摘  要：為解決地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻等混凝土構(gòu)件開裂滲漏問題，選取了綠色經(jīng)濟型劍麻纖維-工程水泥基復(fù)合材料(ECC)取代混凝土提高構(gòu)件的抗?jié)B性能。根據(jù)正交試驗進行方案設(shè)計得到劍麻纖維-ECC的最優(yōu)配合比；改進了實時吸水試驗裝置，實現(xiàn)了持壓荷載與水分傳輸?shù)耐今詈线^程；對劍麻纖維-ECC開展了持壓荷載下的毛細吸水性能試驗，分析了應(yīng)力水平（10%~40%）對劍麻纖維-ECC試件的破壞形態(tài)、累計吸水量及毛細吸水率的影響規(guī)律，并與普通混凝土試件進行對比。結(jié)果表明：在10%~40%應(yīng)力水平內(nèi)，隨著應(yīng)力水平的提高，劍麻纖維-ECC材料的毛細累計吸水量和平均吸水率均先減小后增大，發(fā)生變化的應(yīng)力水平閾值為20%；在10%~30%應(yīng)力水平下，劍麻纖維-ECC的毛細累計吸水量及吸水率要明顯小于同條件的普通混凝土，劍麻纖維-ECC材料能夠更好地阻礙水分傳輸，表明對持壓力水平為10%~30%的結(jié)構(gòu)而言，劍麻纖維-ECC可明顯改善抗?jié)B效果。研究成果為劍麻纖維ECC在地下側(cè)墻抗?jié)B中的應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維；ECC；抗?jié)B性能；短期持壓；毛細吸水；地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻；混凝土構(gòu)件

0引言

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的開裂滲漏問題，近年來越來越受到關(guān)注^[1]。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，為水帶入侵蝕性離子提供優(yōu)先運輸通道，這些侵蝕性離子會導(dǎo)致鋼筋腐蝕，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而混凝土中水的傳輸以毛細吸附為主^[2]，因此研究混凝土的毛細吸水性能對于結(jié)構(gòu)的開裂滲漏問題具有重要意義。

工程中的混凝土結(jié)構(gòu)在服役階段都會受到一定的荷載作用，從而影響混凝土材料的毛細吸水性能，對此，一些研究人員主要對受到荷載作用后卸載的材料進行滲透分析。Yang等^[3]對混凝土試件進行了軸壓卸載后的吸水試驗。鮑玖文^[4]通過再生混凝土在軸壓重復(fù)荷載后的毛細吸水試驗，發(fā)現(xiàn)材料的毛細吸水質(zhì)量與吸水率隨應(yīng)力水平的提高呈增加趨勢。梁寧慧^[5]開展了軸壓卸載后的聚丙烯纖維混凝土試件的毛細吸水試驗，發(fā)現(xiàn)纖維的加入能降低混凝土在各個壓應(yīng)力水平下的累計吸水量與毛細吸水率。

但試件卸載后出現(xiàn)的損傷與持載時不同，材料會出現(xiàn)局部裂縫自愈與孔隙閉合情況，因此部分學者從荷載與水分傳輸?shù)鸟詈献饔玫慕嵌瘸霭l(fā)，對持壓荷載下混凝土的毛細吸水性能展開相關(guān)試驗研究。鮑玖文等^[6]基于連通器原理改進了試驗裝置，從而開展了荷載與水分傳輸?shù)鸟詈显囼灒M行了再生混凝土在不同壓應(yīng)力水平下的毛細吸水性能的研究。王立成等^[7]進行了短期持壓荷載下高強混凝土的毛細吸水試驗，分析了不同高爐礦渣含量的混凝土處于不同應(yīng)力水平(0%~60%)下的毛細吸水性能。Choinska等^[8]發(fā)現(xiàn)持壓荷載作用下的混凝土在較小的軸向壓力（不超過抗壓強度的30%）下，能閉合其孔隙結(jié)構(gòu)與微裂縫，降低滲透性。Picandet等^[9]指出在極限強度為80%~90%的單軸壓縮荷載作用下，混凝土的滲透性顯著提高。

