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华南理工大学高早强高韧性水泥复合基材料原文作者：Shuxin Wang and Victor C. Li摘要：快速修复和改造现有的基础设施需要有耐用的高早强材料，这种材料不仅能在几个小时提供工程所需的强度，值得注意的是，也能明显延长裂缝间隔的发展。本文报告了一类具有明显延展性的新的工程材料高早强聚乙烯醇(PVA)纤维水泥增强复合基材料 (ECC)。微观力学在许多材料设计过程中得到运用，特别是在本文中用于阐述材料在高强拉力作用下先前存在的裂缝及尺寸在微观力学模型中分布。结果显示高早强ECC材料能够实现在放置4h后抗压强度达到21 MPa(3.0 ksi)，并保持长期的拉伸应变高于2%。关键字：纤维；高早强；应变。介绍不断增加的道路修复和改造工程中，希望能最小程度地影响交通，这就需要能迅速硬化的高早强耐久混凝土材料。例如公路运输当局通常要求修复工作要在晚上花6到8小时内完成，以便第二天早上道路可以通车。在过去的二十年里, 学术研究和工业团体双方进行了大量的实验研究和调查，已经成功的得出了呈网状的胶凝混合物配方，该物质能在非常早的龄期内产生足够的抗压、抗弯强度。利用各种材料对强度增长的促进作用，混凝土可以通过用专用快硬水泥1 - 5或用普通硅酸盐水泥同时掺加促凝掺合料6-8来实现早期的高强度。不幸的是,传统的混凝土修补往往缺乏耐久性。据估计，多达半数的混凝土修复是失败的9，其中约3/4的失败是由于材料缺少耐久性，而另外的1/4则是由于结构的不合理。因为许多专有粘合剂体系在不同施工条件通常具有不可预测性，所以过早恶化的现象更常见于利用高早强水泥修复的地方。例如，一些非常高早强混凝土混合物的抗冻融能力下降3。而且，早期产生的裂缝与混凝土自收缩有关，热梯度引起的高温快速水合作用也会加剧裂缝的开展。复合基材料(ECC)是一类具有特殊的高性能纤维增强水泥复合材料品种(HPFRCC)，具有显著的抗拉延性和适合的纤维体积分数(通常是2%)。这个ECC的设计是运用微观力学模型进行的，它为复合基材料的力学行为和各个部分的性能提供定量联系，即纤维、基质和接触面之间的联系10。通过模型将应变强化和多重开裂转换为各组分性能产生的约束，即可得到所要求的高强度延性，这些组分（纤维、基质和接触面）之间通过相互协调来满足约束条件。ECC由于其高韧性和紧密的裂缝宽度，预计将成为一种有效的用于修复和改造的材料。而延性则被逐渐公认为是衡量修复后材料耐久性最重要的性能。作为一个修复材料，ECC的特殊变形和混凝土基质组织能够兼容。这种高断裂韧性和多重开裂行为使ECC用于改造时能有效地避免和限制周围的混凝土或从新旧混凝土界面间不稳定的裂纹的产生和扩展，从而消除了剥落或分层导致结构破坏这种在维修结构时常见的过早失效的模式11 13。与传统的张力软化FRC材料，在应变强化体系中，ECC的裂缝宽度可以衡量材料本质性能而且一般低于100m(0.004英寸)。因为流量是破坏混凝土的第三力量14，因此在氯环境条件下，预加载的钢筋混凝土梁实验的一个干湿周期中17，当裂缝宽度低于100m (0.004英寸) 接近零时15，流动的水通过渗透作用进入ECC的裂缝中的量是最少的16 ，从而防止钢筋被腐蚀从而保护住下面的结构不被破坏。Hiraishietal证明了当ECC取代混凝土用于工程时，钢筋的腐蚀是显著降低。此外，即使腐蚀已经发生，具有应变强化能力的ECC将减缓由于扩张引起的腐蚀和防止发生剥落。因此，用ECC材料进行维修和改造可以显著延长基础设施的使用寿命13,18。传统的ECC混合物是采用I型普通硅酸盐水泥(OPC)作为基质材料，它表现出了相对较慢的强度增长速度，高强度的增长率是理想的选择，但一个胶结剂体系需要在考虑材料成本、可加工性、实践限制和长期耐久性，如果这样可以达到足够的早期强度，那么普通的波特兰混合水泥基将比专有的快硬水泥有优势。