高性價比混雜纖維工程水泥基復合材料的力學性能研究

張品樂,朱昊天,胡 靜,曾靖淵,陶 忠

(昆明理工大學建筑工程學院,昆明 650500)

0 引 言

混凝土自19世紀被用作建筑材料以來一直受到國內外學者的關注,目前已經成為應用最廣泛的建筑材料之一?；炷恋目箟簭姸入S著相關研究發展不斷提高,但普通混凝土仍存在抗拉性能差、延性低、在荷載作用下易產生裂縫以及耐久性差等缺點。鑒于傳統混凝土材料性能的不足,新型工程水泥基復合材料(engineered cementitious composites, ECC)應運而生[1]。ECC是一種在水泥基體中摻入纖維的復合材料,廣義上說,它屬于纖維增強混凝土,由Li等[2-3]根據細觀力學和斷裂力學的基本原理開發,是一種具有超高拉伸延性、拉伸應變硬化和多縫開裂特征的纖維增強水泥基復合材料。

混凝土結構中常用的纖維增強水泥基復合材料主要是聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites, PVA-ECC)。試驗研究[4]結果表明,PVA-ECC具有超強的拉伸應變能力,極限拉伸應變可穩定超過3%,是普通混凝土的200倍左右,韌性與鋁合金非常相似。目前,市面上的PVA纖維主要由日本Kuraray有限公司生產,成本很高,將ECC大規模應用到實際工程中非常困難,因此,成本效益高的PVA-ECC具有很高的研究價值。國產PVA纖維的拉伸強度和彈性模量接近日本PVA纖維,成本相對較低,僅為日本PVA纖維成本的1/8。但國產PVA-ECC的準應變硬化性能相對較差,主要原因是國產PVA纖維分散性較差,纖維與水泥基體的黏結作用較強,在拔出過程中容易拉斷,不易滿足應變硬化條件,因此,國產PVA-ECC的混合比例需要進一步優化。此外,工程水泥基復合材料具有多層次多尺度的結構特征,且破壞過程也契合這一多層次特征[5]。而PVA纖維難以有效實現對微米尺度裂縫的阻裂,故有學者將碳纖維等微納米材料用于水泥基材料中,但因成本等問題,碳纖維在工程中的應用也受到了限制。CaCO3晶須微米級纖維因兼具低成本(約1 700元/噸)、易于分散的優點,被引入水泥基材料中用作微觀增強纖維。張聰等[6]將微米級的CaCO3晶須、PVA纖維組成的混雜纖維應用到水泥基復合材料中,發現不同尺度的纖維分別從微觀、細觀上對水泥基體進行了增強增韌,極大地提高了其力學性能。

基于以上認識,本文根據ECC材料的設計理論,設計12組試樣,通過單軸拉伸試驗和單軸壓縮試驗,研究了粉煤灰、硅灰、水膠比、纖維種類和CaCO3晶須對拉伸應變能力和抗壓強度的影響。根據ECC材料的性能和成本,配制經濟高效的混雜纖維水泥基復合材料,使其在工程中大規模應用成為可能。

1 混雜纖維ECC的可行性

1.1 復合材料應變強化行為準則

ECC的設計基于纖維、基體和纖維-基體界面三者間的相互作用,實現拉伸過程中的多縫開裂。Li等[2,7]提出的ECC的微觀力學模型是ECC的設計基礎。該模型提出了使復合材料達到應變強化行為的準則,即開裂強度準則和裂縫擴展能量準則。

1)開裂強度準則

ECC的多縫開裂由纖維橋聯以承擔基體傳遞的荷載。故為了避免單縫開裂導致纖維斷裂失效并實現多縫開裂,要求在軸向拉伸時的初始開裂應力σfc必須小于最大橋接應力σ0,即

σfc<σ0

(1)

