现代建筑逐渐向高层化、大跨化方向发展,因此,高强高韧化成为混凝土的主要发展方向之一。水泥基复合材料具有多尺度的结构特征[1-2],包括由水泥水化产物(水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、钙矾石等)构成的微观结构,由骨料、水泥水化产物、孔隙、界面等构成的细观结构以及由水泥基材料与纤维材料等构成的宏观结构。此外,水泥基材料破坏过程实质是内部裂缝产生及发展的过程。因此,从全尺度对混凝土的脆性进行改善是增韧的最佳方式。
Lankard[3]于1983年研制出了SIFCON。通过将流动的砂浆或水泥浆注入提前铺满钢纤维的模具中硬化成型制得的SIFCON,钢纤维掺量可达3%~27%[4-7]。根据钢纤维体积掺量的不同,SIFCON抗压强度可达26~207 MPa,抗弯强度可达13~137.9 MPa,且受拉韧性指标可达普通混凝土的600~1 000倍,即表面能高于素混凝土2~3个数量级[8]。SIFCON所具有的优越性能,使其已经广泛应用于道路、修补、加固等工程及一些抗震、防爆结构中。
法国Bouygues公司在20世纪90年代末研制出了RPC[9]。RPC主要通过5个措施来来减少混凝土的内部缺陷(裂缝和空隙):1)不使用粗骨料以改善均匀性; 2)提高组分细度,优化颗粒级配提高堆积密度; 3)在混凝土凝结过程中加压提高密实性; 4)提高组分活性,在混凝土凝结后热处理改善微观结构; 5)利用小尺寸的钢纤维提高韧性。由于内部缺陷的减少,RPC抗压强度可达200~800 MPa、抗拉强度可达25~150 MPa,断裂能可达30 kJ/m2[7]。虽然RPC性能优异,但因为制备时采用了加压和热处理等特殊工艺,所以, 目前在应用上受到很大限制。
本文分别采用RPC与SIFCON两种制备工艺,并以碳酸钙晶须和微钢纤维复合对水泥基材料微观、细观和宏观结构进行全尺度增韧,按照两个方案制备UHTCC:1)根据RPC制备原理,采用常规材料(水泥、矿粉和硅灰作为胶凝材料,石英砂作为骨料)制备基体,并采用中高掺量微钢纤维增加基体韧性,再以不同掺量的碳酸钙晶须对其进一步改性增韧; 2)采用渗浇钢纤维混凝土的制备工艺,并以不同掺量的碳酸钙晶须进行改性。对两个方案制备的UHTCC进行了性能测试和韧性评价。
原材料:1)水泥(P·O 42.5R)、矿粉和硅灰的主要化学成分见表 1; 2)石英砂(级配Ⅱ区,细度模数:2.9);3)微钢纤维及碳酸钙晶须的部分性能如表 2所示; 4)聚羧酸高性能减水剂(固含量:59.5%)。
为研究微钢纤维、碳酸钙晶须对水泥基材料协同增韧作用,设置了多组配合比。方案1和方案2的试验配合比分别如表 3和表 4所示。
方案1:首先, 将胶凝材料(包括水泥、矿粉及硅灰)、石英砂和晶须投入搅拌机中,干拌1 min,然后,加水和减水剂再搅拌5~8 min,此时的砂浆基体具有良好的流动性和适宜的粘聚性,最后,人工加入微钢纤维搅拌12~18 min,得到均匀的拌合物,装模后在振动台上振捣5~10 min成型,在室温下静置1 d拆模,放入湿度≥95%、温度20±2 ℃的养护室中养护,测试龄期时取出进行试验。
方案2:首先,将胶凝材料和晶须投入搅拌机中,干拌1 min,然后,加水和减水剂再搅拌5~8 min,最后,在振动台上将水泥浆倒入均匀铺满微钢纤维的模具中抹面成型。养护方式同方案1。
