纖維摻量對(duì)再生磚粉ECC流動(dòng)性能及力學(xué)性能的影響

元成方，王 娣，李好飛，張 哲

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

超高韌性水泥基復(fù)合材料(ECC)基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成，是一種高延性、高韌性的新型高性能纖維水泥基復(fù)合材料[1]。在極限拉伸狀態(tài)下，拉應(yīng)變可達(dá)3%以上，最大裂縫可控制在0.1 mm以內(nèi)，其良好的拉應(yīng)變硬化性能和多縫開裂特征對(duì)增強(qiáng)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(huì)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(shí)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(xiàng)性能使其更廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，不僅具有重要的工程價(jià)值，還將產(chǎn)生良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

聚乙烯醇(PVA)纖維具有良好的親水性，與水泥化學(xué)相容性好且具有彈性模量高、抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)[5]。PVA纖維能在ECC中起到“橋接作用”，增強(qiáng)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(bào)道了纖維摻量對(duì)ECC工作性能[5-7]、力學(xué)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(dǎo)致再生磚粉ECC性能相比普通ECC會(huì)有所降低，不利于其在實(shí)際工程中應(yīng)用。因此，需要對(duì)再生磚粉ECC進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高其性能。本文將從PVA纖維角度出發(fā)，重點(diǎn)研究PVA纖維摻量對(duì)再生磚粉ECC流動(dòng)性能和力學(xué)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(yīng)用與推廣提供技術(shù)依據(jù)，使其更好地應(yīng)用于工程領(lǐng)域，更對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)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(biāo)見表2；采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的單絲PVA纖維，性能指標(biāo)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(jí)20萬；采用CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑，減水率為26.5%；試驗(yàn)拌合水和養(yǎng)護(hù)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(biāo)Table 2 Material Property Indexes of Recycled Brick Powder

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

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件成型工藝

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jī)筒體與攪拌臂潤濕，翻轉(zhuǎn)攪拌機(jī)桶，使多余的水分流出；將預(yù)先稱好的水泥、粉煤灰、細(xì)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(含附加水)加入到攪拌機(jī)，攪拌2 min；開動(dòng)攪拌機(jī)，緩慢均勻加入PVA纖維，2 min中內(nèi)加完，待攪拌機(jī)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(tuán)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(dòng)臺(tái)，振動(dòng)1 min，并在振動(dòng)時(shí)用小棒進(jìn)行搗動(dòng)，便于減少內(nèi)部氣孔；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)，最后使用抹子對(duì)試件表面進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)共制作20組試件研究纖維摻量對(duì)再生磚粉ECC力學(xué)性能的影響，其中抗壓與抗折試驗(yàn)試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，每種試驗(yàn)各5組，每組試件3塊；四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(yàn)試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm，共5組，每組試件3塊。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流動(dòng)性能測試

再生磚粉ECC流動(dòng)性測試依據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)進(jìn)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(yàn)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(dòng)到達(dá)平面板上圓周500 mm的時(shí)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(kuò)展度D，見圖2。

1.3.2 力學(xué)性能測試

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PVA纖維摻量對(duì)再生磚粉ECC流動(dòng)性能的影響

再生磚粉ECC的T500、坍落度和擴(kuò)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(shí)較纖維摻量1.75%增長尤為明顯，增幅達(dá)70.5%。擴(kuò)展度隨纖維摻量增加而降低，纖維摻量2%時(shí)擴(kuò)展度最小為520 mm，較纖維摻量1.25%時(shí)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(shí)，坍落度由275 mm降低至265 mm，雖然纖維摻量1.5%與1.75%時(shí)坍落度相同，但是T500與擴(kuò)展度不同，纖維摻量1.5%時(shí)流動(dòng)性能更優(yōu)。

表5 再生磚粉ECC流動(dòng)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(dòng)工作性能降低。這是因?yàn)镻VA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(duì)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(dòng)，增大表面漿體包裹量，從而降低了材料的流動(dòng)性能[17]。

