试验采用吉林亚泰哈尔滨有限公司生产的天鹅牌P·O 42.5水泥,哈尔滨三电厂生产的I级粉煤灰,粉煤灰的平均粒径和密度分别为3.42 μm和2.43 g/cm³.纤维为日本Kuraray生产的K-II聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维.骨料选用哈尔滨晶华材料有限公司生产的石英砂,其细度模数为2.01.超吸水聚合物是一种白色聚合物颗粒,其平均粒径为80 μm,保水量为96%,水的质量分数为5%,密度为0.79 g/cm³,吸水率为400～600 mL/g,残余单体质量分数<200×10⁶.减水剂采用德国BASF公司生产的聚羧酸系高性能减水剂.

本实验设计ECC配合比如表1.在试验过程中,PVA纤维体积分数为2%; 粉煤灰的质量分数分别为50%和70%; 超级吸水颗粒的质量分数分别

表1 ECC的配合比
Table 1 Mix proportion of ECC mixtures

为胶凝材料总量的0.2%和0.4%,其体积占整个体积的0.3%和0.6%; 吸水后SAP颗粒的体积约占总体积的2.2%和4.2%.试验所用配合比为FA50-0、FA50-0.2、FA50-0.4、FA70-0、FA70-0.2和FA70-0.4,前面的数字表示粉煤灰的质量分数,后面的数字表示总胶凝材料中SAP的质量分数.

首先,将水泥、粉煤灰和砂等组分倒入搅拌锅中搅拌2 min; 随后将大部分水和减水剂倒入搅拌锅,搅拌至浆体均匀; 将PVA纤维缓慢地加入到水泥浆体中,搅拌直至纤维分散均匀、搅拌锅底部无结团为止; 随后将SAP颗粒和剩余用水加入配合物中搅拌; 最后将拌合均匀的拌合物注入试模中.ECC试件经1 d脱模后置入标准养护室,其中养护7 d,温度为(20±2)℃,湿度为98%±2%.随后取出放入空气中养护,其温度为(20±2)℃,湿度为55%±5%,直至测试龄期.

采用四点弯曲试验方法得到ECC荷载-挠度曲线,所用板状试件尺寸为320 mm × 40 mm × 12 mm,每组至少采用4个试件进行四点弯曲试验.抗压强度和抗折强度采用棱柱体,试件尺寸为160 mm × 40 mm × 40 mm,每组采用3个试件,首先进行抗折强度试验,随后进行抗压强度试验,抗折强度和抗压强度的试验结果取其平均值.

SAP掺量对试件荷载-挠度曲线的影响如图1所示.为了便于比较SAP颗粒对ECC荷载-挠度曲线的影响,图1中所有曲线坐标轴选用同样的比例.由图1可知,试件28 d挠度都不低于10 mm.SAP颗粒引入基体能够增加试件的挠度,且挠度随着SAP掺量的增加而增大.例如,与FA70-0相比,FA70-0.2和FA70-0.4挠度分别增加19%和30%; 与FA50-0相比,FA50-0.2和FA50-0.4的挠度分别增加40%和77%.因此,当SAP颗粒的质量分数相同时,SAP颗粒对粉煤灰质量分数较低ECC挠度的改善作用更为明显.

图1 掺有SAP颗粒ECC试件的荷载-挠度曲线(28 d)
Fig.1 Deflection-load curves of ECC with SAP for 28 days

SAP颗粒对ECC荷载-挠度曲线特征参数的影响如表2所示.从中可知,基体中掺入SAP降低了水泥基复合材料的初始开裂荷载和峰值荷载,且随着SAP质量分数的增多而不断降低.例如,与FA50-0相比,FA50-0.2和FA50-0.4的初始开裂荷载分别减小27%和38%.但是,基体中引入SAP颗粒能够增加ECC的断裂能量和韧性指数,且随着SAP颗粒掺量的增多而增大.例如,与FA50-0相比,FA50-0.2和FA50-0.4的韧性指数分别增加了44%和59%.

表2 掺有SAP颗粒ECC试件荷载-挠度曲线的特征参数
Table 2 Characteristics of load-deflection response for ECC with SAP particles

在ECC搅拌过程中,发现掺有SAP颗粒的拌合物容易起泡,且在成型过程中气泡容易破裂.为此,本研究探讨了SAP颗粒对ECC表观密度的影响,如表3所示.

表3 SAP颗粒对ECC表观密度的影响
Table 3 Effect of SAP particles on bulk density of ECC

由表3可知,基体中掺入SAP颗粒降低了ECC的表观密度,且随SAP质量分数的增大而减小.养护28 d 后ECC表观密度介于2 117～2 010 kg/m³. 当SAP颗粒质量分数由0增至0.4%时,表观密度最多可减小100 kg/m³.当粉煤灰质量分数由50%增至70%时,ECC的28 d表观密度减小了54 kg/m³.

此外,为了验证SAP颗粒确实具有储水作用,测试了ECC在不同龄期的质量变化情况,如图2所示.由图2可知,ECC的质量损失在7 d内变化最明显,未掺SAP颗粒试件的质量损失最大.因此,基体中引入SAP颗粒能够减少试件的质量损失,且SAP颗粒质量分数越大,质量损失越小.

图2 ECC的质量损失
Fig.2 Mass loss of ECC

基体中引入SAP颗粒对ECC各龄期抗压强度和抗折强度的影响如表4所示.由表4可知,掺有SAP颗粒的试件在各龄期抗压强度都明显低于基准配合比(FA50-0和FA70-0)对应龄期的抗压强度.ECC抗压强度随着SAP颗粒质量分数的增大而降低.例如,与FA70-0的28 d抗压强度相比,FA70-0.2和FA70-0.4的28 d抗压强度分别降低了10%

表4 SAP颗粒对ECC抗压强度和抗折强度的影响
Table 4 Effect of SAP particles on compressive and flexural strength of ECC

图3 ECC试件的开裂情况
Fig.3 Crack patterns of ECC specimens

和15%.对掺有SAP颗粒ECC而言,抗压强度降低主要是由于SAP颗粒吸水后留下的孔所致,SAP颗粒愈多,基体中孔的数量相应增多,导致试件抗压强度降低.试件的抗压强度随着养护龄期的延长而增大,特别是对于SAP颗粒较多的ECC而言,其后期抗压强度增加较快,这是由在于吸水后SAP颗粒能够起到储水的作用,为后期胶凝材料的水化提供水分^[13].SAP颗粒对ECC试件抗折强度的影响规律与抗压强度一致.