PVA-ECC的最优配比及力学性能试验研究

PVA-ECC的最优配比及力学性能试验研究
郑玉国;崔元东;王伟男;张勇;刘思民
【摘要】考虑影响纤维增强水泥基复合材料(ECC)力学性能的关键因素,从抗压强度入手,基于水胶比、粉煤灰掺量、减水剂掺量等的变化,制作各批次的ECC立方体试件并进行抗压强度试验,探索ECC的力学性能随材料配比而变化的规律.研究结果表明,在其它因素都相同的条件下,PVA-ECC的立方体抗压强度随水胶比的增大而减小、随粉煤灰掺量的增加而减小、随减水剂掺量的增加先增大后减小.在普遍意义上,当水胶比为0.25、粉煤灰掺量为45％、减水剂掺量为0.5％时,PVA-ECC达到最优配比,此时立方体抗压强度达到最大.
【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(024)002
【总页数】4页(P69-72)
【关键词】纤维增强水泥基复合材料;最优配比;力学性能试验;抗压强度
【作者】郑玉国;崔元东;王伟男;张勇;刘思民
【作者单位】湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201
【正文语种】中文
【中图分类】TU528
ECC（engineered cementitious composite）这种纤维增强水泥基复合材料，
是由美国密歇根大学的Victor C.Li教授等［1］在20世纪90年代根据微观力学
和断裂力学基本原理提出的一种新型材料.研究发现［2］，相对于传统混凝土材料，ECC的优势非常明显，具有很强的变形能力和裂缝宽度控制效果，抗剪、抗弯承
载力高，抗爆、抗冲击性能好，抗疲劳能力强等.ECC的这些优良性能使其寿命相
对于传统混凝土材料可以延长两倍以上，从而可以减少结构在整个寿命周期内的维护维修次数，在整个生命周期内的总耗能比普通钢筋混凝土结构有较大的降低，因此从长远看ECC具有更高的直接和间接经济价值，相对于普通混凝土来说具有更
好的环保性和可持续性［3］.
由于ECC所具有的优良性能，国内外对其开展了理论分析、微宏观设计和实际应
用等方面的研究［4－6］.然而由于并没有成熟的规范和标准对其配比、成型方法
等进行明确的规定［7－8］，从而导致很多情况下制备出来的ECC性能并不理想，材料配比与力学性能之间还缺乏明确的规律，这在很大程度上限制了ECC的广泛
应用.因此，在当前已有的ECC材料配制和力学性能研究的基础上，首先从立方体抗压强度入手，考虑影响ECC力学性能的主要因素，基于水胶比（W／B）、粉
煤灰掺量（FA）、减水剂掺量（WR）等的变化，制作各批次的ECC立方体试件，并对各批次的ECC试件进行抗压强度试验.在大量试验的基础上，探索ECC的力
学性能随材料配比而变化的规律并提出ECC的最优配比，为ECC的实践应用提出建议.
应用于ECC的纤维材料主要有三种：聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），其中PVA 应用最为广泛.考虑到国内的PVA纤维没有经过特殊的油剂处理，分散性不足，大多达不到制备ECC的要求.因此采用日本Kuraray Co.生产的RECS15×12型PVA粗短纤维，如图1所示，纤维的各项性能参数如表1所示.
另外，水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，石英砂采用经过0.63mm筛孔的细沙，
粉煤灰采用巩义市金丰净水材料有限公司生产的一级粉煤灰，减水剂采用北京德昌伟业生产的聚羧酸系高效减水剂.
根据当前的研究，PVA纤维的体积含量一般为2%，根据控制ECC性能的关键因素，基于水胶比（W／B）、粉煤灰掺量（FA）、减水剂掺量（WR）的变化，确定三种水胶比为0.25、0.35和0.45，粉煤灰取代水泥的比例为45%、55%和65%，减水剂占胶体的比例为0、0.5%和1.0%.从而确定的PVAECC的配比方案
如表2所示，相应的材料用量如表3所示.