由上述論述可知，目前對持壓荷載作用下材料的毛細吸水性能的探討主要是針對混凝土材料，但普通混凝土具有韌性差的缺點，使結(jié)構(gòu)存在易開裂滲漏問題。

工程水泥基復(fù)合材料（engineered cementitious composites，ECC）是經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計的一種高延展性材料，其拉伸應(yīng)變可達到3%~7%左右，是普通混凝土的300倍^[10]，因此，本文考慮對控裂抗?jié)B性能良好的ECC進行研究，但ECC傳統(tǒng)配合比中的聚乙烯醇纖維價格昂貴，不利于在工程中大面積推廣。其中，采用綠色環(huán)保價格低的劍麻纖維^[11]替換ECC中傳統(tǒng)的增韌材料，可降低成本^[12]。為了提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，并且控制結(jié)構(gòu)材料的造價，本文擬采用劍麻纖維-ECC代替混凝土進行抗?jié)B研究。通過正交試驗對劍麻纖維-ECC進行材料優(yōu)化，選取劍麻纖維-ECC的最優(yōu)配合比，通過改進實時吸水試驗裝置，實現(xiàn)了持壓荷載與水分傳輸?shù)耐今詈线^程，對劍麻纖維-ECC開展短期持壓荷載作用下（應(yīng)力水平范圍0%~40%）的毛細吸水性能試驗，并與普通混凝土試件的抗?jié)B性能進行對比分析。

1劍麻纖維-ECC最優(yōu)配合比的選取

為了提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，同時控制成本，選取劍麻-纖維ECC替代混凝土。由于正交試驗具備在減少試驗次數(shù)時獲得最佳方案的優(yōu)勢，因此，本文首先采取正交試驗的方法，利用抗壓強度、抗彎強度兩個控制指標對劍麻纖維-ECC的最優(yōu)配合比進行選定，之后再根據(jù)最優(yōu)配合比進行后續(xù)抗?jié)B性能試驗。為方便表述，后文中除特殊說明外，均用SF-ECC指代劍麻纖維-ECC。

1.1試驗材料

試驗使用的原材料為：P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥、粒徑0.075~0.150mm的石英砂、細度模數(shù)3.1的機制砂、粒徑5~10mm的碎石、粒徑為0.0031mm的粉煤灰、粒徑為0.045mm的礦粉、自來水、聚羧酸高效減水劑、長度為15mm的短切劍麻纖維(密度1.3g/cm3)。

1.2抗壓和四點彎曲試驗方法

以抗壓和抗彎性能為指標對正交試驗結(jié)果進行選取，其中抗壓試驗設(shè)備為3000kN壓力試驗機，加載速度為0.4mm/min，試驗試件尺寸為邊長70.7mm的立方體試塊，試驗按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2019）^[13]展開。每組抗壓試驗設(shè)置3個試件，結(jié)果取其平均值，抗壓試驗共計51個立方體試塊。為獲得材料的抗彎強度，采用1000kN萬能試驗機對尺寸100mm×100mm×400mm的試件進行加載，加載速率為0.4mm/min，試驗依據(jù)美國ASTMC1609四點彎曲試驗標準^[14]進行。每組設(shè)置3個試件，結(jié)果取其平均值，四點彎曲試驗共計51個棱柱體試件。

1.3正交試驗設(shè)計和結(jié)果

正交試驗是一種根據(jù)多因素和多水平制定正交試驗表，進而展開試驗的方法^[15]?；谡辉囼炘?，本試驗研究了水膠比、砂膠比、粉煤灰摻量、劍麻纖維體積摻量4個因素對劍麻纖維-ECC抗壓、抗彎強度的影響，每個因素設(shè)計4個水平。因素和水平見表1，試驗結(jié)果見表2。各因素對試驗結(jié)果的影響通過極差R的大小確定，其值越大表明試驗結(jié)果受到該因素影響越大，極差由大至小依次排列，能夠得出不同因素對強度影響的主次順序，且表明各因素的重要性程度。現(xiàn)以水膠比（A因素）為代表闡述極差的計算方法。

