0 引言

高延性水泥基材料(ECC)首先由密歇根大学提出，由水泥、水、砂、矿粉以及各种添加剂作为基体材料、聚乙烯醇纤维作为补强材料组成。ECC具有极高的延性，在拉伸荷载下主要的破坏形式为产生数条分布密集、宽度极细的裂缝^[1-5]。在纤维提及含量低于2%时，极限拉应变可达普通混凝土的300倍。目前，国内外已有将ECC应用于正交桥面铺装、桥墩加固、桥梁伸缩缝施工、联接梁以及梁柱连接等工程的实例，用以解决工程中桥面板、桥梁结构等位置的剪切裂缝、弯拉裂缝等问题^[6-10]。

在ECC的基体材料中掺入粉煤灰可以对材料的性质产生显著影响^[11]。粉煤灰对材料的影响首先体现在纤维与基体的界面上，粉煤灰的掺入会使界面的化学黏结力降低，从而使其破坏形式由断裂向滑移转变^[12-13]。此外，小粒径的粉煤灰使界面过渡区的堆积密度增大，从而提高了两种材料之间的摩擦黏结力，根据ECC设计理论，这有利于减小裂缝间距，有利于细密裂纹的产生^[14-15]。除界面外，粉煤灰还影响混凝土整体的性能，粉煤灰存在“形态效应”和“微集料效益”可以减少用水量；其内部材料与水泥水化物可以发生二次反应，对ECC有增强增密作用；还可以通过“火山灰反应”促进混凝土的自愈合效应，从而改善ECC的抗疲劳性能^[16]。此外，粉煤灰大量掺入属废物再利用，具有环保、降低成本的优势。

粉煤灰对ECC的作用受到环境、龄期、掺量与粉煤灰自身性质等多方面的影响，如：粉煤灰掺量较低的ECC拉伸性能受到高温的影响变差，而随着粉煤灰含量增加，这一影响会显著减小^[17]，ECC的强度会随着龄期的增长而增大^[18]，粉煤灰的细度与钙含量也会对ECC的延展性、抗压强度产生影响^[19]。工程与研究中粉煤灰的掺量一般为40%~60%之间^{[11, 17-20]}，而对于大掺量粉煤灰(60%~80%)对ECC整体的力学性能和损伤特性的影响了解较少，在工程应用中的ECC材料设计需要对其强度、延性、韧性、抗裂性能随粉煤灰掺量增加的变化趋势与变化程度进一步了解。借助四点弯曲试验、单轴拉伸试验、单根纤维拔出试验、抗压强度试验以及三点弯曲试验，研究了粉煤灰掺量在60%~80%之间时，对ECC材料性能的影响。为ECC的材料组成设计提供了参考依据。

1 材料组成与试验内容 1.1 材料组成与制备工艺

制备ECC的原材料包括：水泥、粉煤灰、石英砂、聚乙烯醇纤维、水、减水剂。

其中，水泥采用海螺牌42.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用热电厂生产的低钙类Ⅰ级粉煤灰，两者的化学成分组成如表 1所示；石英砂选用粒径70~140目的精制石英砂；选用纤维的各项指标如表 2所示，所选用的减水剂为减水率大于20%的JMPCA聚羧酸系减水剂。最终各种材料的配合比如表 3所示。

本研究采取的ECC制备工序如下：(1)将水泥、粉煤灰和石英砂按比例加入搅拌机中低速干拌3 min；(2)先后将水与减水剂加入搅拌机低速处拌1 min后高速搅拌4 min；(3)保持搅拌机运行并缓慢匀速加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌10 min，直至纤维均匀分散，浆体流动度良好；(4)将混合料浇注到刷有脱模剂的模具中，在振动台震动1 min；(5)试件成型后在表面覆盖保护膜，在室温下养护24 h后脱模，将试件放在标准养护箱内养护28 d龄期，方可进行各类试验。

1.2 试验内容

本研究以《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JCT 2461—2018)为依据设计试验，对不同粉煤灰掺量的ECC试件进行测试。

