摘要: 为研究沙漠砂为细集料制备的高韧性水泥基复合材料(DS-ECC)在碱激发剂作用下基本力学性能的稳定性，对碱激发剂作用后的DS-ECC进行基本力学试验，探究不同模数的碱激发剂对立方体抗压强度、单轴拉伸强度、泊松比以及弹性模量稳定性的影响。结果表明：经激发剂处理后，立方体抗压强度、单轴拉伸强度以及极限拉应变数据波动范围均减小、材料稳定性提高；在碱激发剂模数为1.5时，泊松比与弹性模量的值均有提升，但其数据波动范围基本不变，稳定性基本不变。
Abstract:
In order to study the stability of the basic mechanical properties of Desert-Sand Engineered cementitious composite (DS-ECC) prepared from the desert sand as fine aggregate under the action of alkali activator, basic mechanical tests were carried out on DS-ECC after the action of alkali activator, exploring the effects of different modulus alkali stimulants on the cubic compressive strength, uniaxial tensile strength, Poisson’s ratio and the stability of elastic modulus. The results show that after treatment with the activator, the fluctuation range of the cubic compressive strength, uniaxial tensile strength, and ultimate tensile strain data is reduced, and the material stability is improved; when the modulus of the alkali activator is 1.5, the values of Poisson’s ratio and elastic modulus are improved, but the data fluctuation range is basically unchanged, and the stability is basically unchanged.
1. 引言
高韧性水泥基复合材料(Engineered cementitious composite, ECC) [1] 相较于脆性混凝土具有高韧性、高抗裂性能以及良好的自愈合性能等 [2] [3] [4]。除ECC的制备工艺相较普通混凝土复杂外，纤维的掺入使得ECC的成本变得昂贵，这极其不利于ECC的推广使用。此外，ECC不使用粗骨料需要使用大量河砂以及水泥，这无疑增加了环境压力，同时也不符合国家可持续发展的战略要求。近年来全国正面临砂资源短缺危机，据CNBC报道，在过去20年里全球的建筑用砂使用量增加了两倍。据联合国统计，全球建筑用砂使用量是水泥的10倍。在建筑工程方面，全球每年消耗大约400亿到500亿吨沙。目前，建筑用砂已远远超过沙子的自然增长速率，呈供不应求的状况。
为缓解建筑用砂资源短缺的现状，已有学者采用沙漠砂为细集料制备高韧性水泥基复合材料(Desert-Sand Engineered Cementitious Composite, DS-ECC) [5] [6] [7] [8]。已有研究表明沙漠砂中的极小颗粒存在火山灰效应 [9] [10]，为了进一步提高DS-ECC性能稳定性，本文采用碱激发剂对DS-ECC进行激发，增强其自身火山灰效应，并对其立方体抗压强度、单轴拉伸强度、极限拉应变、泊松比以及弹性模量进行试验研究，对比碱激发剂作用前后立方体抗压强度、单轴拉伸强度、极限拉应变、泊松比以及弹性模量的数据波动范围，研究碱激发剂对DS-ECC稳定性的影响。
2. 试验
2.1. 原材料和配合比
水泥来自宁夏赛马水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用宁夏本地生产的Ⅰ级粉煤灰；沙漠砂取自阿拉善·左旗腾格里沙漠；水玻璃采用安徽蚌埠精诚化工生产的水玻璃(图1(a))，水玻璃模数为3.26；氢氧化钠为浓度 ≥ 96%的分析纯(图1(b))；高效减水剂为北京慕洋新材料技术研究有限公司所生产。沙漠砂为细集料制备的高韧性水泥基复合材料(DS-ECC)配合比见表1所示。
2.2. 碱激发剂的使用
碱激发剂用量为胶凝材料体积的5%，模数选用1、1.5和2三个模数对DS-ECC进行处理。具体模数的调配方法为：首先称取定量水玻璃，根据水玻璃出产模数计算出物质的量，其次根据所需要的碱激发剂模数加入适量氢氧化钠，从而调配出试验用碱激发剂。为防止碱激发剂配置过程中释放的热量导致其不稳定，碱激发剂调配完成后，采用保鲜膜将碱激发剂密封(图2)并静置24 h后使用。
