涂志欽 吳偉軍 陳世佳 徐仕文 元成方

1上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司（200433） 2 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院（450001）

隨著我國(guó)城市化發(fā)展、新農(nóng)村建設(shè)的持續(xù)深入，建筑拆遷與舊房改造等產(chǎn)生的建筑廢棄物日益增加，廢棄物的堆放不僅會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染[1]。將建筑廢棄物進(jìn)行回收和資源化利用是解決這一問(wèn)題的重要途徑[2]。超高韌性水泥基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱(chēng)ECC）是一種具有高韌性和多縫開(kāi)裂特征的新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，能提高工程結(jié)構(gòu)的延性和裂縫控制能力，對(duì)改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與耐久性能具有重要作用，因而越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中[3]。將廢棄燒結(jié)磚通過(guò)破碎、球磨、篩分后的再生微粉取代ECC 中成本較高的磨細(xì)石英砂制備再生微粉ECC，不僅能實(shí)現(xiàn)建筑廢棄物資源化利用還可降低材料成本。粉煤灰等礦物摻合料不僅能改善纖維與基體界面間黏結(jié)性能、縮小斷裂面間的結(jié)構(gòu)差異，提高材料韌性，還可以降低混凝土生產(chǎn)成本，減少?gòu)U物排放對(duì)環(huán)境的污染。目前已有不少學(xué)者研究了粉煤灰對(duì)ECC 性能的影響，包括粉煤灰摻量對(duì)ECC 力學(xué)性能[4-6]，耐久性能[7-9]和收縮性能[10-11]等方面的影響。文章將進(jìn)一步研究粉煤灰摻量對(duì)再生微粉ECC 力學(xué)性能的影響，為推動(dòng)再生微粉ECC 的研究與應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用河南天瑞集團(tuán)鄭州水泥有限公司P·O 42.5 的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；河南鞏義恒諾濾料有限公司I 級(jí)粉煤灰，主要成分見(jiàn)表2；再生微粉由廢棄燒結(jié)黏土磚經(jīng)破碎、篩選、球磨得到，粒徑為80-120 目，粒徑分布與石英砂相同，材性指標(biāo)見(jiàn)表3；采用日本Kuraray 公司生產(chǎn)的單絲聚乙烯醇纖維（Polyvinyl alcohol Fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)PVA 纖維），主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4；采用上海辰啟化工科技有限公司生產(chǎn)HPMC-20 型羥丙基甲基纖維素（黏度等級(jí)20 萬(wàn)）以及CQJ-JSS 型聚羧酸高效減水劑（減水率26.5%，含固量25.9%）；拌合及養(yǎng)護(hù)用水為普通自來(lái)水。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表2 粉煤灰的主要成分

表3 再生微粉的材性指標(biāo)

表4 PVA 纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比

再生微粉ECC 的配合比見(jiàn)表5。

表5 不同影響因素的再生微粉ECC 配合比

1.3 成型與養(yǎng)護(hù)

先將攪拌機(jī)筒體及攪拌臂潤(rùn)濕，然后將稱(chēng)量好的水泥、粉煤灰、集料依次投入攪拌機(jī)中，攪拌2 min；將提前混合好的減水劑與水倒入攪拌機(jī)，攪拌2 min；開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，緩慢均勻地加入纖維，待攪拌機(jī)停止后，加入增稠劑，繼續(xù)攪拌4 min；將攪拌均勻的拌合物填入鋼模，首先填入1/2，放置于振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)1 min；以相同方法進(jìn)行二次填料與振搗，同時(shí)觀(guān)察成型狀態(tài)，最后將試件表面抹平。澆筑完成的試件表面使用保鮮膜覆蓋，24 h 小時(shí)后拆模，隨即移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》（GB/T 17671—1999），試件尺寸為160 mm ×40 mm ×40 mm， 試 驗(yàn) 設(shè) 備 采 用YAW-300C 型水泥抗折抗壓一體機(jī)，試驗(yàn)加載過(guò)程如圖1（a）、圖1（b）所示；彎曲性能試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲法（如圖1（c）所示），試件尺寸為320 mm×100 mm×10 mm，加載設(shè)備為濟(jì)南東測(cè)公司生產(chǎn)的WDW-100 型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)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（量程2KN）、YWC-50 型應(yīng)變式位移傳感器（精度3‰）組成，加載速率0.2 mm/min；單軸拉伸試驗(yàn)加載如圖1（d）所示，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm，加載設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備與彎曲試驗(yàn)相同。

圖1 ECC 基體力學(xué)性能試驗(yàn)加載

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粉煤灰摻量對(duì)再生微粉ECC 抗折及抗壓性能的影響

不同粉煤灰摻量時(shí)，再生微粉ECC 材料的抗壓、抗折性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 再生微粉ECC 抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，材料抗折強(qiáng)度先下降后上升，粉煤灰摻量30%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，50%摻量時(shí)抗折強(qiáng)度最低，60%粉煤灰摻量抗折強(qiáng)度有所提升但仍低于30%粉煤灰摻量的抗折強(qiáng)度。隨著粉煤灰在膠凝材料中占比增加，材料抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)摻量為60%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小。由壓折比結(jié)果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，壓折比先增大后減小，粉煤灰摻量50%時(shí)壓折比最大，粉煤灰摻量60%時(shí)，壓折比最小，從壓折比的變化規(guī)律可以得到不同粉煤灰摻量下的材料柔韌性排序:A5＞A1＞A2＞A3＞A4。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)再生微粉ECC 彎曲性能的影響

對(duì)不同粉煤灰摻量下再生微粉ECC 進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的荷載- 跨中撓度曲線(xiàn)如圖2 所示，彎曲性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 不同粉煤灰摻量下的材料彎曲性能指標(biāo)

