增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响.pdf

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2008年第1期混凝土与水泥制品2008No12月CHINACONCRETEANDCEMENTPRODUCTSFebruary增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响张帅,张英华(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,116024)摘要:以聚乙烯醇纤维(PolyvinylAlcohol,简称PVA)-超高韧性水泥基复合材料(EngineeredCementitiousComposites,简称ECC)为研究对象,选用三种成分不同的增稠剂,通过新鲜ECC的扩展度试验、硬化ECC的弯曲试验,研究了增稠剂对ECC的工作性能及力学性能的影响。试验结果显示,通过合理选择增稠剂类型及合理的配合比设计,可以使ECC在具有良好的工作性能的同时,在力学性能上也有一定程度的提高。关键词:PVA;ECC;增稠剂;工作性能;力学性能中图分类号:TU528.572文献标识码:A文章编号:1000-4637(2008)01-34-040前言细骨料:100～200目精选优质硅砂超高韧性水泥基复合材料(Engineered纤维:PVA纤维,纤维长度12mm,弹性模量[1]CementitiousComposites,以下简称ECC)自从上世纪29.12GPa,伸长率7%,抗拉强度1092MPa,密度1.3g/390年代初问世以来,以其高延性、高韧性、高阻裂等特cm性得到了国内外材料界及工程界的普遍关注,并在日粉煤灰:Ⅰ级灰[2]本、瑞士等国家有应用于实际工程的报道。ECC在使减水剂:聚羧酸盐高效减水剂用体积率约2%的纤维(主要是合成纤维,如PVA和增稠剂:(1)羟丙基甲基纤维素(HPMC);(2)羟乙PE纤维)的情况下,以断裂力学和微观力学的概念为基纤维素(HEC);(3)聚丙烯酰胺(PAM)指导,对纤维、基体以及纤维/基体界面进行有意识的1.2试验方法设计和调整,使设计出的复合材料通过产生多条细密通过改变增稠剂种类、掺量与高效减水剂复配,按裂缝来实现假应变硬化的特性。ECC根据其成型方法照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》对新的不同,可分为现浇ECC、自密实ECC、喷射ECC、挤鲜PVA-ECC流动度进行评价。硬化PVA-ECC的抗压压成型ECC。其中在制备流动性较高的自密实ECC、强度试验采用70.7㎜×70.7㎜×70.7㎜立方体试件,四点喷射ECC时,增稠剂是不可缺少的成分。目前,国内对弯曲试验采用15mm×100mm×400mm的薄板试件。试ECC的研究还只停留在对ECC的特点、发展过程做一件在振动台振捣成型后,2d拆模,置于标准养护室养些简要介绍,研究也都集中在配合比设计和力学性能护至试验龄期,分别为28d和47d。四点弯曲试验加载上,而对工作性能、外加剂相容性等的研究还处于空示意图见图1,两个位移计及0.7t荷载传感器与计算白,也没有工程应用的报道。机相连,试验机以0.3mm/min的恒定位移控制加载速增稠剂作为一种以增稠和保水作用来防止材料分率,计算机同步采集数据,得到四点弯曲试验的荷载-离及泌水的外加剂,主要使用在水下混凝土及高流动挠度曲线。[3]混凝土的制备上。本文以聚乙烯醇纤维(Polyvinyl荷载Alcohol,以下简称PVA)-ECC为研究对象,选用三种成分不同的增稠剂,通过新鲜ECC的扩展度试验、硬5010010010050化ECC的抗压强度试验及弯曲试验,来研究增稠剂对ECC的工作性能及力学性能的影响。为将来制备自密图1四点弯曲加载示意图实ECC及喷射ECC时增稠剂的选择做准备。图2为没有添加增稠剂的PVA-ECC四点弯曲荷1试验概况载-挠度曲线,表1为该试件的基体配合比,纤维掺量1.1原材料为体积率2%。由图2可知,材料表现出了ECC的假应水泥:P·Ⅱ52.5级硅酸盐水泥变硬化的特性,在试件表面也观察到了多条细密裂缝。-34- 张帅,张英华增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响本文的其它试验以上述配合比为基准,将高效减水剂效果不同(表4),当高效减水剂的掺量达到1.0%,增稠掺量、增稠剂类型及增稠剂掺量定为试验参数。剂掺量小于0.64%时,大部分组合中纤维与浆体分离,表1基体配合比说明PAM的保水效果并不理想。水泥粉煤灰砂水高效减水剂表4PAM与SP混掺时的浆体扩展度cm1.03.01.71.30.0055PAMSP/%/%0.500.801.001.501.00.00020.1///0.80.01321.7///N/k0.60.06420.521.5//龄期:47d载0.13021.421.6//荷0.4SP:0.55%0.25620.420.4//0.20.64017.918.418.520.80.005101520253035笔者认为,纤维素类增稠剂和丙稀类增稠剂对基跨中位移/mm体保水能力不同是因为他们的增稠机理不一样。