生態(tài)型超高韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

元成方 ，Haris Setiawan，楚留聲 ，程站起 ，李春躍

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型工程建設(shè)項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，對(duì)水泥基材料的性能提出了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)傳統(tǒng)水泥基材料脆性大、抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，科研人員研制了以聚乙烯醇纖維增強(qiáng)的超高韌性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱ECC)。普通ECC 多采用石英砂制備，而當(dāng)今天然骨料資源不斷減少、能源消耗較大，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，滿足綠色建材發(fā)展的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用工業(yè)、建筑廢料對(duì)石英砂或水泥進(jìn)行取代，開(kāi)始了生態(tài)型ECC 的相關(guān)研究。現(xiàn)有研究表明，采用尾礦砂[1-3]、赤泥[4]、再生混凝土微粉[5]、廢棄陶瓷微粉[6]取代天然石英砂，或是采用粉煤灰[7-8]、礦渣[9-10]、硅灰[11-12]等取代水泥，均可制備性能良好的生態(tài)型ECC，其部分性能甚至更為優(yōu)異。我國(guó)每年由于城市既有建筑拆遷產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，將建筑垃圾中的廢棄燒結(jié)磚進(jìn)行破碎、粉磨處理可制得再生磚粉，本試驗(yàn)開(kāi)展再生磚粉對(duì)ECC 力學(xué)性能的影響研究，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：河南天瑞集團(tuán)鄭州水泥有限公司P·O42.5 水泥，比表面積355 m2/kg，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，河南鞏義恒諾濾料有限公司，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2；石英砂：粒徑分布見(jiàn)表3，主要技術(shù)性能見(jiàn)表4；再生磚粉：由廢棄燒結(jié)黏土磚經(jīng)破碎、篩選、球磨得到，粒徑分布與石英砂相同，主要技術(shù)性能見(jiàn)表5；單絲聚乙烯醇(PVA)纖維：日本Kuraray 公司生產(chǎn)，主要技術(shù)性能見(jiàn)表6；增稠劑：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200 Pa·s；聚羧酸高效減水劑：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%，含固量25.9%；水：自來(lái)水。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

表3 石英砂的粒徑分布

表4 石英砂的主要技術(shù)性能

表5 再生磚細(xì)骨料的材性指標(biāo)

表6 PVA 纖維的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)配合比

采用再生磚粉等質(zhì)量取代石英砂，取代率分別為0、25%、50%、75%、100%，由于再生磚粉吸水率較大，易造成拌合物的實(shí)際水膠比發(fā)生改變，因而在開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)需考慮附加水，以保持水膠比的穩(wěn)定，附加水用量為再生磚粉摻量與其吸水率的乘積。ECC 配合比如表7 所示。

表7 ECC 配合比 kg/m3

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(2 min 內(nèi)加完)，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 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，養(yǎng)護(hù)條件為溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度≥95%。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》，試件尺寸為 40 mm×40× mm160 mm，試驗(yàn)設(shè)備為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。

(2)彎曲性能試驗(yàn)：采用四點(diǎn)彎曲法[見(jiàn)圖1(c)]，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2 kN)、YWC-50 型應(yīng)變式位移傳感器(精度0.3%)組成。加載前，先將試件表面打磨平整，后將試件放置在支座上，確保平穩(wěn)、對(duì)中；隨后依次放置壓力傳感器、位移傳感器等設(shè)備；調(diào)整試驗(yàn)機(jī)電腦端的控制參數(shù)，加載速率為0.2 mm/min，應(yīng)變采集系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)記錄，以2 s/次的頻率記錄試驗(yàn)過(guò)程中的跨中撓度和荷載；開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載過(guò)程中觀察數(shù)據(jù)變化和試件表面裂縫變化，當(dāng)出現(xiàn)大裂縫或荷載不再增加時(shí)停止加載。

圖1 ECC 基體力學(xué)性能加載試驗(yàn)

(3)單軸拉伸性能：加載裝置如圖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。首先將試件表面打磨平整，后將裁剪好的碳纖維布用環(huán)氧樹(shù)脂貼在試件兩端，多次滾壓，擠除氣泡，保證粘貼牢固，而后在碳纖維布表面再次涂刷環(huán)氧樹(shù)脂；將固定位移計(jì)的夾具、L 型鐵片粘貼在試件兩側(cè)面，將試件放置于試驗(yàn)加載裝置上；調(diào)整試驗(yàn)機(jī)電腦端控制參數(shù)和應(yīng)變采集系統(tǒng)參數(shù)，以1 s/次的頻率記錄加載過(guò)程中的拉伸變形和荷載。整個(gè)加載過(guò)程分為2 步：首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)拉，當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載的10%～15%時(shí)，將加載速率設(shè)定為0.1 mm/min，然后繼續(xù)加載。加載過(guò)程中觀察數(shù)據(jù)變化以及試件裂縫變化，當(dāng)出現(xiàn)大裂縫或荷載不再增加時(shí)停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生磚粉取代率對(duì)ECC 抗折與抗壓強(qiáng)度的影響(見(jiàn)表8)

