元成方，王 娣，李好飛，張 哲

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

超高韌性水泥基復合材料(ECC)基于斷裂力學和微觀力學原理設(shè)計而成，是一種高延性、高韌性的新型高性能纖維水泥基復合材料[1]。在極限拉伸狀態(tài)下，拉應變可達3%以上，最大裂縫可控制在0.1 mm以內(nèi)，其良好的拉應變硬化性能和多縫開裂特征對增強結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性具有顯著效果[2-3]。隨著中國城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑垃圾日益增多，如何有效處理建筑垃圾成為亟待解決的社會問題[4]。將廢棄燒結(jié)磚破碎、研磨后得到的再生磚粉取代石英砂制備再生磚粉ECC是實現(xiàn)建筑垃圾資源再利用的途徑之一，深入研究再生磚粉ECC的各項性能使其更廣泛應用于工程領(lǐng)域，不僅具有重要的工程價值，還將產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟效益。

聚乙烯醇(PVA)纖維具有良好的親水性，與水泥化學相容性好且具有彈性模量高、抗拉強度高的特點[5]。PVA纖維能在ECC中起到“橋接作用”，增強其韌性，控制裂縫產(chǎn)生，提高ECC的變形能力，是影響ECC材料性能的重要因素。目前已有不少研究報道了纖維摻量對ECC工作性能[5-7]、力學性能[8-11]、收縮性能[12-14]、耐久性能[15-16]等方面的影響。由于再生磚粉ECC使用了建筑廢料制備的再生磚粉，其材質(zhì)相比石英砂有所降低，導致再生磚粉ECC性能相比普通ECC會有所降低，不利于其在實際工程中應用。因此，需要對再生磚粉ECC進行進一步研究，以提高其性能。本文將從PVA纖維角度出發(fā)，重點研究PVA纖維摻量對再生磚粉ECC流動性能和力學性能的影響，旨在通過調(diào)整PVA纖維摻量改善再生磚粉ECC性能。這不僅能為再生磚粉ECC在工程中的應用與推廣提供技術(shù)依據(jù)，使其更好地應用于工程領(lǐng)域，更對解決城市建筑廢棄物的堆放和污染問題具有重要意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

試驗采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰；利用市內(nèi)房屋拆遷所得的廢棄燒結(jié)黏土磚，經(jīng)破碎、篩選、球磨后制得再生磚微粉，粒徑分布同石英砂，見表1，材性指標見表2；采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的單絲PVA纖維，性能指標見表3；外加劑采用HPMC-20型羥丙基甲基纖維素增稠劑，黏度等級20萬；采用CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑，減水率為26.5%；試驗拌合水和養(yǎng)護水為鄭州市普通自來水。

表1 石英砂和再生磚粉粒徑分布Table 1 Particle Size Distribution of Quartz Sand and Recycled Brick Powder

表2 再生磚粉材性指標Table 2 Material Property Indexes of Recycled Brick Powder

表3 PVA纖維技術(shù)指標Table 3 Technical Indicators of PVA Fiber

1.2 配合比設(shè)計及試件成型工藝

試驗利用再生磚粉100%取代石英砂制備再生磚粉ECC，將不同體積摻量的PVA纖維分別加入再生磚粉ECC中。由于再生磚粉吸水率大，試驗需考慮附加水以保持水膠比的穩(wěn)定性，附加水用量為再生磚粉摻量與其吸水率乘積。試驗配合比如表4所示。

