CN114685117B - 一种水工ecc材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水工ECC材料及其应用，属于水利工程材料领域，该材料包括水泥25‑34wt％、粉煤灰23‑30wt％、硅灰15‑20wt％、细骨料26‑32wt％、复合纤维网片1.25‑1.7％、减水剂0.1‑0.24wt％、增稠剂0.03‑0.07wt％；复合纤维网片是将复合纤维浸渍在水性环氧树脂和固化剂中，混合均匀，取出复合纤维摊铺后切削或破碎成小片网状结构后制成；复合纤维为按照重量比(0.3‑0.6):1组成的PVA纤维和碳纤维，或PVA纤维和玄武岩纤维。制备的水工ECC材料具有更好的抗压、抗裂、抗弯折和抗冻性能，与四周老旧混凝土的粘结性能更好。

Description

一种水工ECC材料及其应用
技术领域
本发明属于水利工程材料领域，特别是一种主要用于廊道、面板及有抗裂要求的部位的水工ECC材料及其制备方法和应用。
背景技术
水利工程中混凝土坝基、廊道及面板大都有防渗防裂的要求。以坝基为例，坝基即堤坝的根基，包括河床和两岸放置坝体的部位，及其邻近承受坝体及水体等作用的部位。坝基的渗透稳定和渗漏损失是坝基防渗控制要解决的主要问题，垂直防渗是能够有效解决此类问题的常用手段。心墙与防渗墙的连接部位是整个坝体防渗的薄弱环节，通常采用在防渗墙顶部设置坝基廊道与坝体心墙连接。然而，由于灌浆平洞置于基岩上、覆盖层厚度差异导致的基础的不均匀性，随着坝体填筑，廊道在土压力荷载作用下会产生竖直方向的不均匀沉降。水库蓄水后，在水压力荷载作用下，防渗墙向下游变形，廊道也会随之产生向下游的变形。当廊道尤其是结构缝部位变形过大，止水发生破坏，或廊道应力过大，混凝土出现贯穿性裂缝时，廊道就会出现渗漏，影响大坝的正常运行。
纤维增强型水泥基复合材料(ECC，Engineered Cementitious Composites)是一种高性能纤维增强型水泥基复合材料，它解决了混凝土本身固有脆性，其在拉伸、弯曲等作用下产生大量细密裂缝，并且可控制最大裂缝宽度在100μm以内，具有高延性、高韧性和高能量吸收能力。因此，研究一种针对坝基廊道的塑性铰接段的水工ECC材料具有非常广阔的市场前景。
现有技术中，中国授权专利CN109235174B提供了一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，其结构从上到下包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和底基层，罩面层采用具有高延性、高韧性和高能量吸收率的纤维增强型水泥基复合材料(即ECC材料)，该材料中的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维。又例如中国授权专利CN109322238B提供了一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁，包括桥台、基础梁、结构层，桥台和基础梁分别位于桥两侧，桥台靠近桥面一侧由上到下设置第一沥青混凝土层、调平层、空心板，第一沥青混凝土层与基础梁之间为复合材料层(即ECC层)，复合材料层的中间水平设置碳纤维网，所述碳纤维网位于基础梁顶部的水平线下方。超高韧性水泥基复合材料的原料包括水泥、粉煤灰、石英砂、水、外加剂和PVA纤维，制备时先将水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂干拌混匀，然后加入减水剂和水，最后放入PVA纤维，搅拌至无纤维结团现象。
然而，上述这些ECC材料更多是从桥梁或路面结构等方面进行研究，通过改进结构组成提升性能。针对坝基廊道，尤其是其与心墙、防渗墙连接结构缝部位，对于ECC材料本身的抗压、抗弯折、抗裂、抗渗性能缺少研究。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种水工ECC材料及其制备方法和应用，具体通过以下技术实现。
一种水工ECC材料，其原料包括水泥25-34wt％、粉煤灰23-30wt％、硅灰15-20wt％、细骨料26-32wt％、复合纤维网片1.25-1.7％、减水剂0.1-0.24wt％、增稠剂0.03-0.07wt％；
所述复合纤维网片是将复合纤维浸渍在水性环氧树脂和固化剂中，混合均匀，取出复合纤维摊铺后切削或破碎成小片网状结构后制成；复合纤维为按照重量比(0.3-0.6):1组成的PVA纤维和碳纤维，或PVA纤维和玄武岩纤维。