2)裂縫擴展能量準則

Marshall等[8]提出了一種扁平裂縫擴展模式,最初是為連續纖維增強陶瓷復合材料而推導出的,但它同樣適用于纖維橋聯增強脆性基體的復合材料,即

(2)

式中:Jtip(J·m-2)為基體材料在裂縫尖端的韌性,δss(mm)為穩態橋聯應力σss(MPa)下的裂縫張開寬度,σ(δ)表示橋聯纖維應力與裂縫張開寬度的關系函數。

為滿足能量準則,要求

(3)

式中:J′b(J·m-2)為余能,σ0(MPa)為纖維最大橋聯承載力,δ0(mm)為最大橋聯承載力對應的裂縫開口寬度。

1.2 材料的優化

1)基體韌性

根據式(3),最大余能J′b必須大于基體韌性Jtip才能使復合材料出現應變硬化和多縫開裂?？梢酝ㄟ^限制基體裂縫尖端韌性Jtip來實現,而Jtip由基體材料成分決定,因此可通過優化基體水灰比、粉煤灰摻量等來降低Jtip、增大J′b/Jtip。Kanda等[9]研究發現,當σ0/σfc≥1.3且J′b/Jtip≥2.7時,才可獲得穩定的拉伸應變強化特征。

2)PVA纖維

根據式(3),提高余能J′b更容易實現多縫開裂。國產PVA纖維余能及對應復合材料的極限應變均較低,而全日產PVA纖維成本過高,故采用國產PVA纖維和日產PVA纖維混摻,使復合材料滿足準應變硬化模型及其性能參數的要求。纖維摻量增加也能提高峰值橋接應力和余能,但根據試驗發現,當纖維超過1.8%(體積分數,下同)后,攪拌開始困難,分散性變差,因而纖維摻量不宜超過1.8%。

3)CaCO3晶須

試件極限抗拉強度由試件中最弱橫截面的纖維橋接能力σ0決定,Ma等[10]提出纖維橋接能力σ0可通過式(4)計算(忽略纖維斷裂和滑移強化)。

(4)

式中:Vf(%)為纖維的體積含量,τ0(MPa)為纖維和基體界面的摩擦結合強度,Lf(mm)和df(μm)分別為纖維的長度和直徑,ηB為纖維橋接的效率,可看作是纖維不沿基體開裂面法向時的一個小于1的效率系數。

從式(4)可以看出,對于給定的纖維類型和體積分數,纖維橋接能力σ0由摩擦結合強度τ0決定。τ0與纖維/基體界面的粗糙度和密實度直接相關,通過加入適量的CaCO3晶須(針狀形態),提高纖維/基體界面的粗糙度和密實度,就能提高極限抗拉強度。

纖維在基體中被拉拔會出現滑移強化現象?；茝娀饔每梢允估旌奢d最終超過纖維自身強度,故增加界面摩擦(加入CaCO3晶須)會導致滑移強化作用,這可以改善復合材料的應變硬化。但是,滑移強化不宜過高,以免導致纖維磨損造成剪切斷裂。

水泥基復合材料具有多層次多尺度的結構特征[11],其模型如圖1所示。纖維的加入可以阻止水泥基體裂縫的擴展[12],但單一尺度的宏觀纖維或微觀纖維很難契合其多層次開裂過程。在水泥基體中加入CaCO3晶須和PVA纖維,既可橋接混凝土內部分布的微裂縫,并抑制這些微裂縫發展成宏觀裂縫,也能阻止宏觀裂縫的擴展,這樣就可以在不同結構層次上增強混凝土的力學性能。

圖1 水泥基復合材料的多尺度模型[11]Fig.1 Multi-scale model of cement-based composites[11]