表4 再生磚粉ECC配合比Table 4 Mix Ratio of Various Recycled Brick Powder ECCs

成型工藝：將攪拌機筒體與攪拌臂潤濕，翻轉(zhuǎn)攪拌機桶，使多余的水分流出；將預先稱好的水泥、粉煤灰、細集料依次投入攪拌機中，攪拌2 min；將提前混合好的減水劑與水(含附加水)加入到攪拌機，攪拌2 min；開動攪拌機，緩慢均勻加入PVA纖維，2 min中內(nèi)加完，待攪拌機停止后，加入增稠劑，攪拌4 min，攪拌過程中觀察拌合物是否有結(jié)團現(xiàn)象產(chǎn)生；將攪拌好的拌合物裝入鋼模，分2次裝填，首先填入模具高度的一半，然后打開振動臺，振動1 min，并在振動時用小棒進行搗動，便于減少內(nèi)部氣孔；以相同方法進行二次填料與振搗，同時觀察成型狀態(tài)，最后使用抹子對試件表面進行找平，使用保鮮膜覆蓋至24 h拆模，試件成型過程見圖1；標準養(yǎng)護28 d后進行力學性能試驗。

試驗共制作20組試件研究纖維摻量對再生磚粉ECC力學性能的影響，其中抗壓與抗折試驗試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，每種試驗各5組，每組試件3塊；四點彎曲試驗試件尺寸為320 mm×100 mm×10 mm，共5組，每組試件3塊；單軸拉伸試驗試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm，共5組，每組試件3塊。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動性能測試

再生磚粉ECC流動性測試依據(jù)《自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)進行。主要儀器設(shè)備為：坍落度筒，1 000 mm×1 000 mm正方形平面板，抹刀，卡尺。

試驗方法：首先將坍落度筒等工具潤濕，隨后將拌合物一次性填入坍落度筒中，用抹刀刮去頂部余料，使拌合物與坍落度筒頂部持平，將筒體垂直連貫地向上提起。觀察并記錄拌合物流動到達平面板上圓周500 mm的時間T500，測量記錄平面板上最大圓周直徑及其垂直直徑為最終擴展度D，見圖2。

1.3.2 力學性能測試

抗壓與抗折試驗加載設(shè)備為YAW-300C型水泥抗折抗壓一體試驗機，抗壓試驗加載速率為2.4 kN·s-1，抗折試驗加載速率為50 N·s-1；四點彎曲試驗加載設(shè)備為WDW-100型電子式萬能試驗機，加載速率為0.2 mm·min-1；單軸拉伸試驗加載設(shè)備為WDW-100型電子式萬能試驗機，加載速率為0.1 mm·min-1。試驗加載過程見圖3。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 PVA纖維摻量對再生磚粉ECC流動性能的影響

再生磚粉ECC的T500、坍落度和擴展度測試結(jié)果見表5。再生磚粉ECC拌合物的T500隨著纖維體積摻量(簡稱纖維摻量)的增加而增加，纖維摻量2%時較纖維摻量1.75%增長尤為明顯，增幅達70.5%。擴展度隨纖維摻量增加而降低，纖維摻量2%時擴展度最小為520 mm，較纖維摻量1.25%時降低了9.6%。坍落度隨纖維摻量增加呈減少趨勢，纖維摻量由1.25%增加至2.0%時，坍落度由275 mm降低至265 mm，雖然纖維摻量1.5%與1.75%時坍落度相同，但是T500與擴展度不同，纖維摻量1.5%時流動性能更優(yōu)。

表5 再生磚粉ECC流動性能測試結(jié)果Table 5 Flow Performance Test Results of Recycled Brick Powder ECCs

隨纖維摻量增加，拌合物流動工作性能降低。這是因為PVA纖維的親水性可使其表面吸附更多的自由水分子，基體內(nèi)水分子相對減少，并且PVA纖維亂向分布形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可阻礙漿體的流動，增大表面漿體包裹量，從而降低了材料的流動性能[17]。

2.2 PVA纖維摻量對再生磚粉ECC力學性能的影響

2.2.1 抗折、抗壓性能試驗

抗折試驗中，隨著試驗不斷加載時，試件表面出現(xiàn)裂縫，試驗機上荷載值出現(xiàn)波動上升現(xiàn)象，當荷載值到達極限荷載后，出現(xiàn)貫穿裂縫，荷載值下降，試件破壞。抗折試驗試件破壞形態(tài)如圖4所示。

