水膠比對(duì)再生磚粉ECC工作性能和力學(xué)性能的影響

元成方，李好飛，王 娣，王一光，2

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450015)

0 引 言

20世紀(jì)90年代，密歇根大學(xué)的Li等[1-2]基于“纖維阻裂”理論，以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維作為增韌材料，制備出工程用水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites， ECC)。此材料具有很強(qiáng)的能量吸收能力和裂縫寬度控制能力[3-5]，因而得到廣泛的研究與應(yīng)用。當(dāng)前，礦產(chǎn)資源的日益短缺和可持續(xù)發(fā)展的迫切要求，對(duì)工程材料研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外有學(xué)者[6-8]利用再生黏土磚細(xì)骨料取代天然骨料制備低等級(jí)混凝土、砂漿，認(rèn)為取代后的材料仍能滿(mǎn)足性能要求。Li等[9]采用再生混凝土微粉取代石英砂制備ECC，并對(duì)其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，再生混凝土微粉ECC的抗壓強(qiáng)度仍能達(dá)到40 MPa以上且具有優(yōu)異的應(yīng)變能力，不同尺寸的再生混凝土微粉能夠改善纖維與基體的界面特性，為再生微粉在ECC中的應(yīng)用提供了參考。再生磚粉ECC是在普通ECC的基礎(chǔ)上，將石英砂采用再生磚粉取代后制備得到的新型水泥基復(fù)合材料。

影響水泥基復(fù)合材料性能的因素有很多，其中水膠比是較為重要的因素之一。呂林女等[10]對(duì)ECC進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，探究不同水膠比對(duì)材料抗拉性能的影響，結(jié)果表明，水膠比的增加會(huì)使材料的初裂強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度降低，但其極限拉伸應(yīng)變會(huì)有所提升，較高的水膠比更利于材料應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特性的發(fā)揮?？籽嗟萚11]研究了水膠比對(duì)ECC拉伸性能和彎曲性能的影響，得出了與之相似的結(jié)論。張君等[12]通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)探究了不同水膠比對(duì)ECC抗彎性能的影響，結(jié)果表明，隨著水膠比的增加，試件的抗彎強(qiáng)度降低，且低水膠比對(duì)材料的抗彎性能影響更加顯著。高杰等[13]探究了水膠比對(duì)材料彎曲韌性的影響，并依據(jù)美國(guó)ASTM C10108標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了材料彎曲韌性指數(shù)，認(rèn)為彎曲韌性指數(shù)能更好地描述材料在服役過(guò)程中的能量吸收能力。白亮等[14]從微觀方面分析了ECC的力學(xué)性能，認(rèn)為高水膠比會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，使纖維易于滑動(dòng)拔出，有利于發(fā)揮材料延性性能，低水膠比的ECC抗壓強(qiáng)度較高但延性較差。

目前有關(guān)再生磚粉ECC的力學(xué)性能以及水膠比對(duì)其影響的研究還鮮有報(bào)道，而水膠比是再生微粉ECC配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。鑒于此，本文設(shè)計(jì)制備了基準(zhǔn)組ECC和五種不同水膠比的再生磚粉ECC，深入探究水膠比對(duì)再生磚粉ECC工作性能和基本力學(xué)性能的影響，為再生磚粉ECC的工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)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普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。采用河南鞏義恒諾濾料有限公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰。石英砂由河南省眾邦環(huán)保科技有限公司提供，篩分后選取粒徑為75～200 μm的部分，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，粒徑分布見(jiàn)表3。再生磚粉由廢棄燒結(jié)黏土磚經(jīng)過(guò)破碎、球磨、篩選得到，粒徑為75～200 μm，粒徑分布見(jiàn)表4，測(cè)試得到其堅(jiān)固性指標(biāo)，5次循環(huán)后質(zhì)量損失為7.2%，符合要求，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的單絲PVA纖維。增稠劑選用上海臣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(jí)20萬(wàn))以及CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑(減水率26.5%)。拌和及養(yǎng)護(hù)采用普通自來(lái)水。試驗(yàn)配合比如表6所示，再生磚粉ECC的水膠比變化范圍為0.30～0.39(質(zhì)量比，下同)，B組與R3組水膠比相同，通過(guò)增加減水劑用量來(lái)保證其流動(dòng)度相同。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of cement

表2 石英砂的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of quartz sand

表3 石英砂粒徑分布Table 3 Particle size distribution of quartz sand

表4 再生磚粉粒徑分布Table 4 Particle size distribution of recycled brick powder

表5 再生磚粉技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators of recycled brick powder

