制备ULHDCC 采用普通硅酸盐水泥PO52.5R、SiO₂含量超过94%的加密型硅灰、采用三种不同类型(D38、D42、D46)的空心微珠,其中微珠的粒径分布如图1 所示.PE 纤维经过亲水改性处理,其基本性能指标见表1.减水剂采用聚羧酸型的高效减水剂,水即为普通自来水.ULHDCC 试验的配合比设计如表2 所示.制备时,将干料投入锅中进行充分干拌,接着将80%减水剂与水混合后投入干料进行高速搅拌,最后配合低速搅拌和流动度测试指标确定最终减水剂用量,完成ULHDCC的制备.浇筑24 h后拆模,放入温度为20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中进行养护至龄期后测试^[15].

图1 微珠粒径分布
Fig.1 The particle size distribution of Microspheres

表1 改性PE 纤维基本性能
Tab.1 The properties of modified PE fibers

表2 配合比设计
Tab.2 Mixture proportion

表3 ULHDCC基本性能
Tab.3 Properties of ULHDCC

抗压强度实验采用50 mm*50 mm*50 mm 立方体试块^[16],加载装置使用恒加载水泥抗折抗压试验机,加载速度取1 kN/s.单轴静力拉伸试验按照JSCE推荐的标准试件尺寸进行试验^[17],使用MTS通用试验机进行静力拉伸试验,加载速度为0.5 mm/min,试验装置及试件尺寸见图2.导热系数测定采用热流量计法对300 mm*300 mm*50 mm的板进行实验^[18].具体试件信息与测试规范如表3所示.对ULHDCC材料微观尺度,本文采用扫描电子显微镜(SEM)进行观察和分析.

表观密度于浇筑24 h后脱模测得,掺加三种类型微珠的混凝土密度在850～920 kg/m³之间.在体积掺量相同的条件下,微珠密度越大,成型的混凝土的表观密度也越大.由图3可以看出,抗压强度与表观密度成正比关系,平均抗压强度从27.2 MPa增至32.9 MPa.原因是密度大的微珠壁厚较大,因此一般破碎强度也高,制备的轻质混凝土密度和强度都随着提高.同时,本文发现掺加纤维可以使得抗压强度强度明显提高,以D46微珠为例,掺加1%纤维,抗压强度由20.8 MPa 提高到32.9 MPa,提高约59%.原因可能是由于纤维经过了亲水处理使得纤维与水泥浆的粘结更好,减少了浆体内部气泡生成,浆体更加密实,从而使得抗压强度有明显提高,但这一结论还需后续试验验证.此外,是否掺加纤维对试件的破坏形态也有显著影响.如图4、图5所示,未掺加纤维的试件,压力荷载下混凝土外层劈裂剥落,与高强混凝土、普通轻骨料混凝土破坏模式相似; 而掺加纤维的试件,压力荷载下有裂缝产生,但纤维由于桥接作用阻止裂缝进一步开展,试块整体仍保持完整状态,直到试块呈现出压扁状.

图2 静力拉伸装置与试件尺寸
Fig.2 Static tensile setup & dog-bone specimen

图3 抗压强度与表观密度关系
Fig.3 Relationship between compressive strength and density

图4 D46-PE0 试块破坏模式—脆性劈裂
Fig.4 Failure mode ofD46-PE0-splitting failure

图5 D46-PE1%试块破坏模式-压扁
Fig.5 Failure mode of D46-PE1%-squashed

未掺加纤维的试件抗拉强度大约在1 MPa左右,在24 h后拆模时早期强度较低,容易出现裂缝,导致试件发生断裂而无法测试.加入1%纤维后,极限抗拉强度可以达到2.9 MPa,极限拉伸应变均可达到6%,测试结果如图6所示.其中,D38-PE1%的极限拉伸应变达到了8%,是普通混凝土极限拉应变(0.000 1～0.000 17)^[19]的几百倍,显著提高了材料的延性,甚至高于普通高延性混凝土ECC^[20].图7显示的是超轻质高延性混凝土受拉后呈现出多裂缝开展的典型特征.