2 實 驗

2.1 試驗材料

本試驗采用的水泥為云南昆明華新水泥廠制造的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;減水劑為宏祥建筑外加劑廠生產的聚羧酸高性能減水劑,減水率為30%;粉煤灰為昆明環恒粉煤灰有限責任公司生產的I級粉煤灰;砂為石英砂,細度模數2.9、密度2.66 g/cm3;硅灰,SiO2含量約96%;日產PVA纖維(纖維J)由日本Kuraray公司生產,國產PVA纖維(纖維C)由中國石化集團四川維尼綸廠生產,其相關性能參數見表1;碳酸鈣晶須(CaCO3whisker, CW)由東莞鴻興新材料有限公司生產,其相關性能參數見表2;水為自來水。

表1 PVA纖維性能指標Table 1 Performance indexes of PVA fibers

表2 CaCO3晶須性能指標Table 2 Performance indexes of CaCO3 whisker

2.2 試驗參數設計

本文根據ECC設計理論,結合課題組前期研究成果,通過調整粉煤灰含量、水膠比等因素優化基體韌性Jtip,通過加入CaCO3晶須和改變PVA纖維種類優化余能J′b。綜合考慮試件應變硬化性能和強度,得到試件配合比(見表3)。

表3 試件配合比Table 3 Mix ratio of test specimens

2.3 測試方法

單軸拉伸試驗采用狗骨式試件,試件尺寸如圖2所示,每組配合比制備4個試件。試驗采用電子萬能試驗機的量程為100 kN,加載方式為位移控制,加載速率為0.15 mm/min?？箟涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm,每組試件均澆筑3個, 采用液壓伺服萬能試驗機對試件進行抗壓試驗,試驗參照《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》(JC/T2461—2018)[13]。

圖2 試件尺寸圖Fig.2 Specimen size diagram

纖維均勻分散是纖維在ECC中充分發揮作用的前提條件,提高纖維分散性可提高ECC的力學性能,并保障其力學性能穩定。為提高纖維分散性,本試驗采用改進的ECC拌和流程[14]:先將PVA纖維進行人工分散,然后把適量的水泥、砂、粉煤灰、硅灰倒入攪拌機干拌2 min,再加入CaCO3晶須攪拌2 min;將適量的水和減水劑倒入攪拌機后攪拌3 min,然后加入剩余的粉料和液體拌和,最后沿著攪拌桶旋轉的方向緩慢加入PVA纖維,全部加入后再攪拌10 min。

3 結果與討論

3.1 拉伸試驗

試件的開裂強度σfc,t、開裂應變εfc、抗拉強度σt和極限拉伸應變εt的確定方法見文獻[15]。單軸拉伸試驗的應力-應變曲線如圖3所示,單軸拉伸試驗結果平均值見表4。圖3(a)為28 d不同粉煤灰含量下的PVA-ECC拉伸應力-應變曲線。由圖3(a)可以看出,粉煤灰含量的增加有利于水泥基復合材料的應變硬化,提高極限拉伸應變,相對于H1,H2、H3極限拉伸應變分別提高約了6.23%、11.05%。

表4 試件的單軸拉伸性能Table 4 Uniaxial tensile properties of specimens

圖3 試件的拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of specimens

圖3(b)為不同水膠比下的PVA-ECC的拉伸應力-應變曲線。由圖3(b)可知,粉煤灰摻量為58%(質量分數,下同)時,0.25水膠比試件的平均極限拉伸應變為2.55%;0.30水膠比試件的平均極限拉伸應變為3.75%;0.35水膠比時,應力-應變曲線相對平緩,試件的平均極限拉伸應變為4.21%。與0.25水膠比相比,0.30、0.35水膠比試件極限拉伸應變平均值分別提高了47.06%、65.10%。

這是因為粉煤灰摻量的增加能減弱基體韌性和纖維/基體界面的化學黏結,而水膠比增大不僅能降低基體韌性,還會降低纖維/基體界面的化學黏結和摩擦黏結,從而導致最大橋接應力降低,更容易進入應變軟化階段。