2.2 PVA纖維摻量對(duì)再生磚粉ECC力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗折、抗壓性能試驗(yàn)

抗折試驗(yàn)中，隨著試驗(yàn)不斷加載時(shí)，試件表面出現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)機(jī)上荷載值出現(xiàn)波動(dòng)上升現(xiàn)象，當(dāng)荷載值到達(dá)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(yàn)試件破壞形態(tài)如圖4所示。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，隨著試驗(yàn)加載，抗壓試件出現(xiàn)豎向裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，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(shí)裂縫的數(shù)量發(fā)展，同時(shí)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(shí)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。對(duì)比表6中A0與A3組可知，再生磚粉取代石英砂后，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均有所下降。這是由于再生磚粉表面粗糙會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙增多，密實(shí)度降低，且材料自身性能較差，導(dǎo)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(duì)比A1～A4組，抗折強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的增加先增大后減小，纖維摻量為1.75%時(shí)抗折強(qiáng)度最大為16.5 MPa。纖維摻量2.0%較纖維摻量1.75%時(shí)抗折強(qiáng)度雖減小了3.2 MPa，但仍高于纖維摻量1.25%時(shí)的抗折強(qiáng)度。這是因?yàn)樵黾永w維摻量使其橋聯(lián)作用更加顯著，抗折強(qiáng)度因此增加。當(dāng)纖維摻量2.0%時(shí)，基體內(nèi)大量存在的纖維會(huì)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(dǎo)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(duì)基體密實(shí)度產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低，抗折強(qiáng)度降低[19]；抗壓強(qiáng)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(shí)，下降幅度尤為明顯，達(dá)到10.13%。這是因?yàn)槔w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(shí)度，從而使抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)纖維摻量較小時(shí)，引入氣泡較少，對(duì)材料的勻質(zhì)性、密實(shí)度影響較小，抗壓強(qiáng)度變化較小；隨著纖維摻量增加，壓折比逐漸減小，纖維摻量由1.25%增加到1.5%時(shí)，降幅最大達(dá)23.1%，隨后降速放緩，壓折比在纖維摻量為1.75%，2.0%時(shí)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(yàn)

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(dāng)試驗(yàn)機(jī)上荷載達(dá)到開裂荷載時(shí)，薄板在受彎區(qū)域出現(xiàn)第1條裂縫，試驗(yàn)機(jī)荷載下降后再開始上升，此后試驗(yàn)機(jī)上荷載的波動(dòng)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(kuò)展，最終試件破壞。彎曲試驗(yàn)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(biāo)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(shí)進(jìn)入多裂縫發(fā)展階段；從構(gòu)件剛度明顯發(fā)生變化點(diǎn)至荷載峰值點(diǎn)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(fù)傳遞拉應(yīng)力所產(chǎn)生的細(xì)微裂縫不斷增加，延長了趨向飽和開裂形態(tài)的階段，使應(yīng)變硬化特征更顯著。

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

由表7中A0與A3組對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度呈減小趨勢，纖維摻量為1.5%，1.75%時(shí)，開裂強(qiáng)度分別較纖維摻量為1.25%時(shí)下降了7.8%，10.3%，當(dāng)纖維摻量增加到2.0%時(shí)，下降速度增大，較纖維摻量1.75%時(shí)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(qiáng)度呈上升趨勢，纖維摻量1.25%～1.5%，1.75%～2.0%時(shí)，強(qiáng)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(shí)，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(jìn)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(yīng)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(xì)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(qiáng)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(yàn)

單軸拉伸試驗(yàn)加載初期荷載較小，拉伸試件表面無明顯變化，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)上荷載達(dá)到初裂荷載時(shí)，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(dòng)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(jìn)而試件破壞。單軸拉伸試驗(yàn)試件表面裂縫狀態(tài)見圖8。