试验中,每一力学性能试件为3组,试验用棱柱体模具为钢模,其余为亚克力模具。
试验参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件。
用400 mm×100 mm×15 mm的薄板试件进行四点弯曲测试。采用新三思CMT5305(300 kN精度0.5级)万能试验机,测试跨度为300 mm,加载速度恒为0.4 mm/min,直至试件上某一裂缝出现局部化扩展破坏时试验停止,加载速度及数据收集皆由计算机完成。
直接拉伸性能采用图 1所示试件,测试仪器为新三思CMT5504(100 kN精度0.5级)万能试验机。为避免试件在变形监测区以外开裂或破坏,试件设置过渡区且使用AB胶粘接碳纤维布对过渡区增强,待胶水固化达一定强度后进行测试。试验时加载速率恒为0.4 mm/min,直至试件上某一裂缝出现局部化扩展破坏时试验停止,加载速度及数据收集皆由计算机完成。
对UHTCC的抗压、抗折、四点弯曲及直接拉伸性能进行了研究,并采用折压比、初始裂缝强度、韧性指数(按ASTMC1018—97标准计算韧性指数I5、I10及I20)以及荷载作用下的能量吸收能力来表征其韧性。能量吸收能力为荷载作用下达到特定变形值时荷载变形曲线下的面积。试验以压头位移代替试件跨中挠度值,以位移达到6 mm时的弯曲荷载位移曲线下面积及拉应变达4%时的直拉应力应变曲线下面积表征能量吸收能力。
从表 5中可以看出,方案1制备的UHTCC的抗压、抗折强度与J组相比有较大提升,其中,S3W1组的28 d抗压强度、抗折强度较J组分别提升了69.4%、94.2%。UHTCC与对应同钢纤维掺量的S1~S3组相比早期抗压强度有所下降,但是随着龄期增长差距逐渐减小甚至反超,可能是水泥基体早期水化产物较少,晶须的掺加引入更多界面,因此,影响了微钢纤维与水化产物的粘接,随龄期增长,水化不断进行水化产物增多,其与纤维的粘接增强。此外,当钢纤维体积一定时,随着晶须掺量的增加,混凝土抗折、抗压强度都是先增加后下降,且基本都在晶须掺量为1%时达到极值,这说明,混掺时晶须掺量不宜过高,过高时晶须分散不均匀而难以达到理想的增强增韧效果。
方案2制备的Y2SW03、Y2SW1两组UHTCC试件的7、28 d抗折强度较未掺晶须的Y2S组提升明显,说明钢纤维及晶须发挥了多尺度协同增韧作用。此外,由于方案2制得的试件微钢纤维掺量高达12.2%,所以,受压时已具备可与金属比拟的塑性,如图 2所示。试件受压时主要表现为塑性变形,抗压强度测试已无意义。
方案1和方案2的弯曲荷载位移曲线分别如图 3和图 4所示。可以发现,两种方案制备的UHTCC在弯曲试验时均产生了假应变硬化现象,即试件初裂后仍具有抵抗变形的能力,随位移增大荷载位移曲线继续上升。方案1制得UHTCC的弯曲荷载位移曲线与J组相比更加丰满、极限弯曲位移也更大,此外,从表 7可以看出方案1制得UHTCC荷载位移曲线投影面积比J组高一个数量级,即UHTCC的能量吸收能力高于J组,当晶须掺量一定时,荷载位移曲线投影面积即能量吸收能力有随微钢纤维掺量增加先上升后下降的趋势。这说明,微钢纤维与晶须混掺时存在适宜掺量。方案2制得UHTCC荷载位移曲线投影面积又比方案1高一个数量级,即方案2所得UHTCC受弯时,能量吸收能力要高于方案1所得UHTCC。并且,当钢纤维掺量不变时,随着晶须掺量在一定范围内增加,荷载位移曲线投影面积即能量吸收能力也随之增加。