首先計算水膠比（A因素）各水平下的抗壓強度值之和K1 、K2 、K3 、K4，之后計算平均抗壓強度值K(__)1(__) 、K(__)2(__) 、K(__)3(__) 、K(__)4(__)，試驗極差R取以上平均抗壓強度值中極大值與極小值的差。極差分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，隨著劍麻纖維體積摻量的增加，SFECC抗壓強度先上升后下降，分析原因為：當劍麻纖維體積摻量較多時，劍麻纖維之間會纏繞結(jié)團，膠凝材料的包裹性下降，使SF-ECC內(nèi)部缺陷嚴重，從而造成材料抗壓強度降低。SF-ECC試件的抗彎強度值則在測試的范圍內(nèi)，隨著劍麻纖維體積摻量的增加而不斷增大。分析原因為：劍麻纖維本身的增韌性能會對水泥基體材料起到直接的增韌效果，使水泥基體脆性下降、韌性上升，從而提高SF-ECC試件的強度。

進一步地，確定出各因素對材料強度的影響順序。對抗壓強度影響順序：水膠比>粉煤灰摻量>纖維摻量>砂膠比，對抗彎強度影響順序：水膠比＞粉煤灰摻量＞纖維摻量＞砂膠比。

表1 正交試驗的因素和水平

  

表2 正交試驗結(jié)果

  

表3 極差分析結(jié)果

  

1.4最優(yōu)方案

為了滿足確定建筑材料在實際工程中的運用，首先考慮材料的標準抗壓強度是否達到C40，其次需有不低于同等級混凝土的抗拉強度。因此，基于抗壓強度、抗彎強度這兩個控制指標選取SF-ECC最優(yōu)配合比。從表2的試驗結(jié)果可知，抗壓強度的最佳方案為A1B2C2D2；抗彎強度的最佳方案為A2B2C1D4。

由于材料的抗彎性能可以反映出材料韌性的好壞，提高材料韌性可以增強自身的阻裂抗?jié)B能力，因此綜合選出抗拉（抗彎）性能最優(yōu)，且滿足結(jié)構(gòu)抗壓要求的方案作為抗?jié)B研究的基礎(chǔ)配合比，即SF-ECC最優(yōu)配合比為：A2B2C1D4，即水膠比0.3、砂膠比0.4、粉煤灰摻量0.3、礦粉摻量0.15和劍麻纖維體積摻量0.5%。

進一步地，對最優(yōu)配合比下的SF-ECC以及一組對照組C40混凝土分別進行坍落度測試、抗壓強度測試、軸拉性能測試。材料具體配合比見表4，測試結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，優(yōu)化后SF-ECC材料的坍落度為155mm，混凝土材料的坍落度為160mm，均滿足《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2008）^[16]中“材料的坍落度值需在120~160mm之間”的要求；依據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2019^[13]，進行了邊長為150mm標準立方體試塊抗壓強度測試，測得的SFECC抗壓強度為42.3MPa，混凝土抗壓強度為43.5MPa，均滿足地下側(cè)墻抗壓強度不小于C40的要求；制作了狗骨試件對最優(yōu)配合比下的SF-ECC進行軸拉性能測試，并與C40素混凝土試件軸拉性能進行對比，測得SF-ECC與混凝土材料拉應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，可知，SF-ECC的抗拉強度與混凝土的抗拉強度相比，二者相差不大，但SF-ECC在開裂后具有較好的應(yīng)力水平保留率。這些指標都說明了優(yōu)化后的SF-ECC具有在實際工程中運用的可行性。

