陳 陽 戚國峰 王孟南 肖文西

1鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院（450001）2鄭州共圖建設(shè)工程檢測有限公司（450001）

0 引言

隨著我國城市化的深入推進(jìn)和基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，每年產(chǎn)生的建筑垃圾已占城市垃圾總量的30%～40%[1]，我國建筑垃圾的綜合利用率為5%[2]，由此帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。將建筑垃圾中體量最大的混凝土和磚進(jìn)行資源化利用是解決這一問題的重要途徑[3]。高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC）是指基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)對纖維、基體和界面進(jìn)行設(shè)計、通過纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料[4-5]。文章設(shè)計制備的再生磚粉超高韌性混凝土（Recycled Brick Powder Engineered Cementitious Composites，簡稱RBP-ECC）是在傳統(tǒng)天然材料ECC的基礎(chǔ)上，將原材料中的石英砂用廢棄燒結(jié)磚粉取代后制備得到的新型水泥基復(fù)合材料。

為滿足工程設(shè)計的要求，對結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是重要的[6]。混凝土養(yǎng)護(hù)是為了使水泥充分水化，從而加速混凝土硬化，使其能夠在預(yù)定時間內(nèi)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度[7]。研究人員開展了養(yǎng)護(hù)條件對ECC材料力學(xué)性能[8-12]，彎曲性能[13-14]及單軸拉伸性能[15]影響的試驗研究。從已有研究報道來看，不同的養(yǎng)護(hù)機(jī)制對ECC材料物理力學(xué)性能有很大影響，選擇合理的養(yǎng)護(hù)方式可使ECC材料強(qiáng)度提高1～2倍。因此，不同養(yǎng)護(hù)條件下的再生磚粉超高韌性混凝土力學(xué)具有較高的研究價值，對于此類材料的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

采用河南天瑞集團(tuán)鄭州水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥；采用河南省眾邦環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑?0～120目石英砂；采用河南鞏義恒諾濾料有限公司I級粉煤灰；再生磚粉由廢棄燒結(jié)黏土磚經(jīng)過破碎、篩選、球磨得到，廢棄黏土磚取自于城市拆遷房屋，抗壓強(qiáng)度為MU10-MU25，再生磚粉的粒徑為80～120目，材性指標(biāo)見表1；采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的單絲聚乙烯醇纖維，主要技術(shù)指標(biāo)見表2；增稠劑為上海辰啟化工科技有限公司生產(chǎn)的HPMC-20型羥丙基甲基纖維素，黏度等級20萬；減水劑為上海辰啟化工科技有限公司生產(chǎn)的CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑，減水率26.5%。

表1 再生磚粉材性指標(biāo)

表2 PVA纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比

試驗設(shè)計了基準(zhǔn)ECC（Benchmark group，簡稱BG），在此基礎(chǔ)上用磚粉代替石英砂，設(shè)計制備了再生磚粉ECC（Recycled brick powder group，簡稱RBPG），研究分析不同養(yǎng)護(hù)條件對再生磚粉ECC力學(xué)性能的影響。具體配合比見表3。

表3 ECC配合比（kg·m-3）

1.3 試驗制作與養(yǎng)護(hù)

采用行星式攪拌機(jī)拌和ECC，振動臺振實，抹平表面，試件用保鮮膜覆蓋，24 h后拆模。參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)以及現(xiàn)有試驗條件，試件尺寸與數(shù)量分別為：抗折抗壓試驗試件160 mm×40 mm×40 mm，共3組，每組3塊；彎曲試驗試件320 mm×10 mm×10 mm共3組，每組3塊；單軸拉伸試驗試件280 mm×40 mm×15 mm，共3組，每組3塊。養(yǎng)護(hù)方法分別為:①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（Standard Curing，簡稱SC）:將試件放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（20±2）℃、濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期（如圖1（a）所示）；②自然養(yǎng)護(hù)（Natural Curing，簡稱NC）:將試件用塑料膜覆蓋放于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，溫度（25±3）℃、濕度45%±5%，定時向試件表面噴灑自來水，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期（如圖1（b）所示）；③氫氧化鈣溶液養(yǎng)護(hù)（Calcium Hydroxide Solution Curing，簡稱CHC）:將試件放置于飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期（如圖1（c）所示）。

圖1 材料養(yǎng)護(hù)方法

1.4 試驗方法

抗折、抗壓強(qiáng)度試驗按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）進(jìn)行，采用YAW-300C型水泥抗折抗壓一體試驗機(jī)。

采用四點彎曲法測試材料的彎曲性能。加載設(shè)備為WDW-100型電子式萬能試驗機(jī)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備由DH3816N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、LH-S10C壓力傳感器、YWC-50型應(yīng)變式位移傳感器組成。通過四點彎曲試驗可得到彎曲荷載-跨中撓度曲線，在曲線中可獲得開裂荷載Pc和開裂撓度δc、極限荷載Pu與極限撓度δu。依據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗方法》（GB/T 15231—2008）計算開裂強(qiáng)度σc、極限抗彎強(qiáng)度σu。