圖3(c)和(d)分別為加入國產纖維和碳酸鈣晶須下的PVA-ECC的拉伸應力-應變曲線。由圖3(c)可知,對于采用混合纖維的H10、H11,當國產纖維體積率從0.3%增加到0.6%時,材料的極限拉伸應變逐漸降低。對于只加入國產纖維的H12,其試件的平均極限拉伸應變僅為0.54%。相比國產纖維,加入CaCO3晶須后,試件的極限拉伸應變有所提高,加入1%CaCO3晶須試件的極限拉伸應變相對于H2提高了29.07%,隨著CaCO3晶須含量的進一步增加,拉伸應變略有增加,并穩定在4.9%左右。極限抗拉強度與初裂強度呈相似的變化趨勢,即先增加后降低,如表4所示。當CaCO3晶須含量為1%時,ECC的極限抗拉強度達到最大值,與H2相比提高了37.19%;當CaCO3晶須摻量增至2%時,試件的極限抗拉強度出現了降低。出現上述現象的原因為:加入適量的CaCO3晶須可以增加基體的密實性,并且由于CaCO3晶須具針狀形態,它可以提高纖維/基體的界面的粗糙度,從而提高纖維的橋接能力和極限抗拉強度。其次,附著在PVA纖維表面的CaCO3晶須能減少PVA纖維與水泥基體的接觸面積,減少Al3+和Ca2+的含量,降低界面上的化學鍵,從而提高最大余能J′b,進而實現多縫開裂,提高拉伸應變能力。然而,過量的晶須往往會聚集,這會增加基體中的孔隙,導致復合材料中出現新的缺陷[10]。因此,當晶須含量高于1%后,極限抗拉強度隨著晶須含量的增加而降低。

3.2 抗壓強度試驗

在制備PVA-ECC受拉試件的同時,制作了同一批次下的立方體試件,研究了不同粉煤灰含量、水膠比、硅灰和纖維尺度對水泥基復合材料抗壓強度的影響。這些試樣在與受拉試樣在標準養護室養護28 d后進行相應試驗。試驗參照《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》(JC/T2461—2018)[13]。

不同粉煤灰含量、水膠比、硅灰和纖維尺度對抗壓強度的影響如圖4所示。由圖4(a)可知,隨著粉煤灰含量的增加,試件的抗壓強度逐漸降低,相比H1,H2、H3的抗壓強度分別降低了3.76%、9.65%。這主要是因為水泥基復合材料中的粉煤灰含量增加、水泥含量降低,粉煤灰與水泥二次反應有限,粉煤灰的火山灰反應得不到充分發揮,無法大量生成水化凝膠物質填充到孔隙中,從而使得基體抗壓強度的增長趨勢減弱[16-17]。

圖4 不同參數對試件抗壓強度的影響Fig.4 Influence of different parameters on compressive strength of specimens

由圖4(b)可知,試件的抗壓強度隨硅灰含量的增加而增大,與H4相比,H2、H5的抗壓強度分別提高了15.86%、25.21%,表明復摻粉煤灰及硅灰比單摻粉煤灰更有利于提高試件的抗壓強度。這主要是因為:一方面,硅灰的顆粒細度較小,比表面積大,能很好地填充到水泥漿體的空隙中,使材料內部結構更密實;另一方面,在水泥的水化產物中,高堿性水化硅酸鈣的強度不是很高,Ca(OH)2的強度很低,而硅灰中含有大量的活性SiO2,在常溫下能與水泥水化時析出的Ca(OH)2發生二次反應,生成具有膠凝性的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,可以填充結構空隙從而提高混凝土的強度[18-19]。

由圖4(c)可知,水膠比越大,立方體抗壓強度越低,與H6相比,H2和H7的抗壓強度分別降低了16.70%、33.61%。這是因為隨著水膠比增加,基體結構由致密變疏松,內部缺陷增多,從而導致立方體抗壓強度降低。