表4 材料配合比

  

表5 劍麻纖維-ECC 和混凝土兩種材料的性能指標對比

   

圖1 試件的拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

2持壓加載與毛細吸水耦合試驗

材料的毛細吸水情況在一定程度上能夠反映出材料的抗?jié)B性能，為了了解SF-ECC的抗?jié)B性能，利用正交試驗確定的SF-ECC最優(yōu)配合比制作試件，對其展開持壓加載下的毛細吸水試驗研究，同時設(shè)計一組C40混凝土進行對比。

2.1試件制備及養(yǎng)護

試驗所用原材料見1.1節(jié)，具體配合比見表4。制作了42個內(nèi)徑63mm、外徑150mm、高150mm的中空圓柱體試件，其中SF-ECC與混凝土材料試件各21個，進行5種不同應(yīng)力水平下的持壓-吸水耦合試驗，中空試件具體使用情況見表6。

本次試驗采用ABS模具（直徑150mm，高150mm）制作圓柱體中空試件。澆筑前使用AB膠將外徑63mm的ABS管固定在ABS模具底板，圓心注意保持在底板正中。試件在室溫養(yǎng)護24h后脫模，隨后放入養(yǎng)護箱中標準養(yǎng)護28d，并對試件的上下表面進行打磨處理。為了測得試件的孔隙率從而獲得試件的毛細吸水率，首先要將試件置于澄清石灰水中（促進試件中水泥的水化）浸泡一個月以上以達到完全飽和的狀態(tài)，接著將完全飽和的試件放入105℃恒溫烘干箱內(nèi)進行完全干燥處理。

表6 中空試件使用情況

  

2.2改進的持壓-吸水耦合試驗加載裝置

改進的持壓荷載與毛細吸水耦合試驗裝置^[6]如圖2所示，采用50t機械千斤頂加載，并利用力傳感器與力采集箱對壓荷載值進行實時監(jiān)測；基于連通器原理，在試件頂部及底部放置帶孔道的不銹鋼墊板，以便讓水充滿試件的中空部位；在上部出水口處與進水口處設(shè)置不銹鋼寶塔頭，使之分別與水平觀測管（內(nèi)徑6mm，外徑8mm）和進水軟管連接，形成連通裝置，裝置的進出水通過小型抽水器與止水閥控制；中空試件的吸水量按水平觀測管內(nèi)的水柱變化記錄，為方便觀測，水平觀測管采用定制的L型玻璃管（粘有精度1mm的刻度紙）；為保證吸水裝置具有良好的密封性，將厚度為3mm的環(huán)形橡膠密封墊（內(nèi)徑65mm，外徑150mm）粘結(jié)于中空試件的上下表面，在加壓的狀態(tài)下橡膠墊將會被壓實，從而可以防止裝置漏水。

   

圖2 持壓荷載毛細吸水試驗裝置（1 反力架；2 千斤頂；3 力傳感器；4、6 上、下部帶孔不銹鋼墊板；5 中空試件； 7 鋼墊塊；8 帶刻度水平觀測管；9 抽水器；10 蓄水桶；11 進水塑料軟管；12 止水閥）

2.3持壓-吸水試驗方法

持壓吸水試驗包括前期準備和正式加載兩部分，在持壓-吸水試驗正式開始前，首先要進行試驗的前期準備工作，主要包括：中空試件的干燥曲線測定、初始孔隙率測定及極限抗壓強度測定，之后再對試件進行正式加載。

2.3.1前期準備

毛細吸水試驗要求試件處于完全干燥狀態(tài)（即最不利狀態(tài)），因此在持壓-吸水試驗正式開始前，需取每組中3個試件進行干燥曲線測定，即對試件在105℃恒溫烘干箱內(nèi)干燥處理，測定不同時間下的試件質(zhì)量，通過式(1)計算相對含水量，并繪制其與時間的干燥曲線，進而估算試件烘干時間，使試件達到完全干燥狀態(tài)后開展后續(xù)持壓-吸水試驗。

