本文是一篇工程硕士论文，为解决两组基准配合比 PVA-ECC 抗渗性能、喷射性差的缺点，在两组基准配合比中按照不同质量比掺加硅灰(SF/C)得到 V-1 版本的 PVA-ECC 配合比，对其进行工作性能试验，试验研究结果表明，基于可泵送及可喷射新拌水泥基复合材料的工作性能要求，结合本研究中 PVA-ECC 的特征，得到一整套新拌 PVA-ECC可泵送及可喷射的试验室评价指标，即坍落度 SL 在 140~200mm 范围内；适当的粘聚性：坍落扩展度值 St 在 400~500mm 范围内，倒坍流空时间 t 在 4~10s 范围内；同时还得到坍落度与坍落扩展度比值 SL/St 约为 0.450。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
近几年来，随着我国对基础设施的大力建设，地下及水工工程建设得到了大力发展。据统计显示，截止到 2019 年底，我国运营铁路隧道较 2018 年增加 967座，合计 16084 座；新增运营铁路隧道长度为 1710km，合计 18041km[1]；我国公路隧道数量为 19067 座，同比增长 7.5%，公路隧道总长度达到 1896.66 万米，同比增长 10%[2]。同时，全国已建成 5 级及以上江河堤防 31.2 万公里[3]。由于实际工程所处的环境较复杂、施工过程中操作不规范以及普通混凝土(NC)硬化后粗骨料之间产生缝隙、温度收缩或在变形过程中受到的应力超过自身极限拉伸应变等原因[4]，导致地下及水工工程广泛出现开裂及渗漏水等病害现象，危及其正常使用。目前，NC 是地下工程和水工工程中应用最广泛的建筑材料之一，然而由于其具有脆性大、韧性差、低延性及裂缝控制能力差等缺陷通常会导致结构开裂，从而会降低结构的承载力及安全性。已有大量研究表明[5-7]，大多数混凝土结构劣化的主要原因是开裂，不及时控制及修复将导致水、二氧化碳酸性气体及有害离子等有害物质侵入混凝土内部，腐蚀钢筋并最终剥落混凝土保护层。因此，对于基础性结构的耐久性而言，应用于此类结构中的建筑材料的裂缝宽度控制能力也越来越受到重视，但 NC 通常表现为脆性，裂缝控制能力较差，导致结构耐久性降低[8]。 当 NC 的 拉 伸 应 变 达 到 极 限 应 变 (约 0.01%)时 ， 局 部 裂 缝 宽 度 可 能 超 过0.6mm[9]。具体地说，目前我国在隧道的运营方面存在很多问题，由于 NC 脆性大、极限拉伸应变低、韧性差以及裂缝控制能力差等缺陷，容易导致隧道二次衬砌发生劣化、混凝土碎片剥落和渗漏水等病害现象，特别是当隧道暴露在侵蚀性环境中时[10]。同时，对于水工结构建筑物，包括大坝、溢洪道和水闸在内的水工建筑物，混凝土的开裂会导致大坝发生渗透等病害现象，在寒冷地区会对大坝造成冻融和冻胀破坏，对结构的安全性及稳定性造成了极大的威胁。此外，普通混凝土材料内部孔隙水过多也可能导致内部管道和基体内部被侵蚀，使得结构进一步损坏。
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1.2 纤维增强水泥基复合材料的研究进展
大量研究表明[9, 14-16]，由于普通混凝土材料自身缺陷的存在，在提高强度的同时牺牲自身的韧性，使其在破坏时表现为典型的脆性破坏，韧性差，延性低、能量吸收能力不足以及耗能低，导致混凝土结构经常不可避免的出现开裂等病害现象。为改善或克服甚至于消除混凝土脆性特征，结构易开裂等病害，提高材料极限拉伸应变及韧性，增加结构的耐久性、延性及耗能能力，在水泥砂浆基体或混凝土基体中掺加一定量纤维，对水泥基材料进行纤维复合化，充分发挥纤维增韧特性，增加水泥基复合材料的韧性，改善其性能[17-19]；此种方法是改善水泥基体韧性的常用方法之一。传统的纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete or Mortar，简称 FRC)如：聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土。由于加入抗拉强度高、极限拉伸应变大的纤维，使得混凝土的拉伸强度、韧性及延性得到了提高，极限拉伸应变约为普通混凝土的 10~30 倍，但在拉伸试验过程中通过试件开裂破坏形态及应力-应变曲线可观察出其呈现出比较明显应变软化特性，通常极限拉伸应变不超过0.1%，同时无法精准的控制裂缝宽度，在拉伸荷载作用下裂缝宽度呈现出不确定性，试件开裂后其裂缝宽度扩展较为迅速[20]。