上述水工ECC材料中，所使用的水泥、粉煤灰、硅灰、细骨料、减水剂、增稠剂均为混凝土建材领域常用的原料。例如，水泥可以选用市售(武汉华新水泥、四川峨胜等)的P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰的品质满足DL/T 5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中F类I级粉煤灰的技术要求，硅灰的品质满足DL/T 5777-2018《水工混凝土掺用硅灰技术规范》的相关技术要求，细骨料为常见市售的石英砂、河砂、人工砂等，粒径不超过1.25mm，减水剂为市售高效聚羧酸减水剂，增稠剂为常见的纤维素类化合物，例如羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素等。复合纤维网片的原料PVA纤维、碳纤维和玄武岩纤维均可市售获得，水性环氧树脂和对应的固化剂也是市场上常售的产品类型，例如阴离子型、阳离子型或非离子型环氧树脂，以及常见的含有胺基的碱性固化剂，例如聚酰胺环氧650固化剂等。
优选地，其原料包括水泥30.1wt％、粉煤灰25wt％、硅灰16wt％、细骨料27wt％、复合纤维网片1.65％、减水剂0.2wt％、增稠剂0.05wt％。
优选地，复合纤维为按照重量比0.45:1组成的PVA纤维和碳纤维，或按照重量比0.5:1组成的PVA纤维和玄武岩纤维。这些纤维可以市场上直接购买。
更优选地，上述水工ECC材料中，所述复合纤维网片的制备方法具体为：
S1、按重量比取复合纤维混合均匀，加至水性环氧树脂中，加入固化剂，搅拌均匀；复合纤维与水性环氧树脂的用量比为(0.3-0.6):1；
S2、取出复合纤维摊铺在平面模具上，待完全固化后脱离平面模具，切割或破碎成面积为3-5mm2，厚度100-150μm的薄网片状结构，即复合纤维网片。
上述复合纤维网片的制备方法中，先将PVA纤维和碳纤维，或PVA纤维和玄武岩纤维混合均匀，然后将这些纤维原料导入环氧树脂和中使之浸润，同时导入固化剂混合均匀，最后均匀摊铺在平板状的模具上，固化后从模具上脱除，然后在破碎机或粉碎机内破碎成特定大小，并且具有一定柔韧性的薄片。这种复合纤维网片的边缘具有交错排列的复合纤维伸出，同时两种纤维通过环氧树脂的作用粘合在一起。这种结构的复合纤维网格，只需加入少量(1.25-1.7％)就能显著提升水工ECC材料的抗压、抗折、抗渗性能，韧性提升明显，与周围老混凝土基体的界面粘接能力也有所增强，浇筑后水化热过程中具有一定的微膨胀效果。
优选地，所述复合纤维网片的制备方法中，步骤S1的复合纤维与水性环氧树脂的用量比为0.35:1。
优选地，所述PVA纤维、碳纤维、玄武岩纤维的直径25-40μm，长度8-14mm；满足GB/T21120-2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》的质量要求。
本发明所提供的水工ECC材料的使用方法为，按重量百分比称取所述水工ECC材料的各原料，按水灰比0.32-0.38称取水；先将水泥、粉煤灰、硅灰、细骨料干拌混合均匀成固体物料，同时将增稠剂、引气剂与水混合均匀成液体物料；然后将液体物料倒入固体物料中湿拌；最后加入复合纤维网片拌和均匀，制成水工ECC材料的工作物料，用于进行直接浇筑。
优选地，上述水工ECC材料的使用方法中，水灰比为0.33。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供了一种水工ECC材料，通过加入复合纤维网片，使其与其他原料紧密串联交织在一起，显著提升了抗裂、抗渗性能，具有非常高的抗压抗折等力学强度，非常适合用在水利工程中，有防渗抗裂要求的部位的水工ECC浇筑材料。
附图说明
图1为实验例中不同测试项目的试件浇筑成型示意图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例中，所使用的水泥为武汉华新水泥公司的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为满足DL/T 5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中F类I级粉煤灰，采购自金塘；硅灰采购自武汉纽瑞琪公司；细骨料为市售石英砂(采购自河南东福环保公司)，最大粒径分别为1.25mm、0.63mm；减水剂采购自苏博特公司的PCA聚羧酸高性能减水剂，PVA纤维采购自江苏能力科技有限公司，碳纤维采购自威海光威复合材料公司，玄武岩纤维采购自山东森泓纤维有限公司，直径和长度视不同实施例和对比例情况而定，主要为25-40μm，长度均为8-14mm；增稠剂选用石家庄创盛建筑材料有限公司生产的羟丙基甲基纤维素；水性环氧树脂选用郑州物宝通商贸有限公司，牌号为CYDW-100，环氧树脂固化剂选用深圳市荣彩油墨有限公司，型号DB。