 

式中：m_i為某時刻中空試件的質(zhì)量，g；m_d、m_s分別為中空試件在完全干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

最終測得在不同時刻下的中空試件平均相對含水量如圖3所示。由圖3可知，當SF-ECC及混凝土中空試件的烘干時間超過80h時，θ隨時間緩慢下降。因此，本試驗假定試件在烘干80h時處于完全干燥狀態(tài)，此時可進行后續(xù)持壓-吸水耦合試驗。

試驗的前期準備工作還包括初始孔隙率及極限抗壓強度測定^[17]，初始孔隙率p₀作為吸水率計算的中間計算參數(shù)，測定初始孔隙率可探究其對試件吸水量的影響，根據(jù)公式（2）計算得到SFECC及混凝土中空試件的平均初始孔隙率分別為23.02%、13.57%

 

式中：m_s為中空試件浸水飽和時的質(zhì)量，g；m_d為中空試件被烘干80h時的質(zhì)量，g；ρ_w為水的密度，g/mm³；V_c為中空試件的體積，2182025.25mm3。

為了研究不同壓力水平對材料的毛細吸水性能影響，需估算試件在不同壓應(yīng)力水平下應(yīng)施加的荷載，所以在吸水試驗開始前需測得每組試件的極限抗壓強度值。假設(shè)持壓-吸水耦合過程對試件極限抗壓強度影響不大，從而可得到試件的真實壓應(yīng)力水平λ_s（，σ為對中空試件施加的軸向壓應(yīng)力，f_u為中空試件的實際抗壓強度。）試件各個壓應(yīng)力水平對應(yīng)的壓荷載值見表7。

  

 

圖3 中空試件平均干燥曲線

 

表7 中空圓柱體試件各個應(yīng)力水平對應(yīng)的壓荷載值

  

2.3.2正式加載

由預(yù)實驗可知，當預(yù)壓荷載超過45%時，試件會立即產(chǎn)生透水裂縫導(dǎo)致無法進行持壓-吸水耦合試驗，因此本次試驗設(shè)置的壓應(yīng)力水平取值范圍為0%~40%（以10%遞增，共5個壓應(yīng)力水平）。安裝好吸水裝置后，將中空試件加載至預(yù)估壓應(yīng)力水平對應(yīng)的壓荷載值并持壓穩(wěn)定5min。接著打開止水閥，使水分通過帶孔不銹鋼墊板的孔道快速注入試件的中空部分。待中空試件及水平觀測玻璃管內(nèi)充滿水后關(guān)閉止水閥，此時開始記錄帶刻度的水平觀測玻璃管內(nèi)水柱的失水量，由此得到中空試件的累計吸水量（mm³）。由于注水過程較快，因此本試驗忽略注水時中空試件的吸水量。由預(yù)實驗得知，當試件吸水超過12h后，試件吸水變化緩慢且個別試件發(fā)生滲漏現(xiàn)象，因此本次試驗吸水時長設(shè)定為12h。

3持壓-吸水試驗結(jié)果與分析

3.1試件破壞形態(tài)

通過實時吸水試驗裝置^[6]，實現(xiàn)了加載與毛細吸水的耦合作用，圖4給出了中空試件在軸向持壓-吸水耦合試驗時的破壞形態(tài)。隨著持壓應(yīng)力水平的不同，不同試件出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象也不同。當SF-ECC試件在0%~30%壓應(yīng)力水平作用下，試件在設(shè)置的持壓吸水時間范圍內(nèi)（12h）未發(fā)生滲漏現(xiàn)象，如圖3a所示；當SF-ECC試件在40%壓應(yīng)力水平作用下，隨著時間的推進，SF-ECC中空圓柱體試件表面出現(xiàn)滲水裂縫，可分為貫穿型滲水裂縫（見圖4b）和局部型滲水裂縫（見圖4c）；裂縫均沿著平行于壓荷載的方向發(fā)展，存在單條透水裂縫向多條透水裂縫發(fā)展的情況，如圖4c至圖4d所示；當出現(xiàn)滲水裂縫時，水平玻璃管中水量快速減少，SF-ECC試件的吸水速率明顯加快；在0%~40%壓應(yīng)力水平作用下，混凝土中空圓柱體試件在設(shè)置的持壓吸水時間范圍內(nèi)一直未出現(xiàn)滲水裂縫，如圖4e所示。