尽管市场上有大量的促凝掺合料出售，但却很少(如果有的话)能够在放置3h后抗压强度达到13.8 MPa(2 ksi)5。因此，选择一个胶结剂体系是以高绩效为导向的，即如果必须严格满足强度要求，专用快硬水泥可能是唯一的选择。在这项研究中，文中研究了不同组合的胶结剂体系和促凝掺合料并给出了一些说明性的混合物。为快速修复设施，高早强ECC必须在结构恢复正常使用前满足一定的强度要求。然而，没有现有标准规定通车前需达到的最小抗压强度。Parker and Shoemaker6建议道路修复后，当最初通车时的抗压强度达到13.8 MPa (2 ksi)时足以防止结构剥落、磨损、变形、开裂。在19世纪中期，新泽西州交通部规定的6h目标抗压强度和抗弯强度分别为20.7和2.4 MPa (3000和350 psi)7。加州州运输部(综合) 进行最大深度路面维修时要求在通车前能达到最小抗弯强度为2.8 MPa (400 psi)19。这些强度规范是基于路面设计和工程师的经验结合在一起的，如果混凝土路面受到交通之前没达到这种强度，可能危及修补路面的耐久性和寿命。对于非常高早强的混凝土，加州运输部规定在放置4小时后挠曲强度达到2.8 MPa (400 psi)。美国联邦公路局施工规范：在快速修复混凝土路面设施和材料的部分深裂缝时20，建议所配置的快硬混凝土需达到的抗压强度为6.9 MPa(1.0 ksi)、抗弯强度为3.1 MPa(450 psi)。在这项研究中，规定达到的最小的抗压强度要求为20.7 MPa (3 ksi)和抗弯强度为3.5 MPa (500 psi)。本文介绍了从一项具有广泛性的实验项目，重点在材料设计的方面。高早强ECC基于快硬水泥和普通硅酸盐水泥报道。实验计划包括三个阶段，即基质的设计早期强度高，调整拉伸应变强化行为，以及其他机械性能的表征。在第一阶段，对相关的早期强度增益率的因素进行了研究，包括水胶比，加速器类型和材料用量。微观结构的调整的方法被引入到在第二阶段中，以减弱由于早期高强度组合物使用的基质和接触面的微观力学性能的不利影响，在必要时恢复拉伸延性。对于那些令人满意的混合物，早期强度、延展性以及其他的机械性质，包括弯曲响应和杨氏模量，都进行测定。研究意义当前国家的最先进的用于快速修复的高早强水泥基材料，包括各种快速硬化水泥基砂浆，聚合物砂浆，具有准脆性增强短纤维的性质，最常见的钢纤维和聚丙烯。掺入的纤维，尽管改善了材料抗裂能力，但削弱不了材料的张力软化行为和低应变的能力。本文报告的纤维增强水泥复合材料能够产生非常高的早期强度和显着的拉伸应变能力。另外，基体组织的调整突显了细观力学设计方法的有效性。使用这些材料进行维修或新建的后耐用性有望得到根本改善，由于优越的变形能力，裂缝宽度开展受限，并且兼容现有的基材。材料设计框架仔细地调整ECC材料的构成可以获得其应变硬化行为的能力，具体而言，这些性能是以在张力作用下发生稳态开裂为准的。这需要在裂纹尖端韧度Jtip小于补充能量Jb，计算出的桥接应力相对于裂纹开展的应变曲线，如图121-22。注：应变硬化复合材料典型的（）曲线；阴影区域表示能源Jb；阴影区域表示裂纹尖端韧性Jtip。其中0为的最大桥接应力对应的开口0，Em是在基体的弹性模量和Km是指断裂韧性。方程（1）是通过考虑稳态的平面裂纹的扩展过程中能量变化的平衡而获得。通过使用分析工具推导出断裂力学、微观力学特性并统计出应力裂纹开裂的（）关系，可以被看作是纤维的架桥行为的本构关系。特别是，沿着纤维/基体的隧道裂纹扩展能量被用于量化的脱粘进程和与给定埋置长度的纤维的桥接力23；引入统计信息来描述纤维随机的位置和取向。随机取向的纤维，也有必要运用力学核算倾斜的纤维和基体裂纹之间的相互作用。虚拟应变强化的另一个条件是，第一条裂缝的拉伸强度fc不得超过最大桥联应力0，其中fc确定由先前存在的最大的缺陷的尺寸maxa0和基质断裂韧性Km。可以在参考文献23和24找到这些微观力学分析的详细信息。方程（1）和（3）的成立，对实现ECC性能来说是必要的。