單軸拉伸試驗的加載設(shè)備為WDW-100型電子式萬能試驗機(jī)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備由DH3816N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、LH-S05A壓力傳感器、YWC-30型應(yīng)變式位移傳感器組成。根據(jù)單軸拉伸試驗得到的拉伸變形值與荷載，計算并繪制單軸拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時可得到開裂應(yīng)力σct、開裂應(yīng)變εct、極限抗拉強(qiáng)度σut、極限拉應(yīng)變εut。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)方法對材料抗折、抗壓性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)條件下的材料抗折、抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示，壓折比如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)條件下的材料壓折比

由圖2可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的抗折強(qiáng)度分別為16.5 MPa、9.8 MPa和14 MPa，大小關(guān)系為:SC＞CHC＞NC。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，材料的抗折強(qiáng)度最高，自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下材料抗折強(qiáng)度分別較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時降低了40.6%和15.2%?；炷恋目拐蹚?qiáng)度影響因素為基體強(qiáng)度和纖維的橋聯(lián)作用。自然養(yǎng)護(hù)時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙較多，密實度低，基體強(qiáng)度以及纖維的橋聯(lián)作用較低；溶液養(yǎng)護(hù)時，基體強(qiáng)度高，在抗折試驗時，底部出現(xiàn)裂縫時應(yīng)力較大，纖維橋聯(lián)應(yīng)力相對較低，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度也不高[16]。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下的材料抗折、抗壓強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的抗壓強(qiáng)度分別為33.7 MPa、32.5 MPa和41.0 MPa，大小關(guān)系為:CHC＞SC＞NC。較之標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，自然養(yǎng)護(hù)條件下的材料抗壓強(qiáng)度降低了3.6%，而溶液養(yǎng)護(hù)條件下的材料抗壓強(qiáng)度提高了21.7%。溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的抗壓強(qiáng)度最高。水泥基復(fù)合材料中的粉煤灰是利用水泥水化反應(yīng)的產(chǎn)物Ca（OH）2進(jìn)行反應(yīng)，需要溫度、pH值對其進(jìn)行活性激發(fā)，在飽和氫氧化鈣溶液中，減少了反應(yīng)產(chǎn)物Ca（OH）2的析出，提供了較為穩(wěn)定的堿性環(huán)境，促進(jìn)粉煤灰的活性激發(fā)以及反應(yīng)進(jìn)行，降低了孔隙率，抗壓強(qiáng)度增大[17]。

由圖3可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的壓折比分別為2.04、3.35、2.92，大小關(guān)系為NC＞CHC＞SC，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，材料的壓折比最小。依據(jù)壓折比對材料柔韌性的影響，不同養(yǎng)護(hù)條件下材料韌性關(guān)系為:SC＞CHC＞NC，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下材料的柔韌性最好。

2.2 養(yǎng)護(hù)方法對材料彎曲性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)條件下的試件荷載-跨中撓度曲線如圖4所示，通過荷載-跨中撓度曲線，可計算得到材料的開裂強(qiáng)度、開裂撓度、抗彎強(qiáng)度和極限撓度。材料強(qiáng)度指標(biāo)如圖5所示，撓度指標(biāo)如圖6所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下的荷載-跨中撓度曲線

圖5 不同養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度指標(biāo)

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下的撓度指標(biāo)

由圖4可見，不同養(yǎng)護(hù)條件下，材料的荷載-跨中撓度曲線均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，跨中撓度均大于30 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)得到的試驗曲線較自然養(yǎng)護(hù)、溶液養(yǎng)護(hù)得到的曲線更加穩(wěn)定。

由圖5可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的開裂強(qiáng)度分別為3.018 MPa、3.012 MPa、3.594 MPa，大小關(guān)系為:CHC＞SC＞NC。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的抗彎強(qiáng)度分別為7.602 MPa、6.660 MPa、7.494 MPa，大小關(guān)系為:SC＞CHC＞NC。兩個強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)不同規(guī)律，這是因為開裂強(qiáng)度與基體強(qiáng)度有關(guān)，抗彎強(qiáng)度則與水泥基材料復(fù)合后的性能即基體強(qiáng)度以及纖維橋聯(lián)作用有關(guān)。三種養(yǎng)護(hù)條件下，材料抗彎強(qiáng)度較開裂強(qiáng)度均有明顯提升，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、溶液養(yǎng)護(hù)分別提升了151.8%、121.1%、18.5%。