  

圖4 持壓荷載試件吸水破壞情況

3.2累計吸水量

吸水量是評價非飽和多孔材料吸水性能的重要參數(shù)，非飽和多孔材料在單位橫截面積中的毛細累計吸水量i（mm）通?？蓞⒄帐剑?）^[18]。

 

式中：ΔV為L型水平觀測管內(nèi)的失水量，mm³；A_c為中空試件吸水截面積，mm²；Δm為中空試件的累計吸水質(zhì)量，g；S為材料的毛細吸水率，mm/min^1/2；t為試件的累計吸水時間，min；b為曲線的縱軸截距，其主要是由于加水瞬間試樣表面的孔隙結(jié)構(gòu)被迅速充填所致；其他參數(shù)含義同前。

需要注意的是，吸水橫截面積A_c會隨著水分在試件中的徑向運動而不斷發(fā)生變化。為此，中空試件實際吸水的梯形截面可簡化為矩形截面，修正系數(shù)如式（4）所示。

 

式中：β為吸水截面面積的修正系數(shù)（β=梯形面積除以矩形面積）；Dm_s為矩形截面的累計吸水質(zhì)量，g；r為吸水半徑，mm；d為中空圓柱體的內(nèi)徑，63mm；假設(shè)材料吸水飽和時的累計吸水體積與材料中的孔隙體積相等，即材料中的孔隙中都充滿水，則Dt時間內(nèi)累積吸水質(zhì)量Dm為

 

式中：p為壓荷載作用下材料的有效孔隙率；h為中空圓柱體試件高度，150mm。此外，試件吸水質(zhì)量等于水平觀測管內(nèi)水分累積減少的質(zhì)量，則

 

式中：d₀為水平觀測管的內(nèi)徑，6mm；Dl為水平觀測管內(nèi)水柱長度的變化值，mm。將上兩式合并得：

 

對于試件有效孔隙率p測定，由于影響當前孔隙率的主要因素為彈性模量、泊松比、材料的初始孔隙率以及外部的等效荷載等，則壓荷載作用下中空試件的有效孔隙率為

 

式中：E_b和v_b分別為材料的彈性模量與泊松比，劍麻纖維-ECC彈性模量取27460N/mm2，C40混凝土取33050N/mm²，劍麻纖維-ECC泊松比取0.19，C40混凝土取0.25；q_b為外部等效應(yīng)力，即所施加的壓應(yīng)力，拉正壓負，壓應(yīng)力應(yīng)取負值帶入公式中計算，MPa；p₀為初始孔隙率，假設(shè)干燥過程對材料孔隙率的影響可忽略，則可按2.3.1節(jié)中公式（2）計算得到劍麻纖維-ECC及混凝土中空試件的初始孔隙率p₀。

綜上分析可知，對于中空圓柱體試件，簡化后的累計吸水量公式為

 

根據(jù)水平觀測管中累計失水量等于中空試件的累計吸水量，將水平觀測管中記錄的水柱改變值代入式（9）中，即可求得試件累計吸水量i，在此基礎(chǔ)上繪制出i與的曲線。由于不同中空試件的孔隙結(jié)構(gòu)會存在差異，為了減小試驗誤差，試驗中同一壓荷載水平下取3個試件測量結(jié)果的平均值。中空圓柱體試件在各個應(yīng)力水平下的累計吸水量曲線見圖5。

