近年来, 随着我国环境问题越来越严重, 各行各业都在倡导可持续发展, 纤维增强水泥基复合材料 (ECC) 的发展方向一定是环保节能化、高力学性能化。在这种背景下, 越来越多的学者开始研究ECC的节能性和高性能性^[1,2,3,4,5]。

国内外许多学者对沙漠砂混凝土的力学性能进行了很多试验研究^{[6,7,8,9,10,11]}, 取得了一系列的成果。而用沙漠砂替代部分精细河砂配制沙漠砂PVA-ECC尚未见相关报告。本文拟用沙漠砂代替PVA-ECC中的天然河砂, 对沙漠砂PVA-ECC进行力学性能分析, 得出沙漠砂PVA-ECC的最佳配合比。

试验选用宁夏赛马牌P·O 42.5 R级普通硅酸盐水泥, 其性能指标:细度4.4%, 稠度用水量26%, 初凝时间130min, 终凝时间180min, 抗折强度9.0MPa, 抗压强度55.6MPa。粉煤灰选用宁夏灵武热电厂Ⅰ级粉煤灰, 其技术性指标如表1所示。纤维选用直径为31μm的高强高模聚乙烯醇纤维 (PVA纤维) , 其性能参数:抗拉强度1 400~1 600MPa, 干断裂伸度 (17±3.0) %, 伸长率6%, 杨氏模量≥380GPa。细骨料为黄河水洗河砂, 其最大直径D_max=1.18mm;沙漠砂取自毛乌素沙漠南缘宁夏盐池县, 表观密度2 624kg/m³, 含泥量0.14%, 细度模数0.194, 其平均直径为0.238mm^[11];试验用水使用自来水。外加剂是河北某公司生产的聚羧酸高性能减水剂, 减水率为30%。

以水胶比、粉煤灰掺量、PVA纤维掺量、沙漠砂替代量4个因素设计了四因素四水平的正交试验, 如表2所示。其中, 水胶比分别为0.29, 0.32, 0.35, 0.38;粉煤灰替代水泥量分别为30%, 40%, 50%, 60%;砂胶比为0.36;沙漠砂替代天然河砂量分别为0, 10%, 20%, 30%;纤维掺量分别为试块体积的1.00%, 1.50%, 1.75%, 2%。

在试件制备时, PVA纤维必须均匀地分散在材料中, 这样才能发挥PVA纤维的韧性。因此在搅拌过程中, 采用纤维后掺法。所有材料的搅拌过程都在砂浆搅拌机中完成, 首先称好胶凝材料 (水泥和粉煤灰) 和沙漠砂、细砂倒在砂浆搅拌机中干拌2min左右, 然后称取水的量和减水剂的量, 将减水剂倒入水中使其充分分散开的同时将水倒入搅拌机中搅拌2min左右, 最后称取PVA纤维的量, 往搅拌机中添加纤维前一定要把PVA纤维用手搓开, 使PVA纤维呈现毛絮状, 这样PVA纤维能充分地与砂浆混合, 最后搅拌3min左右。搅拌完成后浇筑试件, 并振捣夯实。

每组试验制作6个70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试块;6个100mm×100mm×100mm立方体试块;6个40mm×40mm×160mm长方体试块。试块在实验室内制作完成后24h后拆模, 把试块放于温度 (20±3) ℃、湿度95%以上的标准养护室内养护7d和28d后进行试块力学性能测定。试块的抗压强度、抗劈裂强度和抗折强度参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。试件试验测定过程如图1所示。

采用四因素四水平正交试验表进行16组沙漠砂PVA-ECC的抗压、抗劈裂和抗折强度试验, 其结果如表3所示, 其极差分析如表4所示。由表3和表4可知:

1) 粉煤灰掺量是影响沙漠砂PVA-ECC强度的最主要因素, 随着粉煤灰掺量的增加, 沙漠砂PVA-ECC强度反而会下降。

2) 水胶比对沙漠砂PVA-ECC抗压强度的影响也比较大, 随着水胶比的增大, 沙漠砂PVA-ECC强度降低, 所以为制备强度高的PVA-ECC, 在满足韧性和稠度的前提下应采用较低的水胶比。