本发明提供的水工ECC材料中，所提供的复合纤维网片，如果未做特殊说明，均采用以下方法制备而成：
S1、按重量比取复合纤维混合均匀，加至水性环氧树脂中，加入固化剂，搅拌均匀(100rpm，约5min)；复合纤维和水性环氧树脂的用量比视不同实施例和对比例而定；水性环氧树脂与固化剂的重量比为5:1；
S2、取出复合纤维摊铺在平面模具上，待完全固化后脱离平面模具，切割或破碎成面积为3-5mm2，厚度100-150μm的薄网片状结构，即复合纤维网片。
实施例1
本实施例提供的水工ECC材料，其原料包括水泥30.1wt％、粉煤灰25wt％、硅灰16wt％、细骨料27wt％、复合纤维网片1.65％、减水剂0.2wt％、增稠剂0.05wt％；所使用的细骨料的粒径≤1.25mm。
复合纤维网片的制备方法中，复合纤维网片选用PVA纤维和碳纤维按照重量比0.45:1制备而成。复合纤维与水性环氧树脂的用量比为0.35:1；水性环氧树脂与固化剂的重量比为5:1。
实施例2
本实施例提供的水工ECC材料，其原料包括水泥30.1wt％、粉煤灰25wt％、硅灰16wt％、细骨料27wt％、复合纤维网片1.65％、减水剂0.2wt％、增稠剂0.05wt％；所使用的细骨料的粒径≤0.63mm。
复合纤维网片的制备方法中，复合纤维网片选用PVA纤维和玄武岩纤维按照重量比0.5:1制备而成。复合纤维与水性环氧树脂的用量比于实施例1相同。
实施例3
本实施例提供的水工ECC材料，其原料包括水泥26.05wt％、粉煤灰24wt％、硅灰20wt％、细骨料28wt％、复合纤维网片1.7％、减水剂0.2wt％、增稠剂0.05wt％。细骨料的选用，复合纤维网片的制备方法与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例提供的水工ECC材料，其原料包括水泥28.5wt％、粉煤灰23wt％、硅灰15wt％、细骨料32wt％、复合纤维网片1.25％、减水剂0.2wt％、增稠剂0.05wt％。细骨料的选用，复合纤维网片的制备方法与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，复合纤维网片的制备方法中，PVA纤维和碳纤维按照重量比0.3:1制备而成。
实施例6
本实施例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，复合纤维网片的制备方法中，PVA纤维和碳纤维按照重量比0.6:1制备而成。
实施例7
本实施例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，复合纤维网片的制备方法中，复合纤维总重量与水性环氧树脂的重量比为0.3:1。
实施例8
本实施例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，复合纤维网片的制备方法中，复合纤维总重量与水性环氧树脂的重量比为0.6:1。
对比例1
本对比例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，复合纤维网片的制备方法中，未使用任何碳纤维或玄武岩纤维，使用PVA纤维网片替代实施例1中的复合纤维网片。
PVA纤维网片的制备方法是：
(1)取PVA纤维加至水性环氧树脂中，加入固化剂，搅拌均匀(100rpm，5min)；PVA纤维和水性环氧树脂的用量为0.35:1；水性环氧树脂与固化剂的重量比为5:1；
(2)取出PVA纤维摊铺在平面模具上，待完全固化后脱离平面模具，切割或破碎成面积为3-5mm2，厚度100-150μm的薄网片状结构，即复合纤维网片。
对比例2
本对比例提供的水工ECC材料，其原料与实施例1相同，区别在于，用普通PVA纤维替代实施例1中的复合纤维网片。
对比例3
本对比例提供的水工ECC材料，其原料未使用增稠剂，其原料与实施例1相同，具体包括水泥30.15wt％、粉煤灰25wt％、硅灰16wt％、细骨料27wt％、复合纤维网片1.65％、减水剂0.2wt％。
试验例：使用实施例和对比例的水工ECC材料制作的试件性能测试
