人工砂最大粒径对水工高延性纤维增强水泥基复合材料性能的影响研究

石妍，李家正，吕兴栋，李杨，蒋文广

（1.长江科学院 材料与结构研究所，湖北 武汉 430010；2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武 汉430010）

0 引言

高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）是经系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料[1-2]。ECC材料拉伸延性极高，纤维体积掺量为2%时，多裂缝平稳展开，其应变能力是普通混凝土的几百倍（单轴拉伸荷载下最大应变大于3%）[3]。其结构除了具有抗坍塌能力，还具有高抗损伤能力，遭受地震等破坏后的残余裂缝宽度很小。同时，ECC在限制干燥收缩的条件下，裂缝宽度控制在30μm左右，可有效减少氯化物和硫酸盐等侵蚀性介质对混凝土的破坏，从而提高结构的耐久性[4]。PVA纤维与钢纤维复合，可降低ECC材料在高温作用下拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率[5]。因此，ECC的抗裂性强、安全性良好、耐久性超高。

在美国、日本和欧洲等国家及地区，ECC大量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层建筑连梁等领域[1，6]。近年来，国内在建筑工程及道路施工领域也有所应用，但目前ECC材料在水工建筑物中的应用较少。开裂一直是水工混凝土难以解决的问题，尤其是在大坝坝基廊道、堆石坝混凝土面板、堆石坝心墙等易裂易损部位，如能将高延性ECC材料用于水工建筑物，部分或全部替代水工混凝土应用于抗裂需求的关键部位，既可以扩展ECC的适用范围，又有助于解决水工建筑物的开裂及渗漏问题，是非常值得探讨的研究方向。

传统ECC材料中水泥用量过高、石英砂的粒径要控制在100μm以内[4，7]，其经济成本较高，无法满足水利水电工程低成本、大宗量的应用需求，因此，需配制利用当地原材料、技术经济成本适中的水工ECC材料。水工ECC是基于传统ECC概念，在满足设计要求的前提下，对原材料、生产拌合、浇筑施工及功能需求特点进行适应性调整，通过扩大原材料选择范围、采用现场人工砂并提高其最大粒径、优化制备工艺等措施，降低ECC制备难度及经济成本，形成具有水工特色的ECC技术。本文开展不同人工砂最大粒径对水工ECC材料力学及变形性能的影响研究，旨在保持ECC高延性和变形能力的前提下，合理提高并确定人工砂最大粒径，以降低材料加工及制备成本，配制适用于水工建筑的中等强度、低弹性模量、高延伸率与良好耐久性的水工ECC材料，为水利水电工程的建设与长期耐久提供技术参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：峨胜P·O42.5水泥，主要技术性能见表1，密度3.2 g/cm3，比表面积334 m2/kg，安定性合格，符合GB 175—2020《通用硅酸盐水泥》的要求。

表1 水泥的主要技术性能

粉煤灰：金唐F类Ⅰ级，主要技术性能见表2，符合DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》的要求。

表2 粉煤灰的主要技术性能

PVA纤维：安徽皖维公司产，主要技术性能见表3，符合GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中防裂抗裂纤维HF的要求。

表3 PVA纤维的主要技术性能

减水剂：苏博特PCA高性能减水剂，减水率30%，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》的要求。

增稠剂：羟丙基甲级纤维素类，黏度200 Pa·s。

人工砂：取自某水电工程现场，岩性为黑云母石英片岩，原状砂的主要技术性能见表4，符合DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》的要求。

表4 人工砂的主要技术性能

按照最大粒径控制，将原状砂筛分加工为不同最大粒径，包括5.0 mm（原状砂）、2.5 mm、1.25 mm、0.63 mm、0.315 mm及0.16 mm，共6组，外观照片见图1，粒径分布见表5，用于制备不同粒径人工砂的水工ECC试样，并进行性能对比。

表5 人工砂的粒径分布

1.2 试验方法

水工ECC的室内拌合采用强制式搅拌机，转速约60 r/min。具体拌合工艺为：水泥、粉煤灰与砂先干拌1 min，然后加水（外加剂预先溶于水）湿拌2～3 min，最后添加PVA纤维，全料搅拌3～5 min，总搅拌时间为6～8 min。

水工ECC拌合物的坍落度、扩展度与含气量参照DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》进行测试。凝结时间参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试，但仅测试不加PVA纤维的浆液拌合物，以避免PVA纤维对试针的影响。按照JC/T 2461—2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》的规定，分别进行水工ECC的立方体抗压强度（试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm）、劈裂抗拉强度（试件尺寸为00 mm×100 mm×100 mm）、静力抗压弹性模量（试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm）、直接拉伸性能测试，试验照片见图2。

2 试验结果与分析

2.1 拌合物性能

不同人工砂最大粒径的水工ECC配合比及拌合物性能结果见表6。

表6 水工ECC的试验配合比及拌合物性能

由表6可见，统一水胶比0.35、PVA纤维体积掺量2%、粉煤灰掺量50%时，为保持统一的ECC拌合物性能，人工砂最大粒径每降低1个粒级，单位用水量需增加5 kg/m3。这是因为，人工砂越细，其填充了纤维与基材之间的空隙，使孔隙率降低，自由水的含量相对降低，纤维对ECC的流动性产生抑制作用，致使拌合物流动度降低[8-9]。因此，通过增加单方用水量，从而达到相对一致的坍落度与扩展度。水工ECC拌合物的坍落度为210～225 mm，扩展度为390～415 mm，流动性与粘聚性良好，无泌水现象，PVA纤维分散均匀。