1.2.1 三点弯曲试验

三点弯曲试验的主要目的在于确定ECC试件的断裂韧性，需要对试件进行切缝。用于三点弯曲的试件尺寸为38 mm×76 mm×350 mm，切缝深度30.4 mm，支点间距离304 mm，加载速率采用0.06 mm·min^-1。

1.2.2 四点弯曲试验

四点弯曲试验的主要目的在于测试ECC试件的弯曲强度与延性，无需对试件进行切缝。用于四点弯曲试验的试件尺寸选取为70 mm×16 mm×400 mm，加载位置位于薄板试件的三等分点，加载速率采用1.0 mm·min^-1。

1.2.3 单轴拉伸试验

单轴拉伸试验的主要目的在于测试ECC试件的拉伸强度与延性，为防止夹具外出现应力集中，单轴拉伸试验采用狗骨形试件，其具体尺寸如图 1所示，加载速率采用0.5 mm·min^-1。

1.2.4 抗压强度试验

用于测试ECC试件的抗压强度，抗压强度试验选取尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，加载速率选取1.5 kN·s^-1。

1.2.5 单根纤维拔出试验

单根纤维拔出试验能够测试纤维与ECC基体间的化学黏结强度与界面摩擦强度，选用拉力试验机进行单根纤维拔出试验，选取加载速率0.4 mm·min^-1。试验中数据主要记录加载时的拉力与纤维端部的位移。

2 试验结果与分析 2.1 粉煤灰掺量对开裂性能的影响

ECC基体的弹性模量、开裂强度和断裂韧性是判断其延性的重要参考因素，弹性模量、开裂强度由单轴拉伸试验获得，断裂韧性由三点弯曲试验获取，计算方法如式(1)和式(2)所示。ECC基体的高延性在以上3个参数中表现为较小的断裂强度, 较高的弹性模量和较低的断裂韧度，从而更容易产生更多的细密裂纹。不同掺量的粉煤灰所对应的弹性模量、开裂强度、断裂韧性如图 2所示。

(1)

(2)

式中，K_m为断裂韧性；P为临界荷载；S为支点跨径；B为高度；W为宽度；a为切缝长度。

由图可知，当粉煤灰掺量增加，ECC基体的弹性模量、开裂强度与断裂韧性均呈下降趋势，当粉煤灰掺量由60%增长到80%，3个数据分别下降到原先的60%，63%和57%。由于粉煤灰的二次水化反应产生时间晚, 反应过程缓慢，导致混凝土试件中仍有较多孔隙，且孔隙数量随粉煤灰掺量而增加，从而导致ECC基体的整体强度下降，同时断裂强度亦降低，更易受拉开裂。

2.2 粉煤灰掺量对弯曲和拉伸延性和强度的影响

通过单轴拉伸试验和四点弯曲试验分别研究了ECC的拉伸强度与延性和弯曲强度与延性。

ECC拉伸荷载下的应力-应变曲线如图 3所示。由图可知ECC拉伸破坏可分为3个阶段：Ⅰ弹性变形阶段、Ⅱ塑性应变-硬化阶段和Ⅲ应力松弛阶段。在Ⅰ阶段，ECC变形随荷载线性增长，拉应力由基体和纤维共同承担；在Ⅱ阶段，ECC内部应力达到抗拉强度，开始产生微裂纹，裂纹内部的拉应力由纤维单独承担，裂缝数量逐渐增加直至饱满进入Ⅲ阶段，裂缝张开、ECC整体强度下降。

不同粉煤灰掺量的ECC抗拉强度与最大拉应变如图 4所示。由图 4(a)可知，ECC的抗拉强度随着粉煤灰掺量增加而减小，这是由于粉煤灰与水泥水化物二次水化反应时间晚, 速度慢导致的早期强度较低，当材料进入水化后期，粉煤灰对ECC的强度增长有利。由图 4(b)可知，ECC的变形能力随着粉煤灰掺量的增加而增大，证明粉煤灰掺量提高有利于提升ECC的拉伸延性，这是由于掺入粉煤灰能够降低纤维与基体之间的黏结力，相比断裂，纤维在基体中更倾向于滑移，从而使ECC在较大变形时仍能够保持足够的强度，提高了材料整体的延性。

