高延性水泥基复合材料 (high ductility cementitious composites, HDCC) 是一种具有典型应变硬化特性的纤维增强水泥基复合材料体系, 具有较好的韧性、抗冲击性和多微裂缝 (无害裂缝) 扩展等特征, 其韧性行为^[1,2,3]、动态力学性能^[4]、耐久性^[5,6]均得到了系统研究。HDCC材料因其优异的综合性能, 得到国内外研究者和工程界的广泛关注, 可应用于应力集中、应变较大的复杂建筑结构中, 已在无伸缩缝桥面板的连接板、剪力墙、短柱抗震阻尼器等方面得到日益广泛的应用, 特别是在桥梁箱梁或收缩缝、机场跑道、大坝与隧道等结构物的修复方面显示出良好的应用前景^[7,8,9]。

结构加固修复的目的是恢复或改善其原有功能或特殊功能、延长服役寿命的重要途径。最新综述文献^[10]表明:对于既有混凝土结构, 采用混凝土补强修复 (增大截面法) 仍然是结构加固的最重要手段之一。然而, 混凝土结构的修复加固通常存在如下问题:①常用的混凝土、聚合物水泥砂浆等脆性修复材料, 存在抗拉强度低、易开裂等缺陷, 从而加速混凝土结构耐久性的劣化而反复维修;②现有的HDCC材料早期强度偏低, 修复桥面收缩缝时开放交通时间长或养护周期过长, 影响修复效率。因此, 研发早强型HDCC材料并将其应用于修复加固工程, 既能较快地开放交通或承受荷载, 又能有效延长既有混凝土结构的使用寿命。

水泥为唐山某公司生产的R·SCA42.5 快硬硫铝酸盐水泥;聚乙烯醇纤维选用3种, 分别记为PVA1 (进口) 与PVA2 (国产) 及PVA3 (国产) , 性能如表1所示;细骨料为70目洁净石英砂;硼砂来自国药集团化学试剂有限公司;辅助胶凝材料、减水剂及其他助剂均为江苏苏博特新材料股份有限公司自行制备。

试件制作流程为:①先将水泥、辅助胶凝材料、石英砂和功能性组分混合干拌2～3min 至各颗粒组分间混合均匀;②然后将溶有减水剂的水加入, 低速搅拌2～3min 以获得均匀流动的浆体;③在低速搅拌的同时手工缓慢加入短切PVA纤维, 纤维完全加入后, 快速搅拌1～2min 以确保纤维能够均匀分散在浆体中;④搅拌完成后分2层浇筑试件, 成型完毕, 用透明塑料薄膜覆盖试模表面以防水分蒸发。

依据GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中凝结时间测定方法测定浆体初凝、终凝时间。

按照 GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》, 对6组不同配合比、不同龄期的抗折、抗压强度进行测定。

试验采用试件为15mm×75mm×300mm薄板, 标准养护至28d, 参照JSCE-SF4 标准, 利用万能力学试验机进行测试, 加载方式为按位移加载, 加载速率为0.5mm/min。

采用美国FEI 公司生产的QUANTA 250 扫描电镜对水化产物在纤维表面的黏附状况进行观察。

根据前期工作优选1组配合比, 但此时未考虑早期强度的控制, 因此未添加早强剂, 试验配合比如表2所示。

从HDCC的力学性能看 (见表3) , 进口纤维PVA1增强HDCC的抗折强度要略高于2种国产的PVA纤维, 这得益于其更好的力学性能。3种纤维对HDCC的抗压强度无明显差异化影响。

从表4与图1可以看出, 在相同配合比下, 进口纤维PVA1增强HDCC的弯曲荷载极大值与对应的跨中位移均大于其他2种纤维, 特别是跨中位移分别达到其他2种纤维的2.65, 2.22倍, 表现出较大的变形能力。这可能得益于PVA1经过特殊的涂层处理, 与水化产物之间合理的界面化学黏结力, 增大界面间摩擦黏结力, 使纤维在受载时更容易出现滑移拔出, 而不是被拉断, 从而增大跨中位移值 (见图2) 。而PVA2与PVA3 2种纤维本身未经表面处理, 其良好的亲水性导致过强的化学黏结力, 纤维在荷载条件下难以滑移而被拉断, 导致在位移较小时其承载力下降。从扫描电镜照片可以看出, 由于PVA系列纤维的亲水性, 水化产物在3种纤维表面的黏附量均较多, 无法直观定性或定量地描述差异性, 如图3所示。

硫铝酸盐水泥混凝土由于具有快硬早强的特性, 难以泵送, 只能采用传统的现场配制方法, 因此只在一些特定的冬期施工或抢修抢建工程中有所使用, 限制了硫铝酸盐水泥的推广和应用。在添加高体积率纤维的HDCC中, 其流动性更难以调控, 为了保持其较长的施工时间, 加入硼砂缓凝剂延长其凝结时间。常见的缓凝剂有葡萄糖酸钠、酒石酸、柠檬酸、硼酸、硼砂和三聚磷酸钠等^[11]。

本文使用硼砂作为缓凝剂, 在其他组分不变的前提下, 随着缓凝剂用量的增加初凝时间逐渐显著增加, 但终凝与初凝之间的时间差变化不大。当缓凝剂用量为0.3%时, 初凝时间可以达到60min, 具备了将HDCC进行砂浆喷射机喷射施工的可行性, 如表5所示。

文献[12,13]研究结果表明, 锂盐可以明显缩短硫铝酸盐水泥凝结时间和早期强度。韩建国等^[14]研究了碳酸锂对硫铝酸盐水泥凝结时间和强度发展的影响。奚浩^[15]研究了微波激活锂渣对硫铝酸盐水泥促凝效果的影响。而本文在缓凝剂的用量为0.30%时, 评估了锂盐对HDCC早期强度的影响。随着早强剂含量的增加, HDCC的抗折强度随之增加, 当掺量从0.5%增加至0.7%时, 抗折强度的增加幅度降低;但抗压强度无规律, 如表6所示。

早强型HDCC材料具有早强、合适的施工开放时间及多缝开裂特性, 适用于多种结构的修复, 已经成功应用于国内某桥梁箱梁内侧壁的补强加固, 具体流程包括:结构评估→加固方案设计→箱梁内侧壁凿毛→钢绞线与钢筋的布设与固定→喷洒界面剂→HDCC的分层喷射施工→抹面收光、养护。主要流程如图4所示。经后期跟踪, HDCC未见任何裂缝, 较好地对箱梁实现了结构补强。

在结构修补对材料提出抗裂、增韧的大背景下, 制备的早强型HDCC的24h龄期抗折与抗压强度均分别超过了16, 37MPa, 同时表现出多缝开裂的韧性;进口PVA纤维增强HDCC表现出更大的弯曲荷载极大值与对应的跨中位移, 国产2种PVA纤维的弯曲荷载极大值相当, 跨中位移均小于进口纤维增强体系。缓凝剂有效延长了凝结时间, 为后期的喷射施工提供了足够的开放时间。早强剂则提高了HDCC的抗折强度。HDCC材料在某桥梁箱梁侧壁补强修补中成功应用, 取得了良好的抗裂与增韧效果, 预计将有良好的工程效益与应用前景。