Figure 1. Experiment material (a) Water glass; (b) Sodium hydroxide
图1. 试验材料(a)水玻璃；(b)氢氧化钠
Table 1. Mix proportion for DS-ECC specimen
表1. DS-ECC试件配合比(kg/m3)
2.3. DS-ECC的制备
首先将事先称量好的水泥、粉煤灰以及沙漠砂倒入卧式搅拌机中干拌3~5 min，其次加入碱激发剂、水以及高效减水剂的混合液体快速搅拌3~5 min后加入PVA纤维，纤维掺量不超过体积质量分数的2%，最后加入纤维直至水泥砂浆不成团结块。将制备完成的水泥砂浆倒入如图3所示的试模中，静置24 h后，脱模后放置标准养护室养护至相应龄期，待达到龄期后进行基本力学试验。
2.4. 试验方法
采用100 t万能试验机对DS-ECC进行试验，各试验加载方式如图4所示。单轴拉伸试验采用位移控，位移收集加载速率为0.3 mm/min；立方体抗压采用应力控，加载速率为0.5 MPa/s；泊松比以及弹性模量的测量按照《高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能试验方法》(JC∕T 2461-2018)进行试验。
Figure 4. Schematic diagram of loading (a) Uniaxial tension; (b) Compression of cube; (c) Poisson’s ratio; (d) Elastic modulus
图4. 加载示意图(a)单轴拉伸；(b)立方体受压；(c)泊松比；(d)弹性模量
3. 结果与讨论
为更加直观的对比碱激发剂作用下DS-ECC基本力学性能及其稳定性得变化，对DS-ECC试验数据进行整理，表2为碱激发剂作用下DS-ECC的拉、压性能，表3为碱激发剂作用下DS-ECC的泊松比，表4碱激发剂作用下DS-ECC的弹性模量，图5为碱激发剂作用下基本力学性能的范围差(表中范围差为极差，其中泊松比为100倍极差)。其中每组立方体抗压强度、泊松比、弹性模量数据范围取自3个试件测试值，单轴受拉强度及极限拉应变取自5个试件测试值。
由表2~4可以看出：DS-ECC的拉、压性能：当未使用激发剂时DS-ECC的立方体抗压强度随龄期增长而增长，单轴拉伸强度以及极限拉应变变化不大。当碱激发剂作用DS-ECC后，7 d龄期试件在激发剂模数为1.5时抗压
Table 2. Tensile and compressive properties of DS-ECC under the action of alkali activator
表2. 碱激发剂作用下DS-ECC的拉、压性能
Table 3. Poisson’s ratio of DS-ECC under the action of alkali stimulator
表3. 碱激发剂作用下DS-ECC的泊松比
Table 4. The modulus of elasticity of DS-ECC under the action of alkali activator
表4. 碱激发剂作用下DS-ECC的弹性模量
Figure 5. Poor range of basic mechanical properties under the action of alkali activator (a) 7 d Specimen; (b) 28 d Specimen
图5. 激发剂作用下基本力学性能的范围差(a) 7 d试件；(b) 28 d试件
强度有明显的增大，28 d龄期试件抗压强度减小，在模数为1.5时抗压强度减小幅度最低。在碱激发剂作用下，基体内产生C-S-H凝胶与Aft晶体，试件立方体强度应提高，但28 d龄期试件强度下降，这可能是由于振捣过程中振捣不均匀产生的，具体原因还需进一步探究。此外，立方体抗压强度波动范围明显减小，稳定性提高(如图5所示)。在碱激发剂作用后单轴拉伸强度变化不明显，极限拉应变降幅明显，两者较未激发试件数据波动范围均减小，稳定性提高(如图5所示)。
DS-ECC的泊松比：当未使用碱激发剂时，随龄期增长DS-ECC的泊松比略微提高；当加入碱激发剂后，7 d龄期试件泊松比均增大，在模数为1.5时泊松比增大最为明显。28 d龄期试件泊松比在碱激发模数为1.5时有明显增大，碱激发模数为1和2时，泊松比数据波动范围基本不变；碱激发剂对DS-ECC泊松比稳定性影响较小(如图5所示)。
DS-ECC的弹性模量：当未使用激发剂时，龄期对DS-ECC的弹性模量影响不明显；当加入碱激发剂后，在碱激发模数为1.5时弹性模量有小幅提升；碱激发模数为1和2时，弹性模量数据波动范围基本不变；碱激发剂对DS-ECC泊松比稳定性影响较小(如图5所示)。
4. 结论
1) 经过碱激发剂作用后的DS-ECC立方体抗压强度波动范围明显减小，稳定性提高。单轴拉伸强度与极限拉应变数据波动范围均减小，稳定性提高。
2) 经过碱激发剂作用后的DS-ECC泊松比在模数为1.5时有明显提高，但其数据波动范围均不大，稳定性基本无变化。
3) 经过碱激发剂作用后的DS-ECC弹性模量在模数为1.5时有小幅提升，数据波动范围基本不变，稳定性基本不变。
基金项目
宁夏自然科学基金资助项目(2020AAC03041)。