由整體變化趨勢可知，當SF-ECC與混凝土試件受到的應(yīng)力水平介于0%~20%范圍內(nèi)時，試件的毛細累計吸水量隨著壓應(yīng)力水平的升高而降低；當壓應(yīng)力水平高于20%時，毛細累計吸水量則隨著壓應(yīng)力水平的增加而增加。分析原因為：當持壓應(yīng)力水平較低時，荷載作用在中空試件上形成壓合作用，部分孔隙和細微裂縫在試件內(nèi)發(fā)生閉合，使得試件吸水量減少；當持壓應(yīng)力較大時，壓荷載會使試件內(nèi)部的裂縫發(fā)展、貫通，從而導(dǎo)致試件內(nèi)部出現(xiàn)較多的水分傳輸通道，最終表現(xiàn)為試件累計吸水量逐漸增大。持壓荷載作用對水分傳輸過程的影響見圖6^[3]。

根據(jù)試件累計吸水曲線的斜率可知，在測定的時間范圍內(nèi)，SF-ECC的吸水模式分為兩種：a.初期吸水速度快于后期吸水速度（壓應(yīng)力水平在0%~30%范圍內(nèi)）；b.初期吸水速度慢于后期吸水速度（壓應(yīng)力水平為40%時）。對于混凝土而言，其在壓應(yīng)力水平0%~40%范圍內(nèi)僅有第一種吸水模式。

為便于對比分析，圖7繪制了不同中空試件累計吸水量匯總曲線，圖中實線、虛線分別代表不同壓應(yīng)力下的SF-ECC、混凝土試件。從圖7中可以看出：當SF-ECC在應(yīng)力水平為0%時，其累計吸水量略大于混凝土，此時，SF-ECC吸水速度出現(xiàn)拐點的時間（約為440min）較混凝土（約為360min）晚，這是由于SF-ECC試件初始孔隙率較大，結(jié)構(gòu)中孔隙較多，造成試件吸水多且要更多的時間才能出現(xiàn)吸水飽和拐點。當應(yīng)力水平在10%~30%范圍內(nèi)，隨著壓應(yīng)力水平的增大，SF-ECC吸水速度出現(xiàn)拐點的時間變早（且早于混凝土），SF-ECC的累計吸水量明顯低于混凝土。對原因進行分析：由于SF-ECC中不含粗骨料，材料能夠較好的被壓密實，材料中較多的孔隙及微裂縫封閉，使材料吸水量減少，拐點出現(xiàn)時間變早，此外，由于纖維具有橋接作用，因此纖維可以在試件產(chǎn)生微裂縫時起到阻裂作用，從而減少微裂縫的數(shù)量，這也限制了毛細孔的數(shù)量，加大了毛細吸水難度。當壓應(yīng)力水平為40%，此時應(yīng)力使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，內(nèi)部裂縫發(fā)展、貫通，水分的快速入侵使SF-ECC材料基體較快發(fā)生損壞，產(chǎn)生滲漏裂縫，故SF-ECC累計吸水量上升快且明顯超過混凝土。在該應(yīng)力水平下，SF-ECC累計吸水曲線出現(xiàn)兩次轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的時間與ECC試件表面出現(xiàn)滲水裂縫的時間相同，即出現(xiàn)第一條裂縫時，SF-ECC-40%出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點，當單裂縫發(fā)展為多裂縫時，SF-ECC-40%出現(xiàn)第二個轉(zhuǎn)折點，試件開裂情況可見圖4。

  

圖 5 不同壓力水平下中空試件累計吸水曲線

  

圖 6 持壓荷載作用對水分傳輸過程影響的示意圖

  