抗壓強度試驗中，隨著試驗加載，抗壓試件出現(xiàn)豎向裂縫，當荷載達到極限荷載時，承載力下降，試件破壞，破壞試件并無明顯貫穿裂縫。這是由于PVA纖維與水泥界面結(jié)合較好，分散均勻，能夠抑制試件受壓時裂縫的數(shù)量發(fā)展，同時限制裂縫長度與寬度延伸，減少貫通裂縫，因而試件受壓破壞時裂縫較少且不明顯[18]。試件破壞形態(tài)如圖5所示。

不同纖維摻量的再生磚粉ECC抗折、抗壓強度試驗結(jié)果如表6所示。對比表6中A0與A3組可知，再生磚粉取代石英砂后，抗折強度與抗壓強度均有所下降。這是由于再生磚粉表面粗糙會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙增多，密實度降低，且材料自身性能較差，導致抗壓、抗折性能降低。壓折比有所增加，表明柔韌性能降低。

對比A1～A4組，抗折強度隨PVA纖維摻量的增加先增大后減小，纖維摻量為1.75%時抗折強度最大為16.5 MPa。纖維摻量2.0%較纖維摻量1.75%時抗折強度雖減小了3.2 MPa，但仍高于纖維摻量1.25%時的抗折強度。這是因為增加纖維摻量使其橋聯(lián)作用更加顯著，抗折強度因此增加。當纖維摻量2.0%時，基體內(nèi)大量存在的纖維會增加基體內(nèi)部孔隙，增加試件內(nèi)部初始缺陷，如振搗不充分導致的空洞、纖維與界面間以及纖維間界面上的初始裂縫，均對基體密實度產(chǎn)生不利影響，導致基體強度降低，抗折強度降低[19]；抗壓強度隨PVA纖維摻量的增加呈下降趨勢，纖維摻量由1.5%增加到1.75%時，下降幅度尤為明顯，達到10.13%。這是因為纖維摻量的增加使得引入氣泡增多，含氣量增加降低了基體的密實度，從而使抗壓強度降低，當纖維摻量較小時，引入氣泡較少，對材料的勻質(zhì)性、密實度影響較小，抗壓強度變化較?。浑S著纖維摻量增加，壓折比逐漸減小，纖維摻量由1.25%增加到1.5%時，降幅最大達23.1%，隨后降速放緩，壓折比在纖維摻量為1.75%，2.0%時比較接近，分別為2.04和2.02。由此可知，不同纖維摻量下，再生磚粉ECC的柔韌性由大到小依次為A4，A3，A2，A1。

表6 不同纖維摻量下抗折、抗壓性能Table 6 Flexural and Compressive Properties Under Different Fiber Contents

2.2.2 彎曲性能試驗

四點彎曲試驗加載初期薄板試件彎曲現(xiàn)象不明顯，薄板上沒有裂縫產(chǎn)生。當試驗機上荷載達到開裂荷載時，薄板在受彎區(qū)域出現(xiàn)第1條裂縫，試驗機荷載下降后再開始上升，此后試驗機上荷載的波動升高，薄板試件彎曲程度逐漸增大，底部呈現(xiàn)出多縫開裂狀態(tài)。加載后期，薄板上受彎面裂縫開始擴展，最終試件破壞。彎曲試驗試件破壞底部裂縫形態(tài)見圖6。

不同纖維摻量下荷載-跨中撓度曲線如圖7所示。彎曲性能指標如表7所示。構(gòu)件受彎破壞分為彈性階段、多裂縫發(fā)展階段、飽和裂縫拓展階段[20]。彈性階段無裂縫產(chǎn)生；構(gòu)件從開始產(chǎn)生裂縫時進入多裂縫發(fā)展階段；從構(gòu)件剛度明顯發(fā)生變化點至荷載峰值點為飽和裂縫拓展階段。由圖7可以看出，隨著纖維摻量的增加，變形硬化特征更為明顯。這是由于纖維增多使得因纖維與基體之間的界面黏結(jié)而反復傳遞拉應力所產(chǎn)生的細微裂縫不斷增加，延長了趨向飽和開裂形態(tài)的階段，使應變硬化特征更顯著。