3) 沙漠砂掺量对沙漠砂PVA-ECC抗压强度、抗劈裂强度和抗折强度的影响小, 在满足沙漠砂PVA-ECC强度要求的情况下应采用较高的沙漠砂掺量。图2为沙漠砂掺量对PVA-ECC强度的影响, 沙漠砂掺量对PVA-ECC的7d和28d抗压强度、抗劈裂强度和抗折强度的影响均较小。

4) PVA纤维的掺量对其抗劈裂强度和抗折强度的影响大于抗压强度, 随着PVA纤维体积掺量的增加, 沙漠砂PVA-ECC的抗劈裂和抗折强度也会增加, PVA纤维有利于提高基体的韧性。

5) 若以抗压强度为指标, 粉煤灰掺量为主要因素, 各因素的影响程度为:B>A>D>C, 因为沙漠砂对PVA-ECC强度的影响小, 所以建议的配合比为A1B1C4D2;若以抗劈裂强度为指标, 粉煤灰掺量为主要因素, 各因素的影响程度为:B>A>D>C, 建议的配合比为A1B2C4D4;若以抗折强度为指标, PVA纤维的掺量为主要因素, 各因素的影响程度为:D>B>A>C, 建议的配合比为A1B2C4D3。

对16组沙漠砂PVA-ECC的数据进行方差分析, 其结果如表5所示。结果表明:水胶比、粉煤灰掺量对沙漠砂PVA-ECC的7d抗压强度均有特别显著影响;PVA纤维对沙漠砂PVA-ECC的7d抗劈裂强度有显著影响;水胶比、粉煤灰掺量对沙漠砂PVA-ECC的7d抗折强度均有特别显著的影响。粉煤灰掺量对沙漠砂PVA-ECC的28d抗压强度有特别显著的影响;粉煤灰掺量对沙漠砂PVA-ECC的28d抗劈裂强度有显著的影响;粉煤灰掺量对沙漠砂PVA-ECC的28d抗劈裂强度有显著的影响;粉煤灰掺量和PVA纤维掺量对沙漠砂PVA-ECC的28d抗折强度有一定的影响。

由7d, 28d沙漠砂PVA-ECC强度的极差分析可以得出以下结论:抗压强度最好的组合为A1B1C4D2;抗劈裂强度最好的组合为A1B2C4D4;抗折强度最好的组合为A1B2C4D3。通过对数据进行方差分析可知, A因素对沙漠砂PVA-ECC的7d抗折强度有显著的影响而对7d抗压强度、7d抗劈裂强度、28d抗压强度、28d抗劈裂强度有一定的影响;B因素对沙漠砂PVA-ECC的7d抗压强度、7d抗折强度、28d抗压强度、28d抗劈裂强度有显著的影响而对7d抗劈裂强度、28d抗折强度有一定的影响;C因素对沙漠砂PVA-ECC的强度影响较小;D因素对沙漠砂PVA-ECC的7d抗劈裂强度有显著的影响而对7d抗折强度、28d抗劈裂强度、28d抗折强度有一定的影响。本文采用综合平衡法最后确定最优配合比为A1B2C4D3, 即A1:水胶比0.29;B2:粉煤灰掺量为40%;C4:沙漠砂掺量占天然河砂质量的30%;D3:PVA纤维体积掺量为1.75%。

本文采用沙漠砂代替部分精细河砂, 提出沙漠砂PVA-ECC, 以水胶比、粉煤灰掺量、PVA纤维掺量、沙漠砂替代量4个因素设计了四因素四水平的正交试验, 通过对沙漠砂PVA-ECC 7d, 28d的抗压性能、抗劈裂性能和抗折性能进行极差和方差分析, 得到以下结论:

1) 水胶比、粉煤灰掺量是影响沙漠砂PVA-ECC抗压强度的最主要因素, 也是最显著因素, 试块抗压强度随着水胶比的降低而不断提高, 而试块抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而不断降低。并且粉煤灰能有效地改善基体的和易性。

2) 沙漠砂替代率对沙漠砂PVA-ECC抗压强度、抗劈裂强度和抗折强度影响很小。

3) PVA纤维对沙漠砂PVA-ECC抗折强度影响大。

4) 通过综合平衡法确定最优配合比为:水胶比0.29;粉煤灰掺量40%;沙漠砂掺量占天然河砂质量的30%;砂胶比0.36;PVA纤维体积掺量1.75%。