表6 不同水膠比的再生磚粉ECC配合比Table 6 Mix proportion of recycled brick powder ECC with different water-binder ratios

1.2 試驗(yàn)方法

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)行再生磚粉ECC坍落度、擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間(拌合物流動(dòng)達(dá)到圓板500 mm的時(shí)間)T500測(cè)試，依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行再生磚粉ECC抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[15]并根據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》(GB/T 15231—2008)計(jì)算再生磚粉ECC彎曲性能指標(biāo),單軸拉伸試驗(yàn)參考徐世烺團(tuán)隊(duì)[3]設(shè)計(jì)和改進(jìn)后的方法進(jìn)行。利用掃描電鏡對(duì)石英砂、再生磚粉及單軸拉伸試驗(yàn)破壞后的試塊進(jìn)行測(cè)試，從微觀角度對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行探討。抗折強(qiáng)度所需試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，薄板彎曲試件、單軸拉伸試件尺寸分別為320 mm×100 mm×10 mm、280 mm×40 mm×15 mm。試驗(yàn)采用機(jī)械拌和，在澆筑好的試塊表面覆蓋一層保鮮膜，靜置24 h后拆模,置于溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對(duì)再生磚粉ECC工作性能的影響

再生磚粉ECC拌合物工作性能測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 再生磚粉ECC拌合物工作性能測(cè)試結(jié)果Table 7 Test results of working performance of recycled brick powder ECC mixture

用水量是影響拌合物流動(dòng)性能的主要因素，由表7可知，隨著水膠比增大，再生磚粉ECC的坍落度和擴(kuò)展度增大，T500值減小。水膠比為0.30時(shí)，拌合物擴(kuò)展度未能達(dá)到500 mm。水膠比小于0.35時(shí)，拌合物坍落度和擴(kuò)展度增長(zhǎng)較快；水膠比大于0.35時(shí)，坍落度和擴(kuò)展度增長(zhǎng)較慢。水膠比為0.37與0.39時(shí)坍落度相同，水膠比為0.39時(shí)擴(kuò)展度大，但測(cè)試擴(kuò)展度時(shí)發(fā)現(xiàn)拌合物表面有少量泌水。施工時(shí)，在滿(mǎn)足坍落度和擴(kuò)展度基本要求的情況下，應(yīng)控制單位用水量。

2.2 水膠比對(duì)再生磚粉ECC抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

再生磚粉ECC抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 再生磚粉ECC抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of flexural and compressive strength of recycled brick powder ECC

對(duì)比B組與R3組可知，再生磚粉取代石英砂后，一定程度上降低了材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，這是由于再生磚粉作為細(xì)骨料與天然石英砂相比，其自身孔隙率大，比表面積大，吸水性強(qiáng)，導(dǎo)致硬化的材料內(nèi)部孔隙增加，從而使強(qiáng)度下降。由表8可見(jiàn)，隨著水膠比的增大，再生磚粉ECC的抗折強(qiáng)度先增大后減小，抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.37時(shí)，再生磚粉ECC抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，相對(duì)于0.30水膠比時(shí)增長(zhǎng)了19.3%。水膠比為0.39時(shí)抗壓強(qiáng)度最小，相對(duì)于0.30水膠比時(shí)降低了24.2%。低水膠比時(shí)，材料內(nèi)部的孔隙率較低，相對(duì)致密，抗壓強(qiáng)度高，但較低的水膠比不利于纖維分散，易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，并且試件開(kāi)裂后纖維在基體內(nèi)部沒(méi)有發(fā)揮出較好的橋聯(lián)作用，抗折強(qiáng)度低，延性較差。隨著水膠比的增大，體系內(nèi)部密實(shí)度降低，造成抗壓強(qiáng)度減小，但相對(duì)疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加之均勻分散的纖維，使纖維與水泥基體能更好的結(jié)合，在一定程度上提高了材料的抗折強(qiáng)度。然而過(guò)大的水膠比將降低抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也削弱了纖維與基體之間的摩阻力，使纖維更容易滑動(dòng)拔出，從而使材料的抗折強(qiáng)度下降[16]。壓折比可反映材料的柔韌性。由表8可見(jiàn)，隨著水膠比增大，材料壓折比先減小后增大，水膠比為0.30時(shí)，壓折比最大，水膠比為0.37時(shí)，壓折比最小。不同水膠比的材料柔韌性規(guī)律為：R4>R3>R5>R2>R1。

2.3 水膠比對(duì)再生磚粉ECC彎曲性能的影響

圖1 再生磚粉ECC荷載-跨中撓度曲線(xiàn)Fig.1 Load-span deflection curves of recycled brick powder ECC