表7 不同纖維摻量下彎曲性能指標Table 7 Bending Performance Indexes Under Different Fiber Contents

由表7中A0與A3組對比可知，再生磚粉取代石英砂后，開裂撓度和極限撓度增加，開裂荷載、極限荷載和強度降低，表明再生磚粉材質(zhì)弱于石英砂，彎曲性能降低。

由A1～A4組可知：在1.25%～2.0%范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，開裂強度呈減小趨勢，纖維摻量為1.5%，1.75%時，開裂強度分別較纖維摻量為1.25%時下降了7.8%，10.3%，當纖維摻量增加到2.0%時，下降速度增大，較纖維摻量1.75%時降低了9.6%；開裂撓度隨纖維摻量增加呈上升趨勢，且在纖維摻量1.25%～1.5%及1.75%～2%間增加明顯；隨纖維摻量增加，抗彎強度呈上升趨勢，纖維摻量1.25%～1.5%，1.75%～2.0%時，強度增長幅度較大。極限撓度隨纖維摻量增加明顯增長，纖維摻量1.5%，1.75%相比1.25%極限撓度分別增長了63.01%，90.56%，纖維摻量2.0%時，極限撓度增長了1.22倍。纖維摻量的增加可使混凝土提前進入開裂狀態(tài)且具有較大的開裂撓度，但由于PVA纖維具有橋聯(lián)作用，可將拉應力不斷分散傳遞給周圍的基體，使已有裂縫更多分散為更細密裂縫[21]。因此，隨著纖維摻量的增加，構(gòu)件能發(fā)揮更優(yōu)越的裂縫控制能力，承載更大荷載，提高抗彎強度，增大極限撓度，表現(xiàn)出更好的增韌效果。

2.2.3 拉伸性能試驗

單軸拉伸試驗加載初期荷載較小，拉伸試件表面無明顯變化，當試驗機上荷載達到初裂荷載時，在試件表面受拉觀測區(qū)域出現(xiàn)第1條裂縫，隨著荷載在波動變化中增大，拉伸試件表面裂縫增多，拉伸變形增大，加載過程中可聽到試件纖維拉斷的聲音，加載后期拉伸試件上某條裂縫逐漸變寬，形成貫穿裂縫，進而試件破壞。單軸拉伸試驗試件表面裂縫狀態(tài)見圖8。

不同纖維摻量下的應力-應變曲線如圖9所示。拉伸性能指標如表8所示。纖維混凝土拉伸破壞階段分為彈性階段、應變硬化階段、軟化階段[22]。裂縫產(chǎn)生前為彈性階段；第1條裂縫產(chǎn)生后進入應變硬化階段，再生磚粉ECC基體中的纖維限制裂縫發(fā)展，纖維橋聯(lián)作用不斷將應力傳遞至周圍基體從而產(chǎn)生更多細密裂縫，形成多縫開裂現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的變形能力；曲線達到峰值后，產(chǎn)生的應力大于纖維的極限拉應力，材料破壞進入軟化階段，纖維開始慢慢退出工作，裂縫不斷加寬，應力持續(xù)降低。由圖9應力-應變曲線可看出，纖維摻量在大于等于1.5%時，曲線呈現(xiàn)出較好的應變硬化特征，極限應變均超過2.5%。相較于其他纖維摻量，纖維摻量1.5%時試件曲線破壞階段沒有軟化段，在達到峰值應力后，試件裂縫處產(chǎn)生較大的應力集中，纖維橋聯(lián)作用發(fā)揮較弱，致使試件破壞迅速。

表8 不同纖維摻量下拉伸性能指標Table 8 Tensile Performance Indexes Under Different Fiber Contents

由表8中A0與A3組對比知，再生磚粉取代石英砂后，由于再生磚粉較石英砂粗糙，試件密實度降低，界面黏結(jié)力有一定弱化，導致試件在拉伸狀態(tài)下開裂與極限應變增加，應力減小，拉伸性能降低。