ECC的成型与其力学性能密切相关，由于大含量纤维的存在，一般应采用强制式
混凝土搅拌机搅拌才能取得较好的效果.通常，ECC的成型一般应遵循如下程序［7］［9］：
（1）将砂和水泥置于搅拌筒中，搅拌2min；
（2）放入l／2的水和粉煤灰，搅拌2min；
（3）放入剩余l／2的水，搅拌2min；
（4）加入减水剂，搅拌1min；
（5）加入PVA纤维，搅拌5～10min，此时搅拌的终止时间以纤维浆体不成团、结块为判断依据，保证纤维的充分分散，搅拌的时间要适中，时间太短了可能纤维不分散，时间太长纤维的分散性反而不好；
（6）随后将拌合物装入已涂好脱模剂的试模中，选用100×100×100mm的三联立方体试模，装料时应用抹刀沿试模壁插捣，并使拌和物略高出试模口；
（7）将试模置于高频混凝土振动台上进行振动，拌合物在振动台上的振动应使试模表面出浆为止，时间不够可以延长，但不得过振；
（8）振动完成之后，从振动台上取下试模，刮除试模口上多余的拌合物，待临近初凝时，用抹刀抹平；
（9）试件成型后，在室温为20±5℃的环境中静置24h，然后编号、拆模放入温
度为20±2℃及相对湿度为95%以上的标养室中养护，养护28d以后开始进行力
学性能试验.
按照上述程序，制备并养护完成的27批次的PVA－ECC试件如图2所示.
在PVA－ECC试件养护达到28d之后，将其从养护室中取出进行立方体抗压强度试验，抗压强度试验在2000kN的万能试验机上进行，加载速率为0.5～0.8MPa
／s.
通过对各批次PVA－ECC试件抗压强度的分析，在其它条件都相同的情况下，水
胶比（W／B）对PVA－ECC抗压强度的影响如图3所示.
可以看出，在粉煤灰掺量分别为55%和65%、减水剂掺量为0时，随着水胶比的增大，PVAECC的抗压强度先增大后减小，即在这两种情况下当水胶比为0.35时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.除此之外在大多数情况下，当粉煤灰掺量、减水
剂掺量一定时，随着水胶比的增大PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，即在水胶比
为0.25时PVA－ECC的抗压强度均达到最大.
在其它条件都相同的情况下，粉煤灰掺量对PVA－ECC抗压强度的影响如图4所示.
由图4可以看出，在水胶比为0.25、减水剂掺量为0.5%时，随着粉煤灰掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度先增大后减小，即在粉煤灰掺量为55%时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.除了这一种配比之外在其它绝大多数情况下，当水胶比、减水剂掺量一定时，随着粉煤灰掺量的增加，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，
即在粉煤灰掺量为45%时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.
在其它条件都相同的情况下，减水剂掺量对PVA－ECC抗压强度的影响如图5所示.
可以看出，在水胶比为0.25和粉煤灰掺量为45%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度逐渐增大，即在减水剂掺量为1.0%时PVA－ECC的抗压
强度达到最大.在水胶比为0.45和粉煤灰掺量为55%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，即在减水剂掺量为0时PVA－ECC的抗压强度达到最大.在水胶比为0.45和粉煤灰掺量为65%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度先减小后增大，即在减水剂掺量为1.0%时PVA－ECC的
抗压强度达到最大.除这三种配比之外，在其它大多数情况下，当水胶比、粉煤灰
掺量一定时，随着减水剂掺量的增加PVA－ECC的抗压强度先增大后减小，即在
减水剂掺量为0.5%时，PVA－ECC的抗压强度均达到最大.
通过制作不同配比的各批次PVA－ECC试件并进行立方体抗压强度试验，探索PVA－ECC的力学性能随配比而变化的规律.
（1）当粉煤灰掺量、减水剂掺量一定时，随着水胶比的增大PVA－ECC的抗压强度逐渐减小；
（2）当水胶比、减水剂掺量一定时，随着粉煤灰掺量的增加，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小；
（3）当水胶比、粉煤灰掺量一定时，随着减水剂掺量的增大PVA－ECC的抗压强度先增大后减小；
（4）在普遍意义上，从抗压强度的角度来看，当水胶比为0.25、粉煤灰掺量为45%、减水剂掺量为0.5%时，PVA－ECC达到最优配比.
【相关文献】
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