如表 6所示,无论是方案1还是方案2制得的UHTCC,其28 d抗弯强度及峰值位移都较J组有不同程度的提高。方案1所得UHTCC抗弯强度约为J组的1.2~1.4倍,峰值位移约为J组的1.4~2.8倍,UHTCC的抗弯强度及相应峰值位移随钢纤维掺量的增加而增加; 而方案2所得UHTCC抗弯强度约为J组的3.2~3.6倍,峰值位移约为J组的14.3~15.5倍,且随着晶须掺量的增加,抗弯强度及相应峰值位移均有上升的趋势。方案1制得的UHTCC峰值位移随着钢纤维掺量增加而提升,此外,方案2制备的试件峰值位移远高于方案1,说明纤维掺量的增加有利于抑制裂缝的发展,延缓荷载峰值的出现,从而提升其韧性。
普通钢纤维混凝土的初始裂缝强度一般低于10 MPa,从表 6可看出,方案1制得超高韧性混凝土初始裂缝强度均在10 MPa以上。方案2制得UHTCC的初始裂缝强度高达18.8 MPa以上,且其韧性指数I20可达47以上,远高于普通钢纤维混凝土。初始裂缝强度的提高表明UHTCC抗裂能力的提高,也说明晶须能够抑制微细观裂缝的产生及发展。韧性指数大幅提升说明UHTCC在初始裂缝产生后没有马上发生脆性破坏,而是存在明显的裂缝扩展阶段,发生了明显的塑性变形。
方案1和方案2部分试件应力应变曲线分别如图 5和图 6所示,从图中可以看出,两方案所得UHTCC在直接拉伸时已经明显具有假应变硬化现象。方案1制得UHTCC的极限拉应变可达4%~8%,是普通钢纤维混凝土的8~20倍,当晶须掺量一定时,抗拉强度随钢纤维掺量的增加有上升的趋势。方案2所得的UHTCC的极限拉应变也可达4%以上,且拉伸曲线在峰值附近有一段半径很大的圆弧段,且随着晶须掺量增加,圆弧段变长,该段有明显位移产生但是拉伸强度变化不大,这是因为,此时钢纤维间的联锁作用及与基体间的拔出作用消耗了大量能量。此外,当钢纤维掺量不变时,UHTCC抗拉强度则随晶须掺量增加而提高。从表 7可知Y2SW1组试件抗拉强度最高可达21.1MPa,分别较S3W1、Y2S两组试件提高了174.0%、61.1%,若与普通纤维混凝土相比则是其4倍以上。
从表 8不难看出,方案1当晶须掺量一定时,应力应变曲线投影面积随微钢纤维掺量增加而增加,即能量吸收能力随微钢纤维掺量增加而增加; 方案2当微钢纤维掺量一定时,应力应变曲线投影面积随晶须掺量增加而增加,即能量吸收能力随晶须掺量增加而增加,且方案2制得UHTCC投影面积高于方案1,约为后者的2~5倍,这表明方案2制得UHTCC能量吸收能力要高于方案1。
1) 两种方案所研制的UHTCC包括抗压强度、抗折强度、抗拉强度以及抗弯强度,相较于普通钢纤维混凝土都得到大幅提升。尤其是方案2通过渗浇工艺制备的UHTCC抗弯强度可达61 MPa以上,抗拉强度最高可达21.1 MPa。
2) UHTCC表现出远高于普通钢纤维混凝土的韧性和延性。方案1制得的UHTCC极限拉应变可达4%~8%, 而方案2极限拉应变也可达4%以上。此外,方案2制得的UHTCC受压时具备可与金属比拟的塑性变形,韧性指数I20也可达47以上。
3) 试验证明多尺度优化增韧设计所得UHTCC的韧性明显要优于单一手段增韧所得混凝土。碳酸钙晶须能与微钢纤维性能互补协同增强水泥基材料,改善其韧性,且增韧适宜的掺量为1%。