有性質(zhì)，置于未飽和空氣中的ECC會因水分喪失產(chǎn)生體積縮小的變形，即干縮變形。其干燥收縮占總收縮的80%～90%，28 d的干燥收縮值可達1.2×10-3～1.8×10-3，為同齡期普通混凝土的3倍[3]。故ECC作為修復或連接材料時，無法與新澆筑的混凝土或者舊混凝土表面協(xié)同工作，由于變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)界面破壞，導致新舊材料之間界面分層，翹曲和剝離[4]。例如，美國密歇根州的一座混凝土橋面板伸縮裝置采用ECC澆筑[5]，但是在通車之前發(fā)現(xiàn)與混凝土連接處出現(xiàn)收縮裂縫，對橋面板的耐久性產(chǎn)生不利影響。因此，研究如何降低ECC的干燥收縮，減小混凝土與ECC之間的收縮差異，將有利于ECC更廣泛地推廣和應用。

目前研究[6-8]表明，降低水泥基材料干燥收縮最直接的方法是添加減縮劑，最大降低值可達50%～80%，但是存在早強性能差、凝結(jié)時間長、抗拉壓強度變低以及極限拉應變驟降等問題，甚至使ECC失去特有的應變-硬化特征。吳林妹等研究了在水泥基材料中摻入一定比例的鋼纖維，結(jié)果表明：當摻量超過2%后，對干燥收縮的改善作用明顯降低，3%時干燥收縮僅僅降低了1.5%[9]。苗海強等研究得出：隨著聚乙烯醇(PVA)纖維摻量的增加與水膠比的降低，PVA-ECC出現(xiàn)收縮應變減小現(xiàn)象且水膠比對材料前期的收縮影響較大[10]。劉建忠等研究了粉煤灰和礦粉對低水膠比混凝土干燥收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰有利于減少低水膠比混凝土的干縮，礦粉次之[11]。周磊生等通過干燥收縮試驗研究了纖維摻量、粉煤灰和水膠比對高延性水泥基材料的收縮影響[12]。邱華芳設計PVA-ECC配比的干燥收縮試驗，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC的干燥收縮應變受到水膠比、砂膠比和粉煤灰摻量的影響[13]。由此可知，外加劑、纖維摻量、粉煤灰和礦粉等因素均會對水泥基材料力學性能和應變硬化特性產(chǎn)生一定影響。

為降低ECC的干燥收縮值，減小和混凝土之間的收縮差異，本文將在保證ECC力學性能的原則下，采用分階段試驗設計，擬研究PVA纖維摻量、水膠比、粉煤灰、礦粉和砂膠比等影響因素對ECC干燥收縮的影響規(guī)律，基于正交試驗分析法確定各因素影響程度的優(yōu)先級，獲得與混凝土干縮變形相協(xié)調(diào)的低干縮ECC配合比。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥采用P·O 42.5水泥，比表面積為330 m2/kg。粉煤灰是由河南鉑潤鑄造材料有限公司提供的5 000目I級優(yōu)質(zhì)粉煤灰，比表面積為436 m2/kg。礦粉是精磨后得到的1 000目S95礦渣粉，比表面積為453 m2/kg。PVA纖維采用日本Kuraray公司進口的聚乙烯醇纖維，其技術參數(shù)見表1。配制ECC所用的細砂為天然河沙，過篩，最大粒徑不大于0.3 mm，使用前測定含水率。減水劑為科之杰新材料公司提供的聚羧酸型高效減水劑，減水率高達38%以上。

表1 PVA技術參數(shù)Table 1 PVA technical parameters

1.2 配合比設計

干燥收縮試驗不摻入任何抑制收縮的外加劑，只調(diào)整水泥基質(zhì)。試驗分為兩階段進行，第一階段采用控制變量法研究水膠比(W/C)和砂膠比(S/C)，使得ECC的尺寸變化率與混凝土變形協(xié)調(diào)，避免兩種材料的界面邊緣出現(xiàn)翹曲、剝離。第二階段通過正交試驗設計，基于粉煤灰摻量、礦粉摻量和PVA纖維摻量，在保證良好力學行為前提下進一步優(yōu)化ECC的干燥收縮性能，獲得能夠與混凝土干燥變形相匹配的ECC配合比。

第一階段控制膠凝材料為定量，以水膠比和砂膠比為變量。同時考慮抗壓強度和流動性的影響，在保持足夠強度的同時，減水劑的摻量適當 ，盡量減少外加劑對力學性能的不利影響，設置三組水膠比：0.25、0.30、0.35；考慮抗拉強度和極限拉應變等因素[14]，設置三組砂膠比：0.4、0.5、0.6；其他參數(shù)為固定值，具體見表2。

