纤维掺量对高延性水泥基复合材料塑性收缩的影响

四川建筑科学研究Sichuan Building Science

第43卷第4期2017年8月

纤维掺量对高延性水泥基复合材料塑性收缩的影响

伍勇华

1，刘景涛1，邓明科2，杜伟良1，陈

畅1

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西西安710055;2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)

(ECC)应用效果有直接影响。通过非接触式收缩试验研究了纤维

掺量对ECC早期塑性收缩的影响。结果表明，在掺量小于0. 9%时,随着聚乙烯醇（PVA)纤维体积掺量的增加，早 期塑性收缩量逐渐减小，但纤维掺量超过〇. 9%后，早期塑性收缩值趋于稳定。基于试验结果，通过回归分析提出 了适用于高纤维掺量的ECC早期塑性收缩值预测公式。关键词:ECC;塑性收缩;PVA纤维;预测公式中图分类号:TU 528. 572 文献标志码：A 文章编号= 1008 - 1933 (2017)04 - 108 -03

摘要:早期塑性收缩对高延性水泥基复合材料

Effect of fiber content on plastic shrinkage of engineered

cementitious composite

WU Yonghua1 ,LIU Jingtao1 ,DENG Mingke2,DU Weiliang1 ,CHEN Chang1

(1. School of Material and Mineral Resource，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055 , China；2. School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055 ,China)

Abstract ： Application of engineered cementitious composite ( ECC ) was directly influenced by early plastic shrinkage. The effect of fiber volume fraction on early plastic shrinkage of ECC was researched by means of non-contact sensor. The results showed that the early plastic shrinkage of ECC decreased with the increasing of polyvinyl alcohol (PVA) fiber volume fraction,whose content was from 0 to 0. 9%. However, the early plastic shrinkage stabilized when the fiber volume fraction was more than 0. 9%. Formula for predicting early shrinkage of high fiber volume fraction ECC was designed by regression analysis based on the test results.Key words ： engineered cementitious composite ； plastic shrinkage； PVA fiber prediction formula

〇引言

高延性水泥基复合材料（engineered cementi­

tious composite ， ECC ) 是经过设计的纤维増强型复合

结硬化后，即混凝土凝聚结构形成阶段，该阶段的收 缩主要是干燥收缩和自收缩。混凝土早期的塑性收 缩是混凝土各个时期中产生收缩量最大、体积变化 最明显的阶段，该阶段的收缩是引起混凝土工程早

期开裂的重要因素ECC中胶凝材料和矿物掺

[M]。

材料，具有超高延性和极大的韧性。纤维体积掺量

仅为2%的ECC，其单轴拉伸最大应变可达3%以 上[1_3]。同时，在极端环境下它还具有良好的耐久 性和耐疲劳性能[4]。ECC已应用于混凝土保护层 以提高其耐久性，还作为耗能材料用于提高结构抗 震性能以及既有结构物的修复、加固等[5 6]。ECC 在用于大面积和纵长结构维修加固时，如果早期发 生塑性收缩开裂将直接影响加固和应用效果。

根据混凝土凝结硬化状态不同，混凝土的早期 收缩可分为两个阶段:一是凝结硬化前，混凝土为塑 性，此时的收缩主要是化学收缩和塑性收缩;二是凝

合料的用量大，并且不使用粗骨料，这就导致其塑性

收缩量与普通混凝土相比更大。但ECC中要掺加 大量有机纤维，这会对基体材料塑性收缩产生不同 的影响。目前，关于ECC基体材料以及纤维掺量对 其早期塑性收缩特性影响的研究还很少。

本文研究了不同掺量的PVA纤维对ECC早期 塑性收缩的影响规律，并结合试验结果提出ECC早 期塑性收缩值的预测公式，这对预防ECC塑性收缩 引起开裂有重要意义。

1试验

收稿日期

基金项目：国家自然科学基金项目（作者简介伍勇华，男，博士，副教授，主要从事水泥基复合

=2016-11-10:

（1973 -)

51578445)

1.1试验原料

水泥为陕西声威水泥有限公司生产的P. 〇

42. 5R水泥，粉煤灰为渭河电厂I级粉煤灰，砂为西 安渭河中砂，萘系高效减水剂为陕西三原减水剂有

材料方面的研究。

E - mail ： xjdjcs@ tom. com

2017 No. 4

伍勇华，等:纤维掺量对高延性水泥基复合材料塑性收缩的影响109

限公司生产的FDN粉剂，PVA纤维由永安市宝华林 实业发展有限公司生产水泥、粉煤灰的化学成分 和矿物组分分别见表1、2，PVA

纤维的性能参数见

表3 6试验设计ECC水胶比为0. 3，砂胶比为0. 36。

表1

水泥的化学成分和矿物组分

Table 1 Chemical component and mineral component

of cement

化学成分/%c3s 矿物组分c2s

/%

Si02 Fe2〇3 Al2〇3 CaO MgO S03c3a c4af

21.86 3.93

5.12 63.63 3.11 2.35

58.0 17.20 7.98 9.55

表

2

粉煤灰的化学成分

Table 2 Chemical component of fly ash

化学成分

MgO A1203 Si02Fe203 CaO含量

/%

烧失量1.29

29.93

53.45

4.32

6.63

4.38

表3 PVA纤维性能指标

Table 3 Performance indicators of PVA

/m长度

直径

m/pim

抗拉强度

/MPa弹性模量

/GPa伸长率

/%

12

39

1600

40

7

1.2试验方法

收缩测试参照田情和张等对宁高性能 混凝土收缩测试的方法，试验装置如图1所示。

，3

5

1 -激光位移传感器、5 、2 -试模、3 -基底、

4 -数据采集设备-数据存储设备

图1

收缩变形测试方法及数据采集系统

Fig. 1 Measuring and data acquisition system for ECC

ECC搅拌均匀后，浇筑于涂过油的PVC试模

内，经插捣振实后，抹平表面，置予基底i用激光位 移传感器进行收缩测试。试验期间环境温度为 21.1 ~28. 9°C，湿度为.53. 8% ~62.