再生磚粉ECC四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的荷載-跨中撓度曲線(xiàn)如圖1所示。不同水膠比時(shí)材料彎曲性能指標(biāo)如表9所示。

由圖1可見(jiàn)，不同水膠比的再生磚粉ECC均表現(xiàn)出良好的應(yīng)變硬化特征，曲線(xiàn)線(xiàn)形穩(wěn)定。隨著跨中撓度的增加，荷載均有上下浮動(dòng)的現(xiàn)象，表明試件在開(kāi)裂后不斷有新的裂縫產(chǎn)生，呈現(xiàn)多縫開(kāi)裂狀態(tài)。水膠比為0.30時(shí)，材料極限強(qiáng)度最大，水膠比為0.39時(shí)，材料極限撓度最大。隨著水膠比的增大，材料的極限彎拉荷載降低，極限撓度增大，且均不低于30 mm。

由表9可知，再生磚粉取代石英砂后ECC的開(kāi)裂撓度增大，開(kāi)裂荷載降低，抗彎強(qiáng)度下降，材料抵抗彎曲變形的能力減弱，隨著水膠比的增大，再生磚粉ECC開(kāi)裂強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。與水膠比為0.30時(shí)的開(kāi)裂強(qiáng)度相比，水膠比為0.39時(shí)的開(kāi)裂強(qiáng)度下降了56.5%。隨著水膠比的增大，材料開(kāi)裂撓度整體呈上升趨勢(shì)，而開(kāi)裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。這是由于在基體開(kāi)裂之前，纖維尚未參與工作，隨著用水量的增加，基體內(nèi)部密實(shí)度下降使材料開(kāi)裂強(qiáng)度降低。水膠比為0.35與0.37時(shí)，材料開(kāi)裂強(qiáng)度和開(kāi)裂撓度較為接近。隨著水膠比的增大，材料的抗彎強(qiáng)度下降，說(shuō)明用水量的增加使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部疏松，基體強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度下降；而極限撓度的增加表明水膠比的增大使纖維在材料中分散的更加均勻，試件擁有更好的應(yīng)力傳遞效果，開(kāi)裂后纖維充分發(fā)揮了橋聯(lián)作用[17]，材料在服役時(shí)會(huì)有更為優(yōu)異的耗能能力。與文獻(xiàn)[11]相似，低水膠比不利于纖維亂向分布和應(yīng)變硬化特性的呈現(xiàn)，較高的水膠比則會(huì)降低ECC的抗拉與抗彎強(qiáng)度、基體間的黏結(jié)性能。對(duì)比R3、R4、R5組，材料在0.37水膠比時(shí)應(yīng)變硬化特性較好，抗彎強(qiáng)度有小幅上升。

表9 不同水膠比下再生磚粉ECC彎曲性能指標(biāo)Table 9 Bending performance indexes of recycled brick powder ECC under different water-binder ratios

2.4 水膠比對(duì)再生磚粉ECC單軸拉伸性能的影響

圖2 不同水膠比下再生磚粉ECC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curves of recycled bricked powder ECC under different water-binder ratios

再生磚粉ECC單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。不同水膠比時(shí)材料單軸拉伸性能指標(biāo)如表10所示。

由圖2可見(jiàn)，再生磚粉ECC的單軸拉伸試驗(yàn)可分為三個(gè)階段：①?gòu)椥噪A段，從開(kāi)始加載到首條裂縫出現(xiàn)之前，此階段內(nèi)基體與纖維共同承擔(dān)拉伸荷載，應(yīng)力-應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系；②應(yīng)變硬化階段，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力有較小的上下浮動(dòng)，代表著新裂縫不斷產(chǎn)生，隨后應(yīng)力達(dá)到最大值，裂縫達(dá)到飽和；③破壞階段，應(yīng)力由峰值迅速下降且不再上升，在某條裂縫處形成貫穿裂縫，試件斷裂。從圖中可看出，材料均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，極限應(yīng)變均大于2%。隨著用水量的增加，試件應(yīng)變硬化階段更加平緩，荷載上下浮動(dòng)減小，說(shuō)明材料更加均勻，裂縫多且細(xì)小均勻，可以避免材料內(nèi)部不均勻?qū)е戮植咳毕葸^(guò)大及集中開(kāi)裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。水膠比為0.30時(shí)，極限應(yīng)力最大，水膠比為0.39時(shí)，極限應(yīng)變最大，曲線(xiàn)更加平穩(wěn)。

表10 不同水膠比下再生磚粉ECC單軸拉伸性能指標(biāo)Table 10 Uniaxial tensile properties indexes of recycled brick powder ECC under different water-binder ratios