上述实施例1-8和对比例1-3制备的材料在使用时，(1)先按特定水灰比称取水，先将水泥、粉煤灰、硅灰、细骨料干拌混合(300rpm，约2min)均匀成固体物料，同时将增稠剂(如果有)、引气剂与水混合均匀成液体物料；(2)然后将液体物料倒入固体物料中湿拌(500rpm，约6min)；最后加入复合纤维网片(或普通PVA纤维)拌和均匀，制成水工ECC材料的工作物料。
1、材料硬化性能测试试件规格
按照DL/T 5150–2017《水工混凝土试验规程》、JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》、CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》等规定，分别进行水工ECC试件的力学、变形、热学及耐久等性能测试。水工ECC试件规格如下表1所示。
表1水工ECC试件规格
Figure BDA0003560807390000071
2、抗压、劈拉强度和弹性模量
(1)按照DL/T 5150–2017《水工混凝土试验规程》、JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》规定，分别进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与静力抗压弹性模量的测试。
(2)基于强度测试的裂纹自愈合能力
基于边长100mm的水工ECC立方体试件，在7d、28d龄期抗压强度测试后，再一次放入养护室，进行标准养护28d，然后进行第二次的抗压、劈拉强度测试，拟从力学的角度验证水工ECC试件的裂缝自愈合能力。
抗压、劈拉强度和弹性模量测试结果如表2所示。
表2抗压、劈拉强度和弹性模量测试结果
Figure BDA0003560807390000072
Figure BDA0003560807390000081
3、直接拉伸性能
按照JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》的规定，进行水工ECC的直接拉伸性能测试。直接拉伸性能试件如表1所示。测试结果如下表3所示。
表3直接拉伸性能测试结果
极限抗拉强度，MPa 极限延伸率，％
实施例1 3.94 2.59
实施例2 4.02 2.88
实施例3 3.59 2.63
实施例4 3.36 2.49
实施例5 3.44 2.23
实施例6 3.51 2.29
实施例7 3.96 2.52
实施例8 3.84 2.47
对比例1 2.24 1.95
对比例2 2.03 1.86
对比例3 1.98 0.96
4、抗弯性能测试
参照JC/T2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》与DL/T5150–2017《水工混凝土试验规程》相关规定，测试水工ECC试件的平板四点弯曲性能，测试结果如表4所示。
表4抗弯性能测试结果
抗弯强度，MPa 最大荷载处位移，mm
实施例1 14.24 3.35
实施例2 14.52 3.28
实施例3 13.63 4.41
实施例4 13.33 4.52
实施例5 13.12 5.61
实施例6 13.39 5.69
实施例7 14.96 3.82
实施例8 14.14 4.07
对比例1 10.55 11.45
对比例2 10.09 14.24
对比例3 8.95 15.59
5、抗裂性能评价
参照中国土木工程学会标准CCES01-2004《混凝土结构抗裂性设计及施工指南》(2005年修订版)附录A1推荐的水泥及水泥基胶凝材料抗裂性试验方法，进行水工ECC抗裂性试验。本试验参考美国S.P.Shah提出的方法，采用净浆或砂浆制成的约束试件，测定其收缩过程中出现开裂的时间，用来相对比较抗裂性能，为工程推荐抗裂性能相对更好的混凝土原材料和配合比。试件模具包括内环、外环和底座，示意图见图1，制备的试件尺寸为内径120mm、外径170mm、高度25.4mm的圆环。试件成型一天后，拆去外环的套箍，一同取出试件与内环，置于温度20±0.5℃，湿度50±10％的环境中，通过开裂时间及开裂模式等评价水工ECC受内环约束时的抗裂能力。
平板抗裂试验过程为：首先将平板用两块木板间隔为三份，浇筑两侧的普通混凝土，浇筑两组分别静置1.5h和7h，然后浇筑中间部分的水工ECC材料，并取掉模板，在振动台上快速点振，静置30min后，按照平板抗裂试验方法进行观测。
水工ECC圆环测试结束后，实施例1-8的试件均未开裂，对比例1、2有轻微开裂，对比例3存在明显开裂。平板抗裂试验结束后，实施例1-8的试件均未开裂，对比例1、2有约3-5条轻微裂缝，对比例3的试件中间无约束区域出现近10条明显裂缝。