ECC弯曲荷载下的应力-应变曲线如图 5所示。由图可知，ECC在弯曲荷载作用下的破坏过程与拉伸荷载作用下相似，都可以分为3个受力阶段。对比4种不同粉煤灰掺量的应力-位移曲线可以发现，当粉煤灰掺量增加时，ECC的初始开裂强度下降明显，极限弯曲强度略有下降，但是变形能力大幅提升，延性得到明显改善。

2.3 粉煤灰掺量对抗压强度的影响

不同粉煤灰掺量的ECC抗压强度如图 6所示。由图可知，随着粉煤灰含量的增加ECC抗压强度急剧减小，粉煤灰掺量为80%时ECC的抗压强度是粉煤灰含量为60%时的49.2%。其原因仍是粉煤灰水化反应的滞后性以及反应速度缓慢，对于ECC在早期的强度贡献极小。

2.4 粉煤灰掺量对基体-纤维界面特性的影响

在本研究的单根纤维拔出试验中，主要采用纤维滑移硬化系数β，化学黏结强度G_d和界面摩擦力τ₀这3个参数来评价界面特性^[21-24]。其中硬化系数由图 7确定，化学黏结强度和界面摩擦强度通过式(3)，式(4)计算所得。

(3)

(4)

式中，E_f为纤维弹性模量；d_f为纤维直径；L_e为纤维嵌入深度。

聚乙烯醇纤维在ECC基体中拔出的力-位移曲线如图 8所示。由图可知，聚乙烯醇纤维在ECC基体中无硬化特性，故β=0。不同粉煤灰掺量的ECC化学黏结强度和界面摩擦强度计算结果如图 9所示。

由图 9可知，聚乙烯醇纤维与ECC基体的化学黏结强度与界面摩擦强度均随着粉煤灰掺量的增加而减小。这是由于未水化的粉煤灰与纤维之间的黏结力较小，同时粉煤灰内部的光滑球体粒子能够在纤维与基体之间起到润滑作用，减小两者之间的摩擦力。较低的化学黏结强度与界面摩擦强度能够减小荷载作用下纤维断裂的概率，使纤维的断裂转变为纤维与基体之间的滑移，从而提高ECC材料的变形能力。

3 结论

本研究以ECC的设计理论为基础，设计了三点弯曲试验，四点弯曲试验，单轴拉伸试验，抗压强度试验和单根纤维拔出试验，对比分析了不同粉煤灰含量对ECC各项力学性能的影响，最终得到以下结论。

(1) 粉煤灰掺量增加会使ECC基体的弹性模量、开裂强度与断裂韧性减小，证明ECC材料随着粉煤灰掺量增加更易受拉开裂。

(2) 粉煤灰掺量的增大会使ECC材料初期的抗压、抗拉、弯曲强度都减小，原因在于粉煤灰的二次水化反应产生时间晚, 反应过程缓慢，导致混凝土试件中仍有较多孔隙，形成最高强度时间较晚。

(3) 随着粉煤灰掺量的增加，ECC的延性得到极大的提升。这是由于聚乙烯醇纤维与ECC基体之间的黏结力与摩擦力减小，使纤维的断裂破坏减少，纤维与基体之间的滑移增加，从而提高了ECC材料的变形能力。

综上所述，在掺量较高时，ECC的延性仍能够随着粉煤灰掺量的增加而得到改善，但其成型初期的力学性能较差，这一缺陷会在更长龄期之后有所改善。由于其延性的改善，高掺量粉煤灰的ECC在桥面铺装、伸缩缝、联接梁等桥梁工程领域能够进一步发挥其优异的变形能力，具有广阔的应用前景。

进一步研究建议：

(1) 粉煤灰的掺量对ECC的各项力学性能影响显著，本研究主要研究了28 d龄期ECC的力学性能，仍需进行90，120，150 d甚至更长龄期的力学性能试验来观测其长期性能。

(2) 通过CT扫描等技术观测试件的微观空隙结构，分析粉煤灰掺量对ECC微观结构的影响，研究粉煤灰对ECC性能产生影响的机理。