表2 第一階段配合比設計Table 2 Mix proportion design in the first stage

以第一階段確定的水膠比和砂膠比為定量，考慮粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量三個因素，每個因素取三個水平變量，如表3所示。粉煤灰摻量的三個水平變量為其代替膠凝材料中水泥質(zhì)量的百分數(shù)，從經(jīng)濟性方面考慮，粉煤灰摻量越多越經(jīng)濟，但粉煤灰過多會大幅度降低水泥基材料的初凝強度[15]，故取50%、60%和70%，分別用A1、A2和A3表示；礦粉摻量的三個水平變量為其代替膠凝材料中水泥質(zhì)量的百分數(shù)，因大摻量的礦粉容易產(chǎn)生離析，使ECC在早期失去更多的水分并加快內(nèi)部干燥的過程，故取10%、15%和20%，分別用B1、B2和B3表示；PVA纖維摻量的三個水平變量為ECC總體積的百分數(shù)，纖維摻量過少不能最大程度發(fā)揮其抗裂功能，過多易使ECC結(jié)團，流動性差[16]，故取1.7%、2%和2.3%，分別用C1、C2和C3表示。

表3 各因素水平Table 3 Levels of each factor %

1.3 ECC干燥收縮試驗

根據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，干縮試件采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體三聯(lián)模。待澆筑完成4 h后，移入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d，拆模、編號并標明測定方向。隨后將試件移入恒溫恒濕養(yǎng)護室(溫度為(20±2) ℃，濕度為60%±5%)中預置4 h，按標明的測試方向測定初始長度。試驗采用立式砂漿收縮儀測量，上部千分表量程是12.5 mm，最小刻度為0.001 mm，如圖1所示。分別測試養(yǎng)護7，14，21，28，56，90 d時試件的長度。各測試齡期的干燥收縮值按下式計算：

a—標定； b—測量。圖1 ECC干燥收縮測量Fig.1 The measurement for dry shrinkage of ECC

(1)

式中：εnt為養(yǎng)護第t天時的干燥收縮值；L0為試件初始長度；L為試件初始長度，取160 mm；Ld為兩個收縮頭埋入砂漿中長度之和；Lt為養(yǎng)護第t天時的實測長度。

1.4 混凝土干燥收縮試驗

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，試塊尺寸100 mm×100 mm×515 m，標準養(yǎng)護7 d后，移入干縮室，采用SP-540型接觸式收縮膨脹儀測試7，14，21，28，56，90 d的干燥收縮值，如圖2所示。

a—標定； b—測量。圖2 混凝土干燥收縮測量Fig.2 The measurement for dry shrinkage of concrete

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對ECC干燥收縮的影響

水膠比對ECC干燥收縮的影響如圖3所示。由圖可知，所有ECC試樣的干燥收縮都隨齡期的增加而增大，前14 d增加很快，14～28 d增加速度略有降低，28 d后增加緩慢，最后趨于穩(wěn)定。對于不同的水膠比，ECC的干燥收縮隨著水膠比的增加而增大，且水膠比越小時，增大的程度越明顯[17]。在相對濕度為60%的情況下，ECC干燥收縮主要原因是由于毛細孔中水分蒸發(fā)而造成部分毛細孔不能被水飽和，周圍的顆粒彼此拉近，產(chǎn)生的宏觀體積收縮。而且毛細孔聯(lián)通的越多，蒸發(fā)失去的水分就越多，ECC的干燥收縮也就越大。隨著齡期的增加，ECC毛細孔中水分逐漸消耗，此時粉煤灰和礦渣粉的填充效應堵塞了毛細孔，使得孔結(jié)構(gòu)更加的密實，孔中水分散失的越來越少，所以隨著齡期的增加，ECC的干燥收縮越來越小。

a—水膠比為0.25時干燥收縮值； b—水膠比為0.30時干燥收縮值； c—水膠比為0.35時干燥收縮值。圖3 水膠比對ECC干燥收縮的影響Fig.3 Effects of rates of water to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.2 砂膠比對ECC干燥收縮的影響

砂膠比對ECC干燥收縮的影響如圖4所示。可見，隨著砂膠比的增大，ECC的干燥收縮增加，但是影響力并不顯著，在14 d前幾乎無差別[17]。細骨料本身的吸水率較大，在相同水膠比的情況下，細骨料越多，吸收的水分越多，待水分蒸發(fā)后，干燥收縮越大。

a—砂膠比為0.4時干燥收縮值； b—砂膠比為0.5時干燥收縮值； c—砂膠比為0.6時干燥收縮。圖4 砂膠比對ECC干燥收縮的影響Fig.4 Effects of rates of sand to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.3 ECC干燥收縮優(yōu)化分析