圖2 不同粉煤灰摻量下的荷載- 跨中撓度曲線(xiàn)

由圖2 可知，粉煤灰摻量在30%～60%時(shí)，不同粉煤灰摻量下的再生微粉ECC 的極限撓度均不低于30 mm，表現(xiàn)出良好的應(yīng)變硬化特征[12]。

由表6 可知，粉煤灰摻量在30%～60%時(shí)，材料開(kāi)裂強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而下降。摻量30%時(shí)，材料開(kāi)裂強(qiáng)度最大，摻量60%時(shí)，開(kāi)裂強(qiáng)度最小，較30%摻量時(shí)的強(qiáng)度降低了28.4%。這是因?yàn)殚_(kāi)裂強(qiáng)度與基體強(qiáng)度有關(guān)，粉煤灰摻量增大，水泥量減少，水泥水化產(chǎn)物減少，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)有限，導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低[13]。當(dāng)粉煤灰摻量在30%～40%時(shí)，材料開(kāi)裂撓度有輕微先增大后減小波動(dòng)變化的趨勢(shì)，粉煤灰摻量在40%～60%，開(kāi)裂撓度則不斷增加，最大可達(dá)1.476 mm。粉煤灰摻量為30%、35%時(shí)，開(kāi)裂強(qiáng)度較40%摻量時(shí)大，開(kāi)裂撓度也較大，呈現(xiàn)較好的彎曲韌性。材料抗彎強(qiáng)度在粉煤灰摻量30%～40%時(shí)呈先減小后增大的波動(dòng)變趨勢(shì)化，當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)40%，材料抗彎強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。粉煤灰摻量40%時(shí)抗彎強(qiáng)度最高，摻量60%時(shí)最低。極限撓度隨粉煤灰摻量增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化，摻量30%時(shí)，極限撓度最小，摻量60%時(shí)最大。粉煤灰摻量40%時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度、極限撓度均能達(dá)到較高水平。粉煤灰摻量30%、35%、40%、50%、60%時(shí)，材料的極限撓度與開(kāi)裂撓度的比值分別為:33.36、39.4、52.33、33.54、33.27，粉煤灰摻量40%時(shí)，材料展現(xiàn)出更為優(yōu)異的增強(qiáng)增韌效果。

2.3 粉煤灰摻量對(duì)再生微粉ECC 抗拉性能的影響

不同粉煤灰摻量下，材料單軸拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 不同粉煤灰摻量下的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)

由3 圖可知，粉煤灰摻量30%～60%時(shí)，材料呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，極限應(yīng)變均大于3%，在粉煤灰摻量30%時(shí)極限應(yīng)力最大，粉煤灰摻量40%時(shí)極限應(yīng)變最大。不同粉煤灰摻量下的材料拉伸性能指標(biāo)見(jiàn)表8。

由表8 可知，粉煤灰摻量30%～60%時(shí)，材料開(kāi)裂應(yīng)力隨粉煤灰摻量的增加而下降。摻量30%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)力最大，摻量60%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)力最??；開(kāi)裂應(yīng)變隨粉煤灰摻量增加呈先減小后增大的波動(dòng)變化趨勢(shì)，摻量30%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)變最大，摻量40%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)變最小。材料開(kāi)裂應(yīng)力與基體強(qiáng)度相關(guān)，其變化規(guī)律與材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致。粉煤灰摻量小于40%時(shí)，材料開(kāi)裂應(yīng)變隨開(kāi)裂應(yīng)力的減小而下降，當(dāng)摻量達(dá)到50%后，材料強(qiáng)度較低，柔韌性較好，裂縫開(kāi)始延緩，開(kāi)裂應(yīng)變?cè)黾?。隨粉煤灰摻量增加，材料極限應(yīng)力整體呈減小趨勢(shì)，而極限應(yīng)變波動(dòng)變化，規(guī)律性不強(qiáng)，摻量40%時(shí)極限拉應(yīng)變最大，摻量60%時(shí)極限應(yīng)變最小。不同粉煤灰摻量下，材料的極限應(yīng)力較開(kāi)裂應(yīng)力均有一定提升，粉煤灰摻量30%、35%、40%、50%、60%時(shí)分別提升了35.9%、20.9%、59.7%、47.3%、29.1%，應(yīng)力增強(qiáng)效果在摻量40%時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)。不同粉煤灰摻量下的材料極限應(yīng)變均大于3.0%，摻量在40%、60%時(shí)，材料極限應(yīng)變超過(guò)了4.0%。粉煤灰摻量40%時(shí)，材料的拉伸性能總體更優(yōu)。

表8 不同粉煤灰摻量下的材料拉伸性能指標(biāo)

3 結(jié)論

1）再生微粉ECC 的抗壓性能隨粉煤灰摻量的增加而降低，抗折性能先下降后上升；壓折比先增加后減少，粉煤灰摻量為60%時(shí)，壓折比最小。

2）再生微粉ECC 的開(kāi)裂強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而下降；粉煤灰摻量40%～60%時(shí)，材料抗彎強(qiáng)度降低，而開(kāi)裂撓度增大；粉煤灰摻量40%時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性總體最優(yōu)。

3）再生微粉ECC 的開(kāi)裂應(yīng)力隨粉煤灰摻量的增加而下降；材料開(kāi)裂應(yīng)變先減少后增加，摻量40%時(shí)開(kāi)裂應(yīng)變最?。徊煌勖夯覔搅肯?，材料的極限應(yīng)力較開(kāi)裂應(yīng)力均有一定提升，應(yīng)力增強(qiáng)效果在粉煤灰摻量為40%時(shí)最優(yōu)。