否则，会产生FRC正常的张力软化性能。决定互补能源Jb的值的（）曲线形状，进一步说明了纤维/基体的相互作用机制。对于亲水性的聚乙烯醇（PVA）纤维，它已被用于增强ECC材料，其特征在于在纤维/基体的相互作用界面摩擦应力0，化学键Gd，和在纤维拉拔时滑移硬化系数计算滑移硬化能力。此外，冷落系数f和强度折减系数f被引入用于计算纤维和基体之间的相互作用，以及在一个倾斜的角度下被拉时，纤维强度的降低。除了界面性质外，（）曲线也受纤维含量Vf的，纤维直径df，长度Lf和杨氏模量EF的影响。上述稳态开裂标准要求的高度协调联系，例如在Jb的Jtip之间，适中的基体韧性和高互补的能源，后者还需要明智地控制纤维的几何形状和接口属性，例如，光纤在足够的抵抗力下可以被拉出但是裂缝的开展受到限制。ECC中使用的PVA纤维，在生产过程中特殊的表面处理被施加到纤维上，以减少与水泥基体过多的粘结合25。此外，常规ECC混合物含有高含量的水和粉煤灰用于控制基体的韧性和接口性能26。在设计高早强ECC时，添加粉煤灰可以降低水灰比（W / C）以便在早期能够获得强度的快速增长。高早强水泥的使用也可以改变界面的性能，主要是不利于热量的平衡。当Jb和Jtip之间的余量小，在先前存在的缺陷的基质中它们是主要影响因素，以保持高的应变能力。虽然公式（1）和（3）保证多开裂的发生，产生多个的数目的裂纹（多个裂纹的饱和电平），该缺陷的尺寸和它们的空间分布。有限公司由峰值桥接应力，下界临界缺陷尺寸cmc，只有大于cmc的缺陷可以在被激活之前达到0并有助于多处开裂。因此，要实现饱和多处开裂，足够数量的这样大的缺陷必须在基质中存在。在常规的ECC中缺陷的尺寸没有明确的分布地，韧性低基质被经常使用，使得大量的裂纹被激活，减少可能对cmc、产生足够的余量。考虑处理先前存在的固有缺陷时存在随机性，其中有一个方法，在实践中可以很容易地做到C以上规定的尺寸的人工缺陷作为自然缺陷一个的叠加。多种的颗粒，在实践中可作为的人工缺陷使用，只要有这些颗粒的存在，在脆性基质加载上时可引起局部的应力集中。下界的人工缺陷的数量，可以从最小的纤维界面的性质和基体开裂应力、开裂间距的限制中预计得出，而上限则受处理手段受限和纤维颗粒的随机分布的干扰比较大。关于这种方法的细节，可以在参考文献27中找到。实验方案进行了广泛的实验研究胶合剂体系中各种组合的早期强度增益率和在大致比例下配制ECC材料。除了I型OPC（普通硅酸盐水泥）和III型高早强硅酸盐水泥，铝酸钙水泥、石膏水泥、和混合的硫铝酸钙也被用于研究。使用市售的促进剂，其有效成分包括氯化钙，氮化物，钙和硝酸钙铵，和作为纤维分散液的高效减水剂一起用于研究。高效减水剂的化学成分不同，对早期强度的发展则显示出相当大的区别。本实验在主要成分为三聚氰胺甲醛磺酸盐，萘磺酸盐，聚羧酸盐三种高效减水剂的基础上进行了实验。此外，也对水胶比、砂粒含量的影响进行了研究。表1混合比例说明：*PT20：促进剂和含有硝酸钙铵和萘磺酸盐高效减水剂；ML330：三聚氰胺甲醛磺酸为基础的高效减水剂；GL3200：聚羧酸系高效减水剂；NC534：硝酸钙为主的促进剂；快硬水泥（S-30型，韩语）；聚丙烯（PP）玻璃珠子作为人工缺陷；III型水泥；|聚苯乙烯（EPS）玻璃珠子作为人工缺陷；I型普通硅酸盐水泥。五个说明性的混合比例在表1中列出。混合物SC01和SC19都使用快速硬化水泥掺混波特兰水泥（布莱恩表面积4730平方厘米/克）与磺酸基铝酸钙。混合物HP08和HP09都使用III型波特兰水泥（表面积5000平方厘米/克）。混合物OP08是普通ECC混合物组合，使用I型OPC（表面积为3300平方厘米/克），其结果可用于参照。混合物SC01和SC09具有相同的混合比例，不同的是SC09用于产生的人工缺陷中含有4.6（体积）的聚丙烯（PP）颗粒，这些圆盘形状颗粒的直径大约为4毫米，厚度约2mm，能够与周围水泥基材料进行弱胶结。