由圖6可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的開裂撓度分別為0.976 mm、1.205 mm、0.488 mm，大小關(guān)系為:NC＞SC＞CHC。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的極限撓度分別為38.490 mm、31.585 mm、34.394 mm，大小關(guān)系為:SC＞CHC＞NC。三種養(yǎng)護(hù)條件下，極限撓度均有較好的提升，但開裂撓度與極限撓度也呈現(xiàn)不同規(guī)律。這是因為開裂撓度受基體強(qiáng)度影響，基體強(qiáng)度越高，開裂強(qiáng)度越大，裂縫發(fā)生時撓度較小。極限撓度則是對復(fù)合材料彎曲性能的體現(xiàn)，在相同條件下，彎曲性能越好，材料的極限撓度越大。

2.3 養(yǎng)護(hù)條件對再生磚微粉ECC拉伸性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)條件下材料單軸拉伸試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可計算得到材料的開裂應(yīng)力、開裂應(yīng)變、極限應(yīng)力和極限應(yīng)變。材料應(yīng)力指標(biāo)如圖8所示，材料應(yīng)變指標(biāo)如圖9所示。

圖9 不同養(yǎng)護(hù)條件下的應(yīng)變指標(biāo)

由圖7可見，不同養(yǎng)護(hù)條件下，材料單軸拉伸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化特征。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的開裂應(yīng)力分別為1.792 MPa、1.704 MPa、1.957 MPa，大小關(guān)系為:CHC＞SC＞NC。材料的極限應(yīng)力分別為2.168 MPa、2.020 MPa、2.120 MPa，大小關(guān)系為:SC＞CHC＞NC，與開裂應(yīng)力的規(guī)律不同。三種養(yǎng)護(hù)條件下，材料極限應(yīng)力較開裂應(yīng)力均有一定的提高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、溶液養(yǎng)護(hù)下分別提升了20.9%、8.3%、18.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下應(yīng)力增加效果更好。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)條件下的應(yīng)力指標(biāo)

由圖9可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和溶液養(yǎng)護(hù)條件下，材料的開裂應(yīng)變分別為0.235%、0.141%、0.323%，大小關(guān)系為:CHC＞SC＞NC。材料的極限應(yīng)變分別為3.301%、1.644%、1.445%，大小關(guān)系為:SC＞NC＞CHC。三種養(yǎng)護(hù)條件下，材料的極限應(yīng)變較開裂撓度均有較好的提升，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、溶液養(yǎng)護(hù)下分別提升了13.05倍、10.66倍、3.47倍。三種養(yǎng)護(hù)條件下材料的極限應(yīng)變差距較大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下極限應(yīng)變最大，試件開裂時間最晚。

單軸拉伸極限應(yīng)變體現(xiàn)了纖維橋聯(lián)作用對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響。溶液養(yǎng)護(hù)基體強(qiáng)度高，開裂應(yīng)力大，橋聯(lián)應(yīng)力相對較小，對裂縫開展后控制能力較低，極限應(yīng)變較小；自然養(yǎng)護(hù)時，基體密實度較差，雖基體強(qiáng)度較低，但基體內(nèi)易產(chǎn)生薄弱面，導(dǎo)致極限應(yīng)變較低[18]。

3 結(jié)論

利用廢棄燒結(jié)磚制備再生磚粉，取代傳統(tǒng)天然材料ECC中的石英砂制備超高韌性混凝土。研究分析不同養(yǎng)護(hù)條件對再生磚粉超高韌性混凝土的力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下:

1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，RBP-ECC抗折強(qiáng)度最高；溶液養(yǎng)護(hù)條件下，RBP-ECC抗壓強(qiáng)度最高；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，RBP-ECC壓折比最小。不同養(yǎng)護(hù)條件下材料柔韌性關(guān)系為：SC＞CHC＞NC。

2）溶液養(yǎng)護(hù)時，RBP-ECC受彎開裂強(qiáng)度最高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時，RBP-ECC抗彎強(qiáng)度最高；自然養(yǎng)護(hù)時，RBP-ECC受彎開裂撓度最大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時，RBP-ECC受彎極限撓度最大。綜合考慮RBP-ECC的強(qiáng)度指標(biāo)和撓度指標(biāo)，三種養(yǎng)護(hù)條件下試件均展現(xiàn)出較好的增強(qiáng)增韌效果，從強(qiáng)度增加以及彎曲極限撓度評定，養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)異關(guān)系為:SC＞CHC＞NC。

3）溶液養(yǎng)護(hù)條件下，RBP-ECC受拉開裂應(yīng)力和開裂應(yīng)變最大，而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，RBP-ECC極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變最大。綜合考慮不同養(yǎng)護(hù)條件下應(yīng)力指標(biāo)和開裂指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下試件拉伸性能整體優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)、溶液養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)異關(guān)系為:SC＞NC＞CHC。