圖4(d)為不同CaCO3晶須含量的立方體抗壓強度?？梢钥闯?與CaCO3晶須含量為0%和2%相比,添加1%體積分數的CaCO3晶須的ECC試件具有最大抗壓強度,與H2相比增加了6.11%,而當CaCO3晶須含量增加到2%時,其抗壓強度低于H8。這是由于當CaCO3晶須摻量較低時,復合材料中的CaCO3晶須分散比較均勻,對混凝土起填充作用,增加了基體的致密性。此外,由于CaCO3晶須的直徑小,它可以在微觀層面橋接缺陷,延遲微裂紋發展為宏觀裂紋,因而使得復合材料的力學性能有所提高。而當添加過量的CaCO3晶須時,CaCO3晶須的活性非常低,導致基體強度相對較弱。此外,CaCO3晶須的分散性較差,易出現團聚現象,添加過量的CaCO3晶須不僅會影響基體的均勻性,還會因纖維之間的相互接觸點過多導致更多孔隙的出現,造成基體強度下降[10]。

3.3 試件破壞形態

圖5為三類試件拉伸試驗后的表觀裂縫形態。加入日產纖維和CaCO3晶須的H8以及日產纖維和國產纖維混摻的H11表現出明顯的多縫開裂模式,且H8的裂紋數量比H11裂紋數量更多,而純國產纖維的H12破壞時其裂縫僅有幾條,遠少于H8。結合試件的應力-應變曲線表明,PVA纖維的加入會提高試件的韌性和延展性,使試件表現出多縫開裂模式,但加入國產纖維的多縫開裂能力小于加入日產纖維,而CaCO3晶須的引入可以進一步提高材料多縫開裂的能力。

圖5 單軸受拉試件的開裂形態Fig.5 Cracking morphologies of uniaxial tensile specimens

圖6為單軸受壓試件破壞后的圖像。受壓試驗中,基體的破壞形式為脆性破壞,即當外荷載達到極限荷載后,試件會瞬間失去承載力,而無論摻入哪種PVA纖維,都會使得試件在受壓達到極限荷載后可以繼續承載而不發生脆性破壞,呈延性破壞,說明PVA纖維對水泥基材料的延性破壞性能起到了改善作用。

從表4中可以看出,H9的極限拉伸應變為4.96%,較沒摻CaCO3晶須的對照組H2有較大的提高,說明該復合材料的延性和韌性得到了較大的改善。但H9的抗壓強度只有38.6 MPa,相對H2偏低,而H8的極限拉伸應變為4.84%,同時抗壓強度也達到43.8 MPa,是本組試驗中的較優配比。

4 經濟成本分析

為了平衡混凝土性能和經濟成本的關系,更加客觀地反映混凝土的性能,采用價值工程分析法[20]對比分析本文制備的混雜纖維水泥基復合材料的經濟價值性。價值工程分析法是經濟分析的一種方法,現已被應用于機械、電氣、化工、紡織、建材、冶金等多種行業,其核心是通過計算價值系數評估產品或項目的經濟價值,公式如式(5)所示。

V=F/C

(5)

式中:V為價值系數,F為產品的功能值,C為產品的成本,本研究主要對不同組ECC成本進行對比分析。

原材料的成本以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本(市場上材料價格計算)計算,結果如表5所示。

表5 原材料成本Table 5 Cost of raw materials

降低成本是材料研發中的一個重要目標,因為成本的高低直接影響材料的應用范圍和市場競爭力。從表5可以看出,混雜纖維水泥基復合材料成本占比中纖維成本占80%～90%,其中日產PVA纖維的成本占主導地位,最高占原材料總成本的91%。故傳統混雜纖維水泥基復合材料成本高的原因主要為日產PVA纖維價格昂貴。隨著國產PVA纖維替代率的增加,混雜纖維水泥基復合材料的總成本下降,相較于H2,H10、H11、H12分別下降了13%、27%、82%。