凝结时间按照《建筑砂浆基本性能试验方法标 准KXJ/T 70—2009)中的试验方法进行测定。

2纤维掺量对ECC早期塑性收缩的 影响

按照JGJ/T 70—2009标准使用砂浆凝结时间 测定仪对ECC初凝时间进行测定，其初凝时间约为 6. 5 h，本文着重研究初凝之前ECC的塑性收缩规 律。不同纤维体积掺量的ECC旱期塑性收缩随时

间的变化、不同纤维掺量拥ECC在不同时刻的早期 塑性收缩与纤维掺逢的关系，分别如图2、3所示。

n

/锻

^胡_

图2

不同纤维掺量ECC早期塑性收缩随时间变化曲线

Fig. 2 Early plastic shrinkage curve of ECC with

different content of PVA fiber

0.0 0.6 1.2 1.8 2.4

纤维体积掺量/%

图3

不同时刻ECC早期塑性收缩与纤维掺量关系曲线

Fig. 3 Early plastic shrinkage curve of ECC withdifferent content of PVA fiber in

different time

从图2中可以看出，在初凝前的6. 5 h内，随着 时间延长，混凝土的塑性收缩都是不断增大的，并且 初始时增长速率很快，而后.期增长速率放缓。此外， 从图2中还頭看出，不掺纤维的混凝土各时伺段塑 性收缩量最大,而掺加〇. 3% ~ 0. 9% PVA纤维的， 各时间段塑性收缩随纤维掺釐增大而有规律下降， 但纤维掺量超过〇. 9%后，ECC的塑性收缩不再随 纤维掺量增太而下降，而是产生.了波动6这一规律 从图3中可以更直观地看出。

出现以上规律的原因在于，适量PVA纤维加人 混凝士后，经过搅拌，纤维在混凝土中形成乱向、无 序的排列，从而减小了混凝土中營料的沉降，并且可 以阻隔水分的流动通道，减缓水分蒸发速率，从而起 到了抑制早期塑性收缩的作用^但纤维掺量过大， 会使混凝土内部的界面増多，同时使孔隙的数量增 多。此外，随着纤维体积掺量的增加，纤维的均匀分 布越来越难实现，而如果纤维分布不均匀则无法充 分发挥抑制收缩的作用。因此，_纤维掺董起过 0. 9%后，ECC的塑性收缩并不随之减小。

110

四川建筑科学研究第43卷

3纤维掺量对ECC早期塑性收缩终 值影响的预测公式

测定多组纤维掺量对ECC初凝时刻塑性收缩 值的影响，试验结果如图4所示。

图4 ECC初凝时塑性收缩试验值与预测公式曲线 Fig. 4 The shrinkage curve in initial setting time and

the prediction curve shrinkage of ECC

从图4中的3组测试值可以看出，ECC初凝时 刻，塑性收缩值总体上呈现随PVA纤维掺量的增大 而逐渐减小的趋势，但在纤维掺量小于〇. 9%时，降 低较明显，而当纤维掺量超过〇. 9%后，塑性收缩降 低趋势趋于平缓。

对图4中塑性收缩值进行回归分析，得到初凝 时刻ECC塑性收缩值预测公式如下：

〜=2 431. 72 -800. 41% + 190. 61 ^ (1)

式中〜—

ECC初凝时刻塑性收缩值；V{—

PVA纤维体积掺量。

图4中的实线即为由预测公式计算得到的预测 曲线，其相关系数为0.904 53。可以看出，该曲线 在纤维掺量小于0. 9%时迅速减小，但在纤维掺量 超过0. 9%以后，该曲线变得平缓。这与试验测试 值的规律是一致的。

将试验实测ECC早期塑性收缩终值与预测公 式计算所得收缩预测值进行比较，对比结果见表4。

表4

试验值与预测值对比

Table 4 Comparative results of the experimental and

predicted values

PVA 预测

第

1组 第

2组 第

3组

掺/%量终值试验终值0.302431.72/ [XS

误差试验终值误差试验终值误差

2208.752882/ [XS15.6/%2218/ [XS-9.6/%0.62020.0924449.6-5.92289/ [XS-6.2/%0.91865.7520522085-3.12180-1.31.21745.711777-5.01.61960-9.41843-9.6-7.91.51659.98195510.717061.81608.56200917.417161729-2-1.71.99.62.1

1591.4517618.71362193217267.8

168816641385-14.74.9

15831450

-1.60.2-9.7

由表4可以看出，通过预测公式计算所得预测 值与实际试验值的误差在合理范围内[11]。

4结论

1)

掺入PVA纤维对ECC的早期塑性收缩有一

定的抑制作用，并且随着纤维掺量的增加早期塑性 收缩呈现逐渐减小的规律，但掺量超过〇. 9%后收 缩减小趋势变缓。

2)

提出了纤维掺量对ECC早期塑性收缩影响

的预测公式。通过比较预测值和实际试验值，表明 所提出的ECC早期塑性收缩值预测公式具有一定 的合理性。

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