同样，混合物HP08和HP09具有相同的混合比例，不同的是在混合物HP09中加入5.0（体积）的聚苯乙烯（PS）的颗粒作为人工缺陷。这些PS颗粒具有歪斜的长筒形状和锋利的边缘，最长尺寸的长度约为4毫米。具有高反应活性的少量超细粉煤灰（表面面积8000平方厘米/克）被加入到SC01和SC19中调节混合物的流变性28。所使用的砂是同一种类型的细二氧化硅砂，从50到250微米的粒度都有分布（0.002至0.010英寸），平均粒径为110微米（0.004英寸），（其中853微米3375微米，77小于100微米，93150微米）。一种特殊的为ECC的应用而设计的PVA纤维在所有的混合物中的适中体积分数为2。该纤维具有的长度为12毫米（0.47英寸），39微米（0.0015英寸）的直径，和标称的拉伸强度为1620MPa（235 ksi），纤维的密度是1300 kg/m3（2191 lb/yd3）。对于快速硬化水泥基混合物，强大的分散剂是足以实现快速的强度增长的，促进剂的效果被发现是最小的，可忽略其影响。多用途的混合物SC01，使用促进剂和高效减水剂，而在SC19中只使用了三聚氰胺甲醛磺酸基的高效减水剂。在文献8高早强度混凝土中可知，对于III型水泥为基质的体系中，在氯化钙被排除时，高效聚羧酸类减水剂和硝酸钙基促进剂相结合产生显著的强度增长率。ECC混合物用Hobart型搅拌器制备，其容量为10L（0.35立方英尺）。固体的成分，包括水泥，砂，飞灰和人工缺陷颗粒，如果适用，首先混合约1分钟，然后将水加入并再混合3分钟。接着，将高效减水剂加入到搅拌器中。混合物搅拌均匀后，加入纤维。如果使用促进掺和剂，则应在混合物浇注之前加入。整个混合操作一般需要8至10分钟。然后将混合物浇铸到铸模中，中度施加的振动。由于试样尺寸小，模具由塑料片材覆盖，并存储在一个绝缘壁的容器中以减少水化热的损失。试样在24小时后脱模，然后在实验前，在房间室温下（16至20）下固化，的相对湿度为555。所有的压缩试验用圆柱体试样直径为75毫米（3英寸）150毫米（6英寸）的高度。试样的端部用硫化物封住。在铸造后3小时开始强度测试。试样以时间的推移从铸造到测试结束作为龄期记录，混合过程和铸造过程大约花费20至30分钟。直接进行ECC材料的单轴拉伸试验来表征其拉伸性能26。这里所使用的样本测量为304.8 x 76.2 12.7毫米（123 x0.5英寸）。铝板胶合住试样的端部，以方便把持。把位移控制在0.005毫米/秒（0.0002英寸/秒）的加载速率下进行抗压试验。用两个外部线性可变位移传感器连接到试样表面来测量位移，其计量长度为约180毫米（7.1英寸）。计算开裂之前的单轴应力 - 应变曲线的线性弹性部可得出杨氏模量。抗弯性能测定，梁试样下部四点的弯曲量，其尺寸为长度304.8毫米（12英寸）宽度76.2毫米（3英寸），深度为25.4毫米（1英寸）。梁两端支撑之间的跨度为254毫米（10英寸），恒力矩长度为76.2毫米（3英寸）。加载速率为0.05毫米/秒（0.0英寸/秒02），并记录加载点的位移。应当指出的弯曲测试不是应变强化的一个可靠的测试，但在这里进行的主要是因为在某些的应用中规定了抗弯修复强度。纤维拉拔试验对纤维/基体界面的属性进行了测量，包括摩擦应力o，化学键Gd，滑移硬化系数。试样的制备测试方法可以在参考文献25中找到。数据处理和计算的参数按照参考文献29。经三点弯曲测试测定基质的断裂韧度Km值符合规范ASTM E399的要求。纤维基质混合物的梁试样不含纤维，其长度304.8毫米（12英寸）宽76.2毫米（3英寸），深度38.1毫米（1.5英寸），可以加载的梁的跨度为254.0毫米（10英寸），切口深度和高度的比为0.4。实验结果分析结果（这两部分翻译出来的话还有5000字，在此省略，愿莫怪莫怪！）致谢作者要感谢Wonha建设有限公司，韩国，和密歇根州运输部支持本研究。参考文献：1. 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