以28 d齡期的極限拉伸應變、抗拉強度、抗壓強度為功能值,對比分析不同配比ECC的性能,可以得到不同配比ECC的性能差距。以H2為基準組,標準設置為1,由其他組力學性能數值與基準組相除可以得到其力學性能比,計算公式為

(6)

式中:Fi為不同組ECC的功能系數,Di為三種力學性能比值的平均值。ECC試件的力學性能以及力學性能比值、功能系數的計算結果如表6所示。

表6 ECC試件的力學性能以及力學性能比值、功能系數計算結果Table 6 Mechanical properties and calculation results of mechanical properties ratio and functional coefficients of ECC specimens

根據式(7)計算不同組ECC的成本系數(以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本計),再根據式(5)計算出價值系數,結果如表7所示。

表7 ECC試件的價值系數Table 7 Value coefficients of ECC specimens

(7)

式中:Yi為各組ECC的成本,Ci為各組ECC的成本系數。

由表6可知,從價值分析法的角度來看,H8、H11和H12的價值系數高于其他試驗組。H8通過加入廉價的CaCO3晶須,提高了復合材料的力學性能,從而提高其價值性。H11通過國產PVA纖維替代日產PVA纖維,雖然在力學性能上不能達到全日產PVA纖維(H2),但其價值和經濟性均優于全日產PVA纖維。H12則通過采用全國產PVA,大幅度降低成本,從而提高其價值性。

根據混雜纖維水泥基復合材料的成本、價值系數、拉伸和壓縮性能,提出了三種配合比:低成本、拉伸延展性相對較低、只加入國產PVA纖維的H12;中等成本、拉伸延展性相對較高、加入兩種PVA纖維的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日產PVA纖維和CaCO3晶須的H8?；旌狭系拇_定取決于實際應用的需求。

通過力學性能和經濟成本分析可知,加入適量的CaCO3晶須能顯著提高復合材料的力學性能,而國產PVA纖維替代日產PVA纖維能大幅度提高其經濟價值。故通過上述試驗和理論分析可以預估,在水泥基復合材料中,用國產PVA纖維替換日產PVA并加入適量的CaCO3晶須,能實現混雜纖維水泥基復合材料功能價值和經濟價值的最大化,從而實現力學性能優化和經濟性提高的雙重目標。

5 結 論

1)水膠比和粉煤灰含量的增加有利于復合材料應變硬化,提高極限拉伸應變,但也降低了水泥基復合材料的抗拉強度和抗壓強度。與0.25水膠比相比,0.30、0.35水膠比極限拉伸應變平均值分別提高了47.06%、65.10%,抗壓強度分別降低了16.70%、33.61%。

2)復摻粉煤灰和硅灰替代部分水泥時,隨著硅灰含量的增加,PVA-ECC試件的拉伸峰值應力及開裂荷載提高,抗壓強度得到改善。

3)最佳含量的CaCO3晶須可以顯著提高ECC的拉伸應變能力,這是由于CaCO3晶須的加入能減少纖維/基體界面化學鍵。此外,CaCO3晶須的針狀形貌可以提高界面粗糙度,從而提高摩擦結合強度。這可以提高余能J′b,從而提高拉伸應變能力。

4)CaCO3晶須的最佳含量為總ECC混合物體積的1%。在此含量下,ECC的抗拉應變能力為4.84%,比H2(VCW=0)提高了29.07%;極限抗拉強度為4.82 MPa,比H2提高了37.19%;抗壓強度為43.8 MPa,比H2提高了6.11%。

5)兩種PVA纖維比例適當時,所制成的復合材料既能滿足降低成本的要求,又能保證較好的力學性能。并對復合材料進行力學性能和經濟成本對比分析,提出了三種配合比:低成本、拉伸延展性相對較低、只加入國產PVA纖維的H12;中等成本、拉伸延展性相對較高、加入兩種PVA纖維的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日產PVA纖維和CaCO3晶須的H8。在工程中可根據實際需求選擇合適的配合比。