6组浆液的初凝时间在10：45～13：29，终凝时间在11：35～14：20，初凝和终凝时间间隔约1 h。采用不同最大粒径人工砂时，浆液的凝结时间有差异，各组间最多相差2 h45 min。保持原材料品种与配合比参数一致，人工砂越细，单位用水量增加，因此胶凝材料用量增多，致使浆液拌合物的凝结时间逐渐缩短。

2.2 抗压强度与劈裂抗拉强度

采用不同最大粒径人工砂制备的水工ECC试件，标准养护7 d、28 d与90 d龄期后，抗压、劈裂抗拉强度及拉压比结果见表7。

表7 不同粒径人工砂水工ECC的抗压、劈裂抗拉强度及拉压比

由表7可见，随着龄期的延长，水工ECC的抗压与劈裂抗拉强度均逐渐提高。水胶比为0.35时，水工ECC的28 d抗压强度满足C25的配制强度要求（31.6 MPa）。本试验采用大掺量的粉煤灰矿物掺合料（50%），因此试件的早期强度较低，但随着龄期的延长，粉煤灰二次水化产物越来越多，细化了孔隙结构并降低孔隙率，使基体越来越密实，进而提高了水工ECC的后期强度[10]。水胶比是影响水泥基材料力学强度的主要因素，而相同水胶比下，人工砂最大粒径越小，水工ECC的抗压强度和劈裂抗拉强度均略有提高，且拉压比整体呈上升趋势，表明材料的脆性降低、韧性有所提高。这是因为人工砂越细，有助于改善材料内部结构的均匀性，易于PVA纤维的均匀分散，提高水工ECC的整体密实。

2.3 静压弹性模量和泊松比

水工ECC的28 d静压弹性模量和泊松比见表8。

弹性模量为单向应力状态下应力与应变的比值，由表8可见，C25强度等级时，水工ECC的静压弹性模量平均值为20 GPa，明显低于普通水工混凝土（约为30 GPa）。降低人工砂最大粒径，水工ECC的弹性模量略有提高，这是因为其抗压强度提高了，二者呈正相关的关系。泊松比为单向受压时横向应变与纵向应变之比值，水工ECC的泊松比平均值为0.29，高于同强度等级普通水工混凝土（约为0.22）[11]。因此，水工ECC的弹性模量低、泊松比高，表明了其韧性、变形能力及抗裂性能显著优于普通水工混凝土。

2.4 直接拉伸性能

选取具有代表性的3个人工砂最大粒径，进行水工ECC单轴拉伸性能试验，结果见表9，应力-应变曲线见图3。

表9 水工ECC试件单轴拉伸性能结果

PVA纤维在水泥基材料中主要发挥了增韧作用[12-13]。由图3可以看出，通过添加体积掺量2%的纤维，水工ECC材料表现出显著的应变硬化现象，且人工砂越细规律性越好，这种现象多出现在具有很强塑性的金属及合金材料中。首先曲线呈现弹性阶段[14-15]，在试件产生初裂缝前是直线发展的；然后，进入多裂缝开裂阶段，试件产生初裂缝后，载荷通过PVA纤维传递到邻近的基体，此时PVA纤维发挥桥联作用，标距段产生多条细密微裂缝，应力-应变曲线不断低幅波动，但总体趋势平稳直至试件最终破坏。如果试件在开裂以后应力波动幅度较小，可取试件初裂应力为极限抗拉强度。

同时，水工ECC试件的直接拉伸性能显著受人工砂最大粒径的影响，其差异性明显大于抗压强度与劈拉强度。人工砂最大粒径分别为5.0、1.25、0.315 mm时，水工ECC试件的极限延伸率分别可达到1.00%、2.14%、2.51%。人工砂越细，极限抗拉强度越高，极限延伸率也显著增大。研究结果与已有文献的规律基本相符，有研究表明[8]，采用最大粒径0.3 mm的级配砂比最大粒径为0.6 mm和1.18 mm级配砂所配制出的ECC材料能够更好地实现应变硬化和多点开裂，且极限拉应变可达5.8%左右。纤维掺入基体并搅拌的过程中，人工砂粒径越大，引入的空气越多，使内部结构出现孔隙而形成薄弱环节的几率增大，试件在受力过程中，薄弱界面处出现应力集中，从而降低了试件的承载力。因此，采用粒径小的细砂，更能有效发挥纤维在水工ECC中的阻裂增韧效果，从而提高其直接抗拉性能。

3 结论

（1）固定其他条件，人工砂最大粒径分别为5.0、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16 mm时，每降低1个粒级，水工ECC的用水量需增加5 kg/m3，以满足其良好的流动性、粘聚性与纤维分散性要求。人工砂越细，水工ECC的凝结时间越短。

（2）水胶比为0.35时，试验的水工ECC抗压强度均满足C25配制强度要求；随着人工砂最大粒径的降低，水工ECC的抗压强度和劈拉强度略有提高，拉压比增大，表明材料的脆性降低、韧性提高。

（3）水工ECC的28 d静压弹性模量平均值为20 GPa，泊松比平均值为0.29，明显低于普通水工混凝土。人工砂越细，水工ECC的弹性模量随强度的提高略有增加。

（4）水工ECC拉伸时表现出显著的应变硬化现象，人工砂越细，极限抗拉强度和极限延伸率明显增加。人工砂最大粒径分别为5.0、1.25、0.315 mm时，水工ECC的极限延伸率分别可达到1.00%、2.14%、2.51%。

（5）综合试验结果，推荐人工砂最大粒径为1.25 mm，以制备低弹模、高韧性且长期耐久的水工ECC材料，达到良好施工性能、C25强度等级、不低于2%极限延伸率的技术要求，可用于坝基廊道、堆石坝面板或心墙等抗裂关键部位。