6、干燥收缩变形测试
水工ECC干缩试验参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》的规定进行。是将一定长度、一定胶砂组成的试件，在规定温度(20℃±3℃)、规定湿度(50％±4％)的空气中养护，通过测试规定龄期的试件长度变化率来确定试件的干缩性能。水工ECC干燥收缩试件照片见图1，测试结果如下表5所示。
表5干燥收缩变形测试
Figure BDA0003560807390000091
Figure BDA0003560807390000101
7、界面结合与钢筋拉拔试验
为了模拟坝基廊道ECC与普通混凝土之间存在的浇筑粘结面，因此，本试验室内模拟二者的竖直交界面的具体方法是；150mm的立方体试模内，先竖直放入一半混凝土基体；成型后凿毛处理，凿毛处理深度5-10mm，间距30mm，以增加粗糙度、扩大接触面，从而提高界面粘接强度；再浇筑另一侧ECC材料或普通混凝土；试件浇筑成型后标准养护28d，然后沿着交界面进行劈裂抗拉强度试验。
结合表6的测试结果，采用实施例1-8的粘接ECC材料的界面强度平均值高于对比例1-3混凝土，平滑基体粘接破坏后试件，测试达到极限荷载时，粘接面两侧基本断开，可直观看到破坏面起伏度小。
表6界面结合与钢筋拉拔测试结果
界面粘接强度，MPa
实施例1 1.48
实施例2 1.55
实施例3 1.41
实施例4 1.37
实施例5 1.34
实施例6 1.39
实施例7 1.50
实施例8 1.47
对比例1 1.23
对比例2 1.17
对比例3 1.03
8、抗冻性能
成型40mm×40mm×160mm小棱柱体试件，标准养护至28d龄期，参照DL/T5150–2017《水工混凝土试验规程》快速冻融试验相关规定，测试水工ECC试件的抗冻能力。水工ECC材料的抗冻试验结果见表7，测试结果表明，同强度等级C25条件下，实施例1-8的抗冻等级均满足设计要求F100；且经历F300次冻融循环后，砂子最大粒径不超过1.25mm时，试件仍未破坏(DL/T 5150–2017评价标准：质量损失低于5％且相对动弹模大于60％)。
表7抗冻性能测试结果
Figure BDA0003560807390000102
Figure BDA0003560807390000111
从上述试验测试结果可以看到，采用本发明的原料和方法，制备的水工ECC材料具有更好的抗压、抗裂、抗弯折和抗冻性能，与四周老旧混凝土的粘结性能更好。

Claims (5)

1.一种水工ECC材料，其特征在于，由以下原料按质量百分数组成：水泥25-34wt%、粉煤灰23-30wt%、硅灰15-20wt%、细骨料26-32wt%、复合纤维网片1.25-1.7%、减水剂0.1-0.24wt%、增稠剂0.03-0.07wt%；
所述复合纤维网片是将复合纤维浸渍在水性环氧树脂和固化剂中，混合均匀，取出复合纤维摊铺后切削或破碎成小片网状结构后制成；复合纤维为按照重量比0.45:1组成的PVA纤维和碳纤维，或按照质量比0.5:1组成的PVA纤维和玄武岩纤维；
所述复合纤维网片的制备方法具体为：
S1、按重量比取复合纤维混合均匀，加至水性环氧树脂中，加入固化剂，搅拌均匀；复合纤维与水性环氧树脂的用量比为（0.3-0.6）:1；
S2、取出复合纤维摊铺在平面模具上，待完全固化后脱离平面模具，切割或破碎成面积为3-5mm2，厚度100-150μm的薄网片状结构，即复合纤维网片；
所述PVA纤维、碳纤维、玄武岩纤维的直径25-40μm，长度8-14mm。
2.根据权利要求1所述的水工ECC材料，其特征在于，其原料包括水泥30.1wt%、粉煤灰25wt%、硅灰16wt%、细骨料27wt%、复合纤维网片1.65%、减水剂0.2wt%、增稠剂0.05wt%。
3.根据权利要求1所述的水工ECC材料，其特征在于，所述复合纤维网片的制备方法中，步骤S1的复合纤维与水性环氧树脂的用量比为0.35:1。
4.权利要求1所述的水工ECC材料的应用，其特征在于，按重量百分比称取所述水工ECC材料的各原料，按水灰比0.32-0.38称取水；先将水泥、粉煤灰、硅灰、细骨料干拌混合均匀成固体物料，同时将增稠剂、减水剂与水混合均匀成液体物料；然后将液体物料倒入固体物料中湿拌；最后加入复合纤维网片拌和均匀，制成水工ECC材料的工作物料，用于进行直接浇筑。
5.根据权利要求4所述的水工ECC材料的应用，其特征在于，水灰比为0.33。
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