對比A1～A4組數(shù)據(jù)可知：再生磚粉ECC開裂應變雖然隨著纖維摻量的增加逐漸增加，但整體應變值較小，纖維摻量對開裂應變影響較??；隨纖維摻量增加，再生磚粉ECC拉伸開裂應力先降后升，纖維摻量1.75%時開裂應力最小，纖維摻量1.25%時開裂應力最大；隨纖維摻量增加，極限應力先降后升，纖維摻量在1.50%，1.75%時極限應力分別較纖維量1.25%時降低4.7%，11.6%，當纖維摻量為2.0%時，極限應力迅速增長，較1.25%時增長4.20%；隨纖維摻量增加，極限應變呈增長變化，纖維摻量1.5%相比1.25%，極限應變增長了1.22倍，纖維摻量1.75%，2.0%的極限應變分別較纖維摻量1.5%增加了23.30%和36.20%。不同纖維摻量下，開裂應力與極限應力變化規(guī)律整體相同，纖維摻量1.25%，1.5%，1.75%，2.0%時極限應力較各自開裂應力分別增長了16.1%，13.7%，21.0%，28.1%，且隨纖維摻量增加，纖維橋聯(lián)作用越明顯，應力提升越高。由應變變化可知：隨纖維摻量的增加，極限應變較開裂應變提升越明顯，材料裂縫控制能力更強，且在纖維摻量為1.75%，2.0%時，極限應變超過3%，延性更好，拉伸性能更優(yōu)異，表明纖維摻量是再生磚粉ECC拉伸性能重要的影響因素。

2.3 跨中撓度與極限應變相關(guān)性分析

蔡向榮[23]綜合胡克定律、平截面假定以及靜力平衡關(guān)系，推導得到普通超高韌性混凝土材料彎曲跨中撓度與極限拉應變間的關(guān)系，結(jié)果表明跨中撓度與極限拉應變間具有較好的相關(guān)關(guān)系。將本次再生磚粉ECC四點彎曲試驗中跨中極限撓度δu和單軸拉伸試驗中極限應變εut進行相關(guān)性回歸分析，結(jié)果如圖10所示，極限拉應變與跨中撓度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.982。

3 結(jié) 語

(1)再生磚粉取代石英砂制備再生磚粉ECC在一定程度上會降低ECC的力學性能。

(2)隨著纖維摻量的增加，再生磚粉ECC拌合物T500不斷增加，坍落度和擴展度不斷減少，拌合物流動性能有所下降。

(3)隨著纖維摻量的增加，再生磚粉ECC引入氣泡不斷增多，導致抗壓強度持續(xù)下降；纖維摻量在1.25%～1.75%范圍內(nèi)時 ，纖維的橋聯(lián)作用明顯，抗折強度提高，當摻量達2.0%時，纖維對基體密實度產(chǎn)生的不利影響增大，抗折強度有所降低，纖維摻量在1.75%時抗折性能達到最優(yōu)，抗折強度為16.5 MPa；壓折比隨著纖維摻量的增加不斷降低，材料柔韌性得到提升。

(4)彎曲狀態(tài)下，隨著纖維摻量的增加，再生磚粉ECC開裂強度有所下降，但由于PVA纖維具有橋聯(lián)作用使拉應力不斷分散傳遞給周圍基體，材料發(fā)揮優(yōu)越的裂縫控制能力，使抗彎強度大幅提升，開裂撓度與極限撓度也不斷增大。

(5)拉伸狀態(tài)下，隨著纖維摻量的增加，再生磚粉ECC開裂應力與極限應力呈先下降后升高，極限應力較開裂應力均有一定增加，纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用更明顯，應力提升效果顯著；當纖維摻量超過1.75%時，再生磚粉ECC裂縫控制能力更強，極限應變超過3%，延性更好。

(6)再生磚粉ECC彎曲跨中撓度與極限拉應變具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.982。