試驗為三因素三水平正交試驗，試驗指標為ECC試塊的干燥收縮值，采用L9(34)正交表，共9組配合比，配合比設計及試驗結(jié)果如表4所示。對試驗結(jié)果進行極差分析，以確定各因素影響程度的主次順序。

各因素極差R的大小表示該因素對試驗結(jié)果影響的大小，其值越大說明該因素對試驗結(jié)果的影響越大，將極差從大到小排序，就可以確定各個因素對試驗結(jié)果影響大小的主次順序，同時也說明了因素對于試驗結(jié)果的重要性。現(xiàn)以因素A粉煤灰摻量為例說明極差的計算方法。

R1=(Ki)max-(Kj)min

(2)

各因素的極差分析計算方法與粉煤灰相同，結(jié)果見表4。由表4可以看出，對于90 d齡期的干燥收縮，試驗所考慮的三個因素中，極差從大到小依次為：粉煤灰摻量、礦粉摻量、PVA纖維摻量，并且粉煤灰摻量的極差為620，遠大于其他兩個因素的差值，這說明粉煤灰對ECC干燥收縮的影響最大，為主要影響因素，礦粉摻量次之，PVA纖維摻量影響最小。

表4 干燥收縮優(yōu)化試驗結(jié)果Table 4 Dry shrinkage optimization test results

為了進一步分析各因素水平變化對ECC干燥收縮的影響，以水平變化為橫坐標，各因素水平的總干燥收縮值為縱坐標，得到因素水平與干燥收縮值的關系，如圖5所示。

由圖5可知，隨粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量增加，干燥收縮值均有降低的趨勢，具體影響如下：

圖5 不同因素下各水平的平均干燥收縮值Fig.5 Average drying shrinkage values under different factors and levels

1)粉煤灰對ECC干燥收縮的影響。不同摻量粉煤灰對ECC干燥收縮的影響如圖6所示。從圖中可以看出，各粉煤灰摻量ECC的干燥收縮應變值隨著時間的增加而增長，總體上看，28 d前增長速度快，28 d后逐漸趨于穩(wěn)定。但是不同摻量的粉煤灰，對ECC干燥收縮影響程度不同，隨著粉煤灰摻量的增加，ECC的干燥收縮應變呈現(xiàn)大幅度降低[18]，粉煤灰摻量為70%時的干燥收縮應變值僅為摻量50%的一半。這是由于粉煤灰參與水化反應的程度和速度都遠低于水泥，在水化反應的早期，粉煤灰對其抑制作用顯著，從而也抑制了ECC的干燥收縮。由于粉煤灰顆粒的彈性模量高于水泥顆粒，隨著粉煤灰的增加，ECC中有效的水灰比增大，自由水增多，在ECC漿體內(nèi)起著限制漿體收縮的作用，這些都會造成ECC干燥收縮應變的下降。

圖6 不同粉煤灰摻量對ECC干燥收縮的影響Fig.6 Effects of the fly ash content on drying shrinkage of ECC

2)礦粉對ECC干燥收縮的影響。不同摻量礦粉對ECC干燥收縮的影響如圖7所示。從圖中可以看出，各礦粉摻量ECC的干燥收縮應變值隨著時間的增加而增加，總體上的趨勢與粉煤灰的影響類似。但在28 d前，ECC的干燥收縮隨著礦粉的增加先減小后增加，15%礦粉摻量使ECC達到前期的最小干縮值。28 d后，高礦粉摻量的干縮增長率明顯低于低礦粉摻量的，在90 d干燥收縮應變穩(wěn)定后，呈現(xiàn)隨著礦粉摻量的增加，干燥收縮應變值降低的現(xiàn)象[19]。這是由于礦粉的摻入，細化漿體孔結(jié)構(gòu)的同時 降低了空隙的連通性，增加了干燥條件下水分遷移的難度，有效地降低了ECC的干燥收縮。

圖7 不同礦粉摻量對ECC干燥收縮的影響Fig.7 Effects of the mineral powder content on drying shrinkage of ECC

3)PVA纖維對ECC干燥收縮的影響。不同摻量的PVA纖維對ECC干燥收縮的影響如圖8所示。從圖8可以看出：各PVA纖維摻量ECC試樣的干燥收縮隨著齡期的增加而增大，總體呈現(xiàn)隨著纖維量的增加，干燥收縮有降低的趨勢，但是各水平之間差別很小，最大相差不到1.0×10-4[20]。這是由于PVA纖維使ECC內(nèi)部的孔隙出現(xiàn)細微的變化，孔隙結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一些直徑較大的孔，并且隨著PVA纖維摻量的增加，較大毛細孔的數(shù)量越多，從而降低了水分擴散引起的毛細管壓力；同時PVA纖維的存在使?jié)B水通道曲折或者堵塞了滲水通道，使ECC內(nèi)部與外部濕度擴散降低，從而減少了收縮。