表8 再生磚粉取代率對(duì)ECC 抗折與抗壓強(qiáng)度的影響

由表8 可見(jiàn)，再生磚粉取代石英砂后ECC 的抗折、抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，且隨著取代率的增加總體呈逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，ECC 的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了16.4%、23.5%、23.8%、22.8%，抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了3.0%、1.9%、8.2%、9.9%。

2.2 再生磚粉取代率對(duì)ECC 彎曲性能的影響

彎曲性能試驗(yàn)加載初期，薄板試件彎曲并不明顯，且沒(méi)有裂縫產(chǎn)生。當(dāng)達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí)，試件受彎區(qū)出現(xiàn)第1 條裂縫，試驗(yàn)機(jī)顯示荷載先下降而后上升，此后荷載波動(dòng)上升，試件撓度逐漸增大，底部呈現(xiàn)明顯的多縫開(kāi)裂狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。加載后期，試件底面某條裂縫開(kāi)始擴(kuò)展增大，最終試件破壞。ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線如圖3 所示。

圖2 試件底部裂縫分布

圖3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試件的荷載-跨中撓度曲線

由圖3 可見(jiàn)，不同再生磚粉取代率下，ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化特征，試件的開(kāi)裂荷載、極限荷載在取代率為0 時(shí)最大。而當(dāng)取代率為100%時(shí)，試件跨中撓度最大。ECC 試件的整個(gè)加載過(guò)程可分為4 個(gè)階段：第1 階段為彈性階段，即從試件開(kāi)始加載到開(kāi)裂荷載時(shí)，荷載隨跨中撓度的增加呈線性增長(zhǎng)；第2 階段為屈服階段，此時(shí)荷載與跨中撓度不再具有線性關(guān)系，跨中撓度快速增大，但荷載增加較??；第3 階段為應(yīng)變硬化階段，此時(shí)荷載、跨中撓度同時(shí)緩慢增大，直到達(dá)到極限荷載；第4 階段則為破壞階段，荷載快速下降，跨中撓度小幅增長(zhǎng)，直至試件破壞。

由ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線可得到開(kāi)裂撓度δc、開(kāi)裂荷載Pc以及極限撓度δu、極限荷載Pu，依據(jù)計(jì)算公式可得開(kāi)裂強(qiáng)度σc、抗彎強(qiáng)度σu，如表9 所示。

表9 ECC 試件的彎曲性能參數(shù)

由表9 可見(jiàn)：

(1)基準(zhǔn)組的開(kāi)裂強(qiáng)度最高，當(dāng)再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，生態(tài)型ECC 的開(kāi)裂強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了39.4%、35.6%、42.2%、46.1%。基準(zhǔn)組的開(kāi)裂撓度低于生態(tài)型ECC；取代率為50%時(shí)，開(kāi)裂撓度與基準(zhǔn)組接近；取代率100%時(shí)，開(kāi)裂撓度最大，較基準(zhǔn)組提高了166.7%。綜上可知，基準(zhǔn)組ECC 開(kāi)裂強(qiáng)度最高、開(kāi)裂撓度最??；取代率為100%的生態(tài)型ECC 開(kāi)裂強(qiáng)度最低、開(kāi)裂撓度最大。試件的開(kāi)裂強(qiáng)度和開(kāi)裂撓度與基體強(qiáng)度密切相關(guān)，基體強(qiáng)度越高，開(kāi)裂強(qiáng)度也越高，反之，開(kāi)裂撓度越大。

(2)隨著再生磚粉取代率的增大，ECC 的抗彎強(qiáng)度先降低后提高；極限撓度在取代率從0 增大到50%時(shí)先逐漸減小，當(dāng)取代率繼續(xù)增大時(shí)，ECC 基體的極限撓度逐漸增大，在100%取代時(shí)達(dá)到最高。再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，生態(tài)型ECC 的抗彎強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了14.1%、20.4%、28.6%、16.7%。隨著取代率的增加，ECC 的極限撓度先減小后增大，在取代率為50%時(shí)極限撓度最小，取代率為100%時(shí)極限撓度最大，較基準(zhǔn)組提高了38.0%。

2.3 再生磚粉取代率對(duì)ECC 單軸拉伸性能的影響

單軸拉伸試驗(yàn)加載初期荷載較小，試件表面無(wú)明顯變化。繼續(xù)加載，荷載顯著增大。當(dāng)達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí)，試件表面出現(xiàn)第1 條裂縫，試驗(yàn)機(jī)上顯示荷載先下降而后上升，此后荷載波動(dòng)增大，試件表面裂縫逐漸增多(見(jiàn)圖4)，拉伸變形不斷增大，加載過(guò)程中可聽(tīng)到基體中纖維拉斷的聲音。加載后期，試件上某條裂縫逐漸變寬，形成貫穿裂縫，直至試件破壞。試件的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。