纤维图2无增稠剂薄板试件的荷载-挠度曲线素类在水中溶解时,其长链上的羟基和醚键上的氧原2试验结果及分析子与水分子缔合成氢键,使水失去流动性,游离水不再2.1新鲜PVA-ECC的工作性“自由”,致使溶液变稠。而PAM在水中溶解时,其阴离分别改变高效减水剂掺量、增稠剂类型及掺量,做子型高分子在碱性的水泥浆中离解成多电荷大分子量扩展度试验。试验结果见表2、表3和表4。表中斜线代的阴离子,同性电荷强烈相斥作用使线团状大分子变表该混合掺量下新拌浆体经跳桌试验后,纤维与基体成曲线状,增大了溶液黏度[4]。由此可知,HPMC和有明显材料分离现象。HEC加入后,是靠化学键相互结合,使水失去流动性,由试验结果可知,三种增稠剂都起到了防止材料增加保水性;而PAM则是由于大分子量的阴离子相斥分离和泌水的作用。相对来说,纤维素类(HPMC、HEC)致使线状大分子扭曲,来增大溶液黏度,该作用力相对增稠剂对工作性能的调节作用要优于丙烯类(PAM)增较弱。另一方面,扩展度是通过跳台试验测定得到的,稠剂。由表2及表3可知,增加HPMC和HEC的掺量对PAM增稠的浆体来说,在振动的过程中,大分子量能较好地阻止纤维和浆体分离,并通过合理选择减水的阴离子相斥的平衡比较容易打破,产生上述纤维与剂和增稠剂的掺量,可以使扩展度达到240mm以上。浆体分离现象。故当施工过程伴随有强烈的振动时,应可见纤维素类能显著增加浆体的保水作用。而PAM的谨慎选择聚丙烯酰胺(PAM)增稠剂。当增稠剂掺量达到0.64%时,不同减水剂掺量下,表2HPMC与SP混掺时的浆体扩展度cm三种增稠剂的扩展度变化都不大。由此可知,当增稠剂HPMCSP/%掺量较多时,大量增稠剂溶解在自由水中,根据各自的/%0.500.801.001.50增稠机理,增加水的黏度,使减水剂的吸附分散作用、0.00020.1///[5]润滑作用、空间位阻作用降低,丧失减水作用。0.01320.223.2//2.2PVA-ECC的弯曲韧性0.06419.622.523.6/按照ASTM的韧性指数法原理,采用改进的韧度0.13019.121.422.824.20.25619.020.320.822.2指数法来评价弯曲韧性,分别计算I30、I50和Imax(极限荷0.64017.217.618.618.6载对应位移处)。图3显示,固定高效减水剂掺量时,Imax随着表3HEC与SP混掺时的浆体扩展度cmHPMC增稠剂掺量(大于0.1%)的增大而减小;固定HECSP/%HPMC掺量时,Imax随着高效减水剂掺量的增大而增/%0.500.801.001.50大。伴随增稠剂的加入,浆体黏度增大,气泡增多,浇注0.00020.1///时试件存在原始缺陷的几率增大,导致Imax的降低;但0.01322.324.4//如果同时加入适量的高效减水剂,使新鲜浆体具有很0.06421.021.621.2/好的工作性能,使气泡很好地排出,同时聚羧酸系减水0.13017.918.919.420.60.25617.117.617.720.5剂的分散作用可以增加水泥石的密实性,使Imax随高0.64016.516.917.018.2效减水剂掺量的增加而增大。-35- 2008年第1期混凝土与水泥制品总第159期450第二阶段(B~C)。多缝开裂阶段,第一条裂缝出现400SP:1.5%后,该条裂缝并没有继续开展,而是在附近产生了很多350细小裂缝,而且在整个试件范围内产生裂缝,同时荷载xaIm300SP:1.25%和位移都继续增加,原因是水泥基材将应力传递给纤250SP:1.0%维,再由纤维将应力返递给未开裂的水泥基材,因纤维200SP:0.8%SP:0.6%与水泥基材相互间往复传递应力而在水泥基材中形成15000.10.20.30.40.50.60.7大量间距大致相等的细裂缝。所以,该区段被称为多缝增稠剂掺量(W/Wc)/%开裂区。当水泥基材的裂缝间距已缩小到不能再使纤图328d的Imax随HPMC掺量变化图维与水泥基材相互传递应力时即达到弯拉强度C点。图4中的试验数据为龄期47d试件的平均弯曲韧从Aveston等对一维定向连续纤维增强的水泥基度指数。试件浇注时,按照GB/T2419-2005《水泥胶砂复合材料在出现多缝开裂时,裂缝的间距与应变分布[8]流动度测定方法》中的规定,新拌浆体扩展度控制在进行的分析得出的裂缝间距公式可知:在纤维直径、220mm。纤维体积率一定的情况下,设法增加纤维与水泥基材图4中,增稠剂的弯曲韧度指数I30、I50变化不大,的界面剪切粘结强度τ有利于降低水泥基材的最小裂而Imax变化较大,这是由于材料特殊的假应变硬化段缝间距。对比图6和图7可知,PAM裂缝间距小于对Imax的贡献比对I30、I50的大。