圖8 PVA纖維摻量對ECC干燥收縮的影響Fig.8 Effects of the PVA fiber content on drying shrinkage of ECC

2.4 最小干縮ECC配合比的確定

ECC干燥收縮優(yōu)化試驗的各參數(shù)因素水平對90 d干燥收縮值的影響如表4和圖5所示，由圖5中極差和斜率可以看出：粉煤灰摻量的最高水平和最低水平相差48.8%，而礦粉摻量和PVA摻量在既定的水平因素內(nèi)，干燥收縮值僅差14.2%和6.8%。因素影響由大到小的排序依次為：粉煤灰、礦粉、PVA纖維。通過因素的水平分析，得到干燥收縮值的最優(yōu)配合比的水平為A3B3C3。

3 混凝土和ECC的干縮協(xié)調(diào)分析

混凝土和70%粉煤灰摻量的ECC干燥收縮變化如圖9所示。前28 d，混凝土與S7配比的ECC干燥收縮差值大約為(1.5～2.0)×10-4，由于干燥收縮相差較大，兩種材料界面變形不協(xié)調(diào)，且早期的強度較低，極易出現(xiàn)干縮裂縫，甚至出現(xiàn)剝落和分離；養(yǎng)護到第90天時的干燥收縮值，S8和S9都與混凝土較接近，并且混凝土與ECC已經(jīng)達到設計強度，抗裂能力強，能夠滿足兩種材料的變形協(xié)調(diào)的要求，不出現(xiàn)干縮裂縫。根據(jù)混凝土和ECC整個齡期的干燥收縮變化分析，最終確定S8和S9作為能夠與混凝土相匹配的低干縮配合比，最大程度地降低了干縮裂縫和變形不協(xié)調(diào)對混凝土與ECC交界面的影響。

圖9 混凝土和ECC的干燥收縮對比Fig.9 Comparisons of drying shrinkage between concrete and ECC

4 低干縮ECC的基本力學性能

ECC作為修復和連接材料，干燥收縮值降低至能夠與混凝土干縮變形協(xié)調(diào)的同時，其力學性能應滿足結(jié)構(gòu)能正常服役的基本要求。依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，對能夠與混凝土干縮變形協(xié)調(diào)的S8和S9兩組低干縮ECC的拉、壓、彎性能進行試驗研究，其力學性能指標見表5，拉伸應力-應變曲線和四點彎曲力學行為曲線見圖10。

表5 ECC基本力學指標Table 5 Basic mechanical indexes of ECC

a—單軸拉伸應力-應變曲線； b—彎曲力學行為曲線。圖10 ECC基本力學行為曲線Fig.10 Basic mechanical property curves of ECC

試驗結(jié)果顯示：S8和S9兩組低干縮配比ECC的抗壓強度達到C40以上，單軸直接拉伸曲線和四點彎曲曲線均具有明顯的應力-應變硬化階段，試件的破壞模式均表現(xiàn)為典型的多縫開裂特征，破壞時能夠保持試件的完整性。

文獻[6-8]研究表明，外加減縮劑雖保證材料的低干縮，但嚴重削弱了ECC的拉伸應變硬化特性。優(yōu)化后的兩組ECC配比相比于文獻[10]，兩者在低收縮值差異不大的區(qū)間內(nèi)，本文配比纖維用量更少，水泥占比低，總成本更低。對比于文獻[13]的配比，本文所給配合比ECC拉伸應變硬化性能更好，干燥收縮值更小，基本力學性能更優(yōu)。綜上所述，S8和S9兩組配合比的低干縮ECC具有干燥收縮值低，與普通混凝土干縮協(xié)調(diào)性能好，力學性能優(yōu)異和多縫開裂延性高的特性。

5 結(jié)束語

1)隨著水膠比和砂膠比的增大，ECC的干燥收縮值增加，同時水膠比對ECC干燥收縮的影響遠大于砂膠比。

2)隨著粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量的增加，ECC的干燥收縮值降低，其中粉煤灰對降低干燥收縮效果最佳，礦粉次之，PVA纖維影響最小。

3)低水膠比ECC，當粉煤灰摻量達到70%時，ECC干燥收縮應變與混凝土接近，兩種材料的交界面不會由于變形不協(xié)調(diào)而導致干縮裂縫。

4)低干縮ECC的抗壓強度達44.5 MPa以上，抗拉和抗彎強度分別超過2.5 MPa和10 MPa，極限拉應變穩(wěn)定超過3%，具有明顯的應變-硬化特征。