圖 7 不同中空試件累計吸水曲線

3.3毛細吸水率

材料的毛細吸水過程可分為初始階段和后期階段，材料處于初始階段時，其表面快速吸水，處于后期階段時則吸水緩慢。圖5的累計吸水量曲線斜率變化漸緩，呈雙線性變化的曲線與材料在毛細吸水過程中的兩階段相對應(yīng)。因此，基于毛細累計吸水量公式（3），可雙線性擬合出各個壓應(yīng)力水平下的試件累計吸水量曲線，從而獲得中空試件在毛細吸水兩個階段的分界點（曲線拐點處），由此可計算得到材料處于各個壓應(yīng)力水平下的初始吸水率S1以及后期吸水率S2，進一步地，取兩者的平均值，并將該值作為中空圓柱體試件的平均吸水率S，以此評價材料在毛細吸水全過程中的吸水率。圖8給出了SF-ECC試件與混凝土試件吸水率對比情況。中空試件吸水率計算結(jié)果見表8。對圖8進行分析發(fā)現(xiàn)：

(1)材料的吸水率隨著應(yīng)力水平的增加先減小后增大。這是由于持壓荷載的變化會使材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而材料的毛細吸水作用會受材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響，在小壓應(yīng)力水平下，材料中的部分孔隙與微裂縫會發(fā)生閉合，毛細吸水作用減弱，而隨著壓應(yīng)力水平的增大，材料中的裂縫發(fā)展、貫通，毛細吸水作用加強，因此材料的吸水率隨著壓應(yīng)力水平的增加先減小后增大。

(2)在0%~30%的持壓應(yīng)力水平范圍內(nèi)，材料的初始吸水率S1要明顯大于材料的后期吸水率S2。分析原因為：在毛細吸水過程，材料內(nèi)部水分子的擴散路徑可分為三種，a通過材料表面進行的擴散；b通過骨料-漿體界面進行的擴散；c通過材料本體進行的擴散。前兩種的擴散方式可稱為短路擴散，其速度遠遠快于第三種擴散方式，因此，材料的初始吸水率S1要明顯大于材料的后期吸水率S2。

（3）當壓應(yīng)力水平在10%~30%范圍內(nèi)時，SF-ECC的初始吸水率S1要明顯小于混凝土的初始吸水率S1；當壓應(yīng)力水平在0%~20%范圍內(nèi)時，SF-ECC的后期吸水率S2要明顯小于混凝土的后期吸水率S2；當壓應(yīng)力水平在0%~30%范圍內(nèi)時，SF-ECC的平均吸水率S明顯小于混凝土的平均吸水率S。

(4)在持壓應(yīng)力水平為40%時，SF-ECC材料的后期吸水率S2要顯著大于前期吸水率S1。對原因進行分析：由于在較大的壓應(yīng)力水平下SF-ECC內(nèi)部損傷大，裂縫擴展貫通至試件表面，形成透水裂縫，導(dǎo)致后期吸水率S2顯著大于初期吸水率S1。

  

圖8 不同壓應(yīng)力水平下的試件吸水率

 

表8 中空試件吸水率

  

4結(jié)論

（1）得到了抗彎性能最好且能夠滿足地下側(cè)墻抗壓強度要求的最優(yōu)配合比：水膠比0.3、砂膠比0.4、粉煤灰摻量0.3、礦粉摻量0.15和劍麻纖維體積摻量0.5%。

（2）在10%~40%應(yīng)力水平內(nèi)，隨著應(yīng)力水平的提高，劍麻纖維-ECC材料的毛細累計吸水量和平均吸水率均先減小后增大，發(fā)生變化的應(yīng)力水平閾值為20%。

（3）在10%~30%應(yīng)力水平下，劍麻纖維-ECC的毛細累計吸水量及吸水率要明顯小于同條件的普通混凝土，與混凝土材料相比可明顯改善抗?jié)B效果。

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文章摘自：崔雙雙,陳潤,陳艷,陳偉宏,陳樹輝.持壓荷載下劍麻纖維-ECC的毛細吸水性能[J/OL].硅酸鹽通報:1-14[2022-12-10].