图6 直接拉伸应力-应变曲线
Fig.6 The stress-strain curve of direct tensile test

图7 多裂缝破坏模式
Fig.7 Multi-cracks failure mode

混凝土的导热系数受材料的含水率和孔隙率影响显著,为了更准确表征材料的导热系数,在进行测试之前对试件进行干燥处理,直到试件烘干至质量恒定.本次试验测试了不含纤维的D46-PE0组别混凝土的导热系数,经过与文献资料对比,本文制备的超轻质高延性水泥基材料导热系数较低,仅为0.152 W/mK.图8可以看出,导热系数与材料密度基本成正比关系,这是由于在轻质混凝土孔隙率较高,孔隙率高的混凝土比密实的混凝土含气量更高,与固体相比,气体的导热系数更小,故轻质混凝土拥有较低的导热系数.本文采用的玻璃微珠为中空的球形骨料,不仅降低了材料密度,也使得密闭孔含量增多,有效降低了材料的导热系数.

图8 不同混凝土的导热系数与密度关系
Fig.8 Relation between thermal conductivity and density for different lightweight concrete

图9给出了不同尺度下超轻质高延性水泥基材料扫描电镜的微观结构形貌.微珠为大小不一的光滑球状物,为实现低密度,微珠掺量较大,由图9(a)可见大量微珠均匀分散于水泥浆体中(放大倍数400倍),进一步证明该材料基体密实,有利于强度提高.微珠壳体主要成分为SiO₂,但成品经表面处理后呈惰性,完整微珠活性较低.从图9(b)与图9(c)可以看出珠体表面仍然光滑(放大倍数均1 600倍).由于微珠自身的破碎强度高达37.9 MPa^[14],因搅拌制备过程或加载发生破损的微珠较少(微珠珠体上有裂缝,如图9(b)所示),裂缝主要出现在微珠与水泥浆的粘结界面上如图9(c)所示.由此可见,在本文设计配合比下的ULHDCC材料骨料和浆体的粘结界面是较为薄弱的部位.在水泥基材料中添加纤维能够增强其延性,在本次试验中掺入纤维组别中未见明显在受拉后试件得以多裂缝发展,从而发挥高延性等于纤维桥联强度σ₀,即满足公式(1).

σ_cr<σ₀(1)

纤维断裂,图9(d)中纤维仍“锚固”于浆体中,的特征.在设计高延性材料时需满足强度和能量两个准则^[20],强度准则是指初始裂缝强度σ_cr小于只有初始裂缝强度小于纤维桥联强度,水泥基基体在开裂后才不会直接发生纤维拔出等破坏,从而纤维受力发挥其桥联作用,将应力传递到其他未开裂部位,周而复始,使得出现多裂缝破坏机制(图7所示).在本次试验中,从图9(b)、图9(c)、图9(d)可以看出,水泥基体强度要小于纤维的桥联强度.初始裂缝强度主要受试件的断裂韧性K_m与内部缺陷等因素影响^[20,21],纤维桥联强度主要受纤维种类以及纤维/基体的界面性能影响.显然,σ_cr/σ₀比值越小对于裂缝发展更有利,但降低σ_cr会影响材料的其他性能,故本文挑选了经过改性处理的PE纤维,使纤维粘结更牢固来提高σ₀.

图9 微观尺度下的形貌
Fig.9 Microscopic morphology

Jtip+∫σss0σ(δ)dδ=σssδss(2)

J'b+∫δ00σ(δ)dδ=σ0δ0(3)

J_tipb(4)

其中,J_tip=K²_m/E_c,Ec为材料的弹性模量,K_m为断裂韧性,可由文献[22]的测试方法求得.微观力学模型和试验测试均表明J_tip/J'_b越小越好^[23,24].纤维基体的粘结强度会影响补足能量的大小,粘结过小,纤维容易拔出导致σ₀过小,粘结强度过大会使得纤维拉断导致δ₀较小^[20],故需要选择合适的纤维/基体粘结强度,不能为满足强度准则而一味提高纤维/基体粘结强度.以D46-PE1%组为例进行能量准则验证,基本参数按照文献[22]取40 mm*40 mm*160 mm带凹口的棱柱体进行三点弯曲试验.根据公式(5)与(6)求得结果如表4所示,比值满足公式(4)能量准则.

图 10 能量准则示意图
Fig.10 Schematic diagram of energy criterion

表4 参数计算结果
Tab.4 The results of the parameters