HPMC相比其他增稠剂HPMC的裂缝间距,这是由于PAM可增大水泥机体与具有较高的Imax,表现出较好的韧性改善,主要原因是PVA的界面平均剪切粘结强度,同时PAM抗压强度最HPMC能使纤维均匀分散,硬化试件表现出较好的延大,即粘结强度应该是最大,因此缩小了裂缝间距。性。350无HPMA300HEC250PAM200150图6HPMC的裂缝形式100500I30I50Imax图447d不同增稠剂平均弯曲韧度指数对比图2.3PVA-ECC裂缝开展及结果分析图7PAM的裂缝形式由掺量为0.1%的HPMC荷载-挠度曲线(图5)可知,真实弯曲曲线符合假应变硬化材料的双线性模型纤维与水泥基材的粘结强度(摩擦剪切强度)对短[7]。该曲线图可明显地划分两个阶段:纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度与韧性的影响效果是不相同的。由文献[9]可知,当短纤维增强水泥基复0.8第二阶段C(多缝开裂阶段)合材料的长度为恒定值时,纤维与水泥基材的界面粘0.6B结强度τ对单根纤维的抗拉承载力以及拔出功的变化真实曲线N/k模型曲线关系如下,当τ达其临界值τc时,达最大值。但当τ大0.4载荷第一阶段龄期:47d于其临界值τc时,与τ成反比,即随τ的增加而急剧下(线性阶段)HPMC:0.1%0.2ASP:1.5%降。纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度是随纤维与流动扩展度:240mm0.0基材界面粘结强度的增进而提高的,但复合材料的韧01020304050性在纤维与基材的界面粘结强度小于其临界值τc时,跨中位移/mm才得以随纤维与基材界面粘结强度的增加而有所提图5HPMC荷载-挠度曲线高,当粘结强度超过其临界值后,均可使复合材料的韧第一阶段(A~B)。水泥基材与纤维共同承受外力,性有明显下降[8]。对于PAM,相比其他种类增稠剂,弯前者承力的份额高于后者。该区段的变形服从虎克定拉强度较高,但延性较差(见图8),可能是因为纤维界律,属弹性变形。该区段的终点为基材出现第一条裂面粘结强度超过了临界值,导致复合材料的延性明显[8]缝,即复合材料的应力达到开裂强度B点。下降。-36- 张帅,张英华增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响1.0PAM参考文献:无增稠剂[1]LiVC.AdancesinECCResearch,ACISpecialPublicationon0.8HPMCNConcrete:MaterialSciencetoApplications,SP2002:206-23,373-400./k0.6HEC[2]複数微細ひび割れ型纤維補強モルタルの評价と利用.日本土木载荷0.4学会,2004.7.龄期:47d增稠剂:0.04%[3]島健太郎.コンクリ!ト混和剂の開发技術.シ!エムシ!0.2SP:0.9%2000.11.0.0051015202530354045[4]王雨利,单俊鸿,等.CMC和PAM对砂浆性能的影响[J].房材与应跨中位移/mm用,2005,33(4):36-37,84-85.[5]蒋亚清.混凝土外加剂应用基础[M].北京:化学工业出版社材料图8荷载-挠度曲线对比图科学与工程出版中心,2004.3结论[6]吴芳,李乐民.聚羧酸系与萘系高效减水剂对水泥石孔结构的影(1)三种增稠剂中,HPMC的流动性控制能力最响[J].化学建材,2007,23(1).好,小掺量(小于0.1%)的情况下与高效减水剂可配出[7]高淑玲,徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研流动扩展度达240mm以上的具有较好流动性的ECC;究[J].大连理工大学学报,2007,47(2).[8]沈荣熹,崔琪,李清海.新型纤维增强水泥基复合料[M].北京:中同时,硬化试件也比其他两种表现出较好的弯曲韧性。国建材工业出版社,2004.(2)增稠剂除作为流动性控制剂外,对力学性能也[9]BenturA.Fiber-ReinforcedCementitiousMaterials.In:SkalnyJP有一定的影响。试验中三种增稠剂相比,PAM的弯拉ed.MaterialsScienceofConcrete.Westerville:TheAmericanCeramic强度最大,但是其弯曲韧性最差;HPMC、HEC在合适Society,Inc.1989.223-284.掺量下,对延性能起到一定的有利作用。收稿日期:2007-10-28(3)综合考虑对工作性能及力学性能的影响,笔者作者简介:张帅(1981-),男,硕士研究生。认为,在高流动性ECC的制备中,羟丙基甲基纤维素通讯地址:大连理工大学土木水利学院结构实验室(HPMC)增稠剂应为首选类型。联系电话:13609848165!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-37-