對(duì)比B組與R3組可知，再生磚粉ECC應(yīng)變硬化特征較普通ECC更為明顯，再生磚粉取代石英砂后材料的開(kāi)裂應(yīng)力與極限應(yīng)力下降，開(kāi)裂應(yīng)變與極限應(yīng)變?cè)龃螅Y(jié)合圖3再生磚粉和石英砂的微觀形貌可知，再生磚粉相對(duì)于天然石英砂，骨料間的孔隙較多，骨料表面有較多其他附著物，這是造成材料極限應(yīng)力下降的主要因素。然而與天然石英砂相比，再生磚粉表面更加粗糙，形狀更加多變，能夠改善纖維與基體之間的界面特性，使材料在開(kāi)裂后纖維能夠充分發(fā)揮作用。對(duì)比R1～R5組可知，再生磚粉ECC的開(kāi)裂應(yīng)力在水膠比為0.30～0.33時(shí)有小幅增長(zhǎng)，之后隨水膠比的增加而降低，開(kāi)裂應(yīng)變隨著水膠比的增加上下波動(dòng)。水膠比為0.37～0.39時(shí)，材料開(kāi)裂應(yīng)力急劇下降，裂縫開(kāi)展較早，材料在低強(qiáng)度、低應(yīng)力下產(chǎn)生了較大的開(kāi)裂應(yīng)變。材料極限應(yīng)變隨水膠比的增大而增大，極限應(yīng)力隨水膠比的增大整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。水膠比為0.30、0.33、0.35、0.37、0.39時(shí)，極限應(yīng)力分別較各自開(kāi)裂應(yīng)力提升了39.2%、23.2%、20.9%、30.3%、41.1%，應(yīng)力增幅均超過(guò)20.0%。低水膠比時(shí)材料的極限應(yīng)變較低，極限應(yīng)力較高，纖維容易結(jié)團(tuán)，不利于應(yīng)力傳遞和應(yīng)變硬化特性的發(fā)揮。較之0.30水膠比，當(dāng)材料水膠比為0.37時(shí)，極限應(yīng)力下降了22.8%而極限應(yīng)變?cè)黾恿?2.6%。綜合來(lái)看，水膠比為0.37時(shí)材料的單軸拉伸性能更優(yōu)。

圖3 再生磚粉和石英砂的微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of recycled brick and quartz sand

對(duì)水膠比為0.30、0.37、0.39的再生磚粉ECC進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，水膠比為0.30時(shí)，材料基體相對(duì)致密，纖維與基體黏結(jié)緊密，材料開(kāi)裂后纖維較易被拉斷(圖4(a)中明顯可見(jiàn)斷裂的纖維)，不利于材料應(yīng)變硬化特性的發(fā)揮。水膠比為0.39時(shí)，材料密實(shí)度有所下降，其內(nèi)部多余的自由水流失后帶來(lái)大量不均勻孔隙，多個(gè)孔隙相互貫通形成微裂紋，這些微裂紋發(fā)展到纖維處使得纖維與基體的連接不夠緊密，造成二者的摩阻力下降，試件開(kāi)裂后纖維更容易滑動(dòng)拔出，從微觀角度解釋了材料極限應(yīng)力較小而極限應(yīng)變較大的現(xiàn)象。

圖4 再生磚粉ECC的微觀形貌Fig.4 Microscopic morphology of recycled brick powder ECC

3 結(jié) 論

(1)水膠比對(duì)再生磚粉ECC的工作性能影響顯著，拌合物坍落度和擴(kuò)展度在水膠比小于0.35時(shí)增長(zhǎng)迅速，再生磚粉ECC的水膠比不宜大于0.37，否則易出現(xiàn)泌水。

(2)各組水膠比的再生磚粉ECC抗壓強(qiáng)度均不低于30 MPa，最高可達(dá)40 MPa以上，滿(mǎn)足一般工程使用要求；在水膠比為0.37時(shí)，材料的壓折比最小，柔韌性最好；水膠比的增大降低了基體強(qiáng)度，使試件提前開(kāi)裂，但水膠比過(guò)小不利于纖維分散從而降低了材料的應(yīng)變，水膠比過(guò)高或過(guò)低都不利于材料韌性的提高。

(3)再生磚粉ECC應(yīng)變硬化特征顯著，且極限應(yīng)變均大于2%；SEM試驗(yàn)結(jié)果表明水膠比大于0.37時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較多的孔隙和微裂紋，這些缺陷降低了纖維與基體的黏結(jié)力，不利于纖維橋聯(lián)作用的發(fā)揮。