针对普通混凝土 NC 中粗骨料与水泥浆体之间会形成一层薄弱的界面过渡区，此种缺陷会在某种程度上削弱混凝土结构的抗压强度、承载能力及耐久性。针对上述问题，在 1993 年由法国的 Richard 和 Cherezy[23]学者成功研制出了一种新的建筑材料—活性粉末混凝土(RPC)，本质上由钢纤维增强的高性能纤维增强水泥基复合材料[23]。RPC 是一种高强度、高韧性、低孔隙率且密实度较高的 HPFRCC。其基本成型制作原理是：水泥基复合材料存在的缺陷及“性能薄弱点”越少，即裂缝、界面过渡区、孔隙率等存在数量越少，得到的水泥基复合材料的抗压强度及承载能力越大，同时还可表现出十分优异的耐久性，且上述性能只由组成该水泥基复合材料的原材料性能来决定[26]。因此，在此种配置原理的基础上，采用“最紧密堆积原则”；首先，剔除粗骨料，采用石英砂作为骨料，提高材料的匀质性；其次，掺入不同成分且颗粒级配优良的活性矿物材料以改善 RPC 的微观结构，例如：硅灰、石粉等，通过加压的制备工艺，提高材料的密实度，降低孔隙率；最终，掺加一定配比的钢纤维，提高 RPC 的韧性及延性。按照 RPC 的抗压强度的不同，将其分为 RPC200 和 RPC800 两个等级[23, 26, 27]，其中 RPC200 和 RPC800的抗压强度分别为 180~235MPa，500~710MPa，是普通混凝土的 3~12 倍；RPC 的断裂能通常为 20~40kJ/m2，是普通混凝土的 150~310 倍，表现出高的能量吸收能力，因此，其具有良好的韧性。虽然 RPC 具有种种优异的性能，但其掺加钢纤维的体积分数最高可达 5.0%，导致制备新拌 RPC 材料过程中拌和较困难以及经济成本较高[28]；由于其含有大量的活性矿物掺合料，导致其对养护制度十分苛刻；同时 RPC 的施工操作较为繁琐，并不能实现大量的现场泵送施工，导致其实际工程应用不能得到很好的推广。
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第二章 掺硅灰 PVA-ECC 工作性能试验研究
2.1 掺硅灰的作用机理及掺量确定
由于地下及水工工程所处环境较为复杂、恶劣，为保证结构具有良好的耐久性，对于实际应用此类工程中的水泥基复合材料，通常要求其具有良好的抗渗性能，我国规范“GB50108-2008《地下工程防水技术规范》[71]”规定一般抗渗等级不应低于 P8(相对渗透系数 K 约为：2.610×10-11 m/s)。除此之外，针对现有隧道衬砌、坝体一般采用喷射新拌水泥基材料进行表面裂缝修复；在新建结构中，一般采用现浇(即泵送或喷射)的方式进行结构修筑[68]。因此，应用于此类工程的 PVA-ECC 还需具备良好可泵送性及可喷射性工作性能。
Li 等[69]在优化配合比中对极限拉伸应变最大的两组 PVA-ECC 配合比进行抽样试验研究[70]的具体结果表明，低水灰比（W/C=0.57）的 PVA-ECC 表现出高抗渗性，满足一般应用于地下及水工结构的抗渗等级 P8，但其坍落度仅为 96mm，在实际工程中，受施工干扰因素等的影响，一般要求可泵送型新拌水泥基材料的坍落度大于 140mm[72]，96mm 远低于新拌水泥基材料可泵送所规定的坍落度最小指标值。尽管研究表明掺加粉煤灰[73]可有效改善水泥基材料的工作性能。粉煤灰对新拌材料流动度的改善具体表现为随粉煤灰掺量增多而增大，随粉煤灰粒径减小而增大[73]。而研究[69, 70]中低水灰比(W/C=0.57)ECC 配合比中粉煤灰掺量为胶凝材料质量的 55%，已超过普通粉煤灰混凝土应用技术所规定的粉煤灰掺量占胶凝材料质量 45%的限值；同时，该配合比中所采用的 I 级粉煤灰在各等级粉煤灰中粒径级配最细的已不能再进行改良。根据上述讨论和试验结果[70]，针对于最优PVA-ECC 配合比[69]而言，低水灰比(W/C=0.57)的 PVA-ECC 不能满足实际工程中新拌材料工作性能(可泵送及可喷射)要求，且难以改善；而高水灰比(W/C=1.03)的PVA-ECC 试件完全渗透，抗渗性极差，但由于水灰比及粉煤灰含量较高，其流动性能得到了显著的改善，测得其坍落度为 218mm，在可泵送坍落度值 范围以内(140~220mm)[72, 74]，但不满足新拌水泥基材料可喷射性的指标要求[70, 75]。如上文所述，在满足其工作性能之外，还应保持其具备高拉伸延展性， 粉煤灰(FA)是一种工业废料，但其可提高 PVA-ECC 的拉伸延展性，此外，还可以获得维持长期拉伸应变的稳定性。最终 ， 在最优配合比范围内[69]选取高粉煤灰含量且高水灰比PVA-ECC 配合比视为基准配合比。
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2.2 PVA-ECC 工作性能试验
由于地下工程和水工工程建设量巨大，为保证生产效率，新拌水泥基复合材料(包括 NC、ECC 等)均需要通过泵送及喷射进行结构修复及构筑。首先，新拌水泥基复合材料的可泵送能力与流动性和粘聚性两个和易性指标有关[79, 80, 87]。只有保持新拌水泥基复合材料的流动性与粘聚性之间的平衡，才能使得 PVA-ECC 具有良