圖4 單軸拉伸破壞后裂縫分布情況

圖5 單軸拉伸試驗(yàn)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5 可見(jiàn)，單軸拉伸加載過(guò)程為3 個(gè)階段：第1 階段為彈性階段，基體與纖維共同承擔(dān)荷載，基體變形符合胡克定律，直至第1 條裂縫出現(xiàn)，彈性階段結(jié)束；第2 階段為應(yīng)變硬化階段，此時(shí)基體的應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)增大，隨著變形的增大，荷載波動(dòng)并緩慢上升，在纖維橋連作用下發(fā)生應(yīng)力傳遞，當(dāng)未開(kāi)裂部分的基體達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)力時(shí)，新的裂縫產(chǎn)生，應(yīng)變繼續(xù)增大，裂縫不斷增多，循環(huán)往復(fù)，直到應(yīng)力不再增大，此階段結(jié)束；第3 階段為破壞階段，某條裂縫處的界面最為薄弱，隨著加載的進(jìn)行，該裂縫成為主裂縫，寬度變大，應(yīng)力減小，直到形成貫穿裂縫，試件斷裂。

由ECC 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到開(kāi)裂應(yīng)變?chǔ)與t、開(kāi)裂應(yīng)力σct、極限應(yīng)變?chǔ)舥t、極限應(yīng)力σut，如表 10 所示。

表10 ECC 試件的單軸拉伸性能參數(shù)

由表10 可見(jiàn)：

(1)隨著再生磚粉取代率的增加，試件的開(kāi)裂應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，ECC 的開(kāi)裂應(yīng)力較基準(zhǔn)組分別降低了3.6%、16.9%、19.3%、21.1%。取代率為25%～50%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)力的降幅較大。開(kāi)裂應(yīng)變隨再生磚粉取代率的增加整體呈增大趨勢(shì)，但取代率50%時(shí)，基體開(kāi)裂撓度與整體變化趨勢(shì)不同，出現(xiàn)了下降?；鶞?zhǔn)組開(kāi)裂應(yīng)變?yōu)?.067%，取代率為25%、75%、100%時(shí)的基體開(kāi)裂應(yīng)變均有明顯增加，增幅分別達(dá)到47.8%、135.8%、250.7%，而取代率為50%時(shí)基體開(kāi)裂應(yīng)變與基準(zhǔn)組相當(dāng)。綜上可知，不同取代率下，ECC 開(kāi)裂應(yīng)力與開(kāi)裂應(yīng)變間有一定的規(guī)律，開(kāi)裂應(yīng)力越大，開(kāi)裂應(yīng)變?cè)叫。谌〈蕿?0%時(shí)，開(kāi)裂應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)減小。

(2)隨著再生磚粉取代率的增加，生態(tài)型ECC 的極限應(yīng)力均小于基準(zhǔn)組，取代率為50%時(shí)基體的極限應(yīng)力最小。取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，ECC 的極限應(yīng)力較基準(zhǔn)組分別降低了12.3%、42.2%、32.7%、35.2%。隨著再生磚粉取代率的增加，基體的極限應(yīng)變整體呈增大趨勢(shì)，但在取代率為50%時(shí)，極限應(yīng)變與整體變化趨勢(shì)不同。取代率為100%時(shí)，極限應(yīng)變最大，為3.301%，較基準(zhǔn)組提高了54.9%；而在取代率為50%時(shí)，極限應(yīng)變僅為1.381%。綜上可知，再生磚粉在取代率為50%時(shí)，抗拉性能較差，極限應(yīng)力與極限應(yīng)變均最??；取代率為100%時(shí)基體的拉伸性能最好。

3 結(jié) 論

(1)生態(tài)型ECC 的抗折、抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，且隨著再生磚粉取代率的提高總體呈下降趨勢(shì)。

(2)抗彎試驗(yàn)中，基準(zhǔn)組ECC 試件的開(kāi)裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均最大，生態(tài)型ECC 的開(kāi)裂強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組。取代率為100%時(shí)，生態(tài)型ECC 彎曲性能最佳，開(kāi)裂撓度和極限撓度較基準(zhǔn)組分別提高了166.7%和38.0%。

(3)單軸拉伸試驗(yàn)中，隨著再生磚粉取代率的增加，ECC試件的開(kāi)裂應(yīng)力逐漸減小。取代率為100%時(shí)，ECC 的拉伸性能最佳，開(kāi)裂應(yīng)變和極限應(yīng)變較基準(zhǔn)組分別提高了250.7%和54.9%。