不同纖維摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。拉伸性能指標(biāo)如表8所示。纖維混凝土拉伸破壞階段分為彈性階段、應(yīng)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(jìn)入應(yīng)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(yīng)力傳遞至周圍基體從而產(chǎn)生更多細(xì)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(dá)到峰值后，產(chǎn)生的應(yīng)力大于纖維的極限拉應(yīng)力，材料破壞進(jìn)入軟化階段，纖維開始慢慢退出工作，裂縫不斷加寬，應(yīng)力持續(xù)降低。由圖9應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，纖維摻量在大于等于1.5%時(shí)，曲線呈現(xiàn)出較好的應(yīng)變硬化特征，極限應(yīng)變均超過2.5%。相較于其他纖維摻量，纖維摻量1.5%時(shí)試件曲線破壞階段沒有軟化段，在達(dá)到峰值應(yīng)力后，試件裂縫處產(chǎn)生較大的應(yīng)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(biāo)Table 8 Tensile Performance Indexes Under Different Fiber Contents

由表8中A0與A3組對(duì)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(shí)度降低，界面黏結(jié)力有一定弱化，導(dǎo)致試件在拉伸狀態(tài)下開裂與極限應(yīng)變增加，應(yīng)力減小，拉伸性能降低。

對(duì)比A1～A4組數(shù)據(jù)可知：再生磚粉ECC開裂應(yīng)變雖然隨著纖維摻量的增加逐漸增加，但整體應(yīng)變值較小，纖維摻量對(duì)開裂應(yīng)變影響較?。浑S纖維摻量增加，再生磚粉ECC拉伸開裂應(yīng)力先降后升，纖維摻量1.75%時(shí)開裂應(yīng)力最小，纖維摻量1.25%時(shí)開裂應(yīng)力最大；隨纖維摻量增加，極限應(yīng)力先降后升，纖維摻量在1.50%，1.75%時(shí)極限應(yīng)力分別較纖維量1.25%時(shí)降低4.7%，11.6%，當(dāng)纖維摻量為2.0%時(shí)，極限應(yīng)力迅速增長，較1.25%時(shí)增長4.20%；隨纖維摻量增加，極限應(yīng)變呈增長變化，纖維摻量1.5%相比1.25%，極限應(yīng)變增長了1.22倍，纖維摻量1.75%，2.0%的極限應(yīng)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(yīng)力與極限應(yīng)力變化規(guī)律整體相同，纖維摻量1.25%，1.5%，1.75%，2.0%時(shí)極限應(yīng)力較各自開裂應(yīng)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(yīng)力提升越高。由應(yīng)變變化可知：隨纖維摻量的增加，極限應(yīng)變較開裂應(yīng)變提升越明顯，材料裂縫控制能力更強(qiáng)，且在纖維摻量為1.75%，2.0%時(shí)，極限應(yīng)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(yīng)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(dǎo)得到普通超高韌性混凝土材料彎曲跨中撓度與極限拉應(yīng)變間的關(guān)系，結(jié)果表明跨中撓度與極限拉應(yīng)變間具有較好的相關(guān)關(guān)系。將本次再生磚粉ECC四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中跨中極限撓度δu和單軸拉伸試驗(yàn)中極限應(yīng)變?chǔ)舥t進(jìn)行相關(guān)性回歸分析，結(jié)果如圖10所示，極限拉應(yīng)變與跨中撓度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)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(huì)降低ECC的力學(xué)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(kuò)展度不斷減少，拌合物流動(dòng)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(dǎo)致抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降；纖維摻量在1.25%～1.75%范圍內(nèi)時(shí) ，纖維的橋聯(lián)作用明顯，抗折強(qiáng)度提高，當(dāng)摻量達(dá)2.0%時(shí)，纖維對(duì)基體密實(shí)度產(chǎn)生的不利影響增大，抗折強(qiáng)度有所降低，纖維摻量在1.75%時(shí)抗折性能達(dá)到最優(yōu)，抗折強(qiáng)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(qiáng)度有所下降，但由于PVA纖維具有橋聯(lián)作用使拉應(yīng)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(qiáng)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(yīng)力與極限應(yīng)力呈先下降后升高，極限應(yīng)力較開裂應(yīng)力均有一定增加，纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用更明顯，應(yīng)力提升效果顯著；當(dāng)纖維摻量超過1.75%時(shí)，再生磚粉ECC裂縫控制能力更強(qiáng)，極限應(yīng)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(yīng)變具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.982。