纤维掺量对再生砖粉ECC流动性能及力学性能的影响

元成方，王 娣，李好飞，张 哲

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

0 引 言

超高韧性水泥基复合材料(ECC)基于断裂力学和微观力学原理设计而成，是一种高延性、高韧性的新型高性能纤维水泥基复合材料[1]。在极限拉伸状态下，拉应变可达3%以上，最大裂缝可控制在0.1 mm以内，其良好的拉应变硬化性能和多缝开裂特征对增强结构的安全性、耐久性具有显著效果[2-3]。随着中国城市化建设的不断发展，建筑垃圾日益增多，如何有效处理建筑垃圾成为亟待解决的社会问题[4]。将废弃烧结砖破碎、研磨后得到的再生砖粉取代石英砂制备再生砖粉ECC是实现建筑垃圾资源再利用的途径之一，深入研究再生砖粉ECC的各项性能使其更广泛应用于工程领域，不仅具有重要的工程价值，还将产生良好的社会经济效益。

聚乙烯醇(PVA)纤维具有良好的亲水性，与水泥化学相容性好且具有弹性模量高、抗拉强度高的特点[5]。PVA纤维能在ECC中起到“桥接作用”，增强其韧性，控制裂缝产生，提高ECC的变形能力，是影响ECC材料性能的重要因素。目前已有不少研究报道了纤维掺量对ECC工作性能[5-7]、力学性能[8-11]、收缩性能[12-14]、耐久性能[15-16]等方面的影响。由于再生砖粉ECC使用了建筑废料制备的再生砖粉，其材质相比石英砂有所降低，导致再生砖粉ECC性能相比普通ECC会有所降低，不利于其在实际工程中应用。因此，需要对再生砖粉ECC进行进一步研究，以提高其性能。本文将从PVA纤维角度出发，重点研究PVA纤维掺量对再生砖粉ECC流动性能和力学性能的影响，旨在通过调整PVA纤维掺量改善再生砖粉ECC性能。这不仅能为再生砖粉ECC在工程中的应用与推广提供技术依据，使其更好地应用于工程领域，更对解决城市建筑废弃物的堆放和污染问题具有重要意义。

1 试验设计

1.1 原材料

试验采用P.O42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰；利用市内房屋拆迁所得的废弃烧结黏土砖，经破碎、筛选、球磨后制得再生砖微粉，粒径分布同石英砂，见表1，材性指标见表2；采用日本Kuraray公司生产的单丝PVA纤维，性能指标见表3；外加剂采用HPMC-20型羟丙基甲基纤维素增稠剂，黏度等级20万；采用CQJ-JSS型聚羧酸高效减水剂，减水率为26.5%；试验拌合水和养护水为郑州市普通自来水。

表1 石英砂和再生砖粉粒径分布Table 1 Particle Size Distribution of Quartz Sand and Recycled Brick Powder

表2 再生砖粉材性指标Table 2 Material Property Indexes of Recycled Brick Powder

表3 PVA纤维技术指标Table 3 Technical Indicators of PVA Fiber

1.2 配合比设计及试件成型工艺

试验利用再生砖粉100%取代石英砂制备再生砖粉ECC，将不同体积掺量的PVA纤维分别加入再生砖粉ECC中。由于再生砖粉吸水率大，试验需考虑附加水以保持水胶比的稳定性，附加水用量为再生砖粉掺量与其吸水率乘积。试验配合比如表4所示。

表4 再生砖粉ECC配合比Table 4 Mix Ratio of Various Recycled Brick Powder ECCs

成型工艺：将搅拌机筒体与搅拌臂润湿，翻转搅拌机桶，使多余的水分流出；将预先称好的水泥、粉煤灰、细集料依次投入搅拌机中，搅拌2 min；将提前混合好的减水剂与水(含附加水)加入到搅拌机，搅拌2 min；开动搅拌机，缓慢均匀加入PVA纤维，2 min中内加完，待搅拌机停止后，加入增稠剂，搅拌4 min，搅拌过程中观察拌合物是否有结团现象产生；将搅拌好的拌合物装入钢模，分2次装填，首先填入模具高度的一半，然后打开振动台，振动1 min，并在振动时用小棒进行捣动，便于减少内部气孔；以相同方法进行二次填料与振捣，同时观察成型状态，最后使用抹子对试件表面进行找平，使用保鲜膜覆盖至24 h拆模，试件成型过程见图1；标准养护28 d后进行力学性能试验。

试验共制作20组试件研究纤维掺量对再生砖粉ECC力学性能的影响，其中抗压与抗折试验试件尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，每种试验各5组，每组试件3块；四点弯曲试验试件尺寸为320 mm×100 mm×10 mm，共5组，每组试件3块；单轴拉伸试验试件尺寸为280 mm×40 mm×15 mm，共5组，每组试件3块。

1.3 试验方法

1.3.1 流动性能测试

再生砖粉ECC流动性测试依据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)进行。主要仪器设备为：坍落度筒，1 000 mm×1 000 mm正方形平面板，抹刀，卡尺。

试验方法：首先将坍落度筒等工具润湿，随后将拌合物一次性填入坍落度筒中，用抹刀刮去顶部余料，使拌合物与坍落度筒顶部持平，将筒体垂直连贯地向上提起。观察并记录拌合物流动到达平面板上圆周500 mm的时间T500，测量记录平面板上最大圆周直径及其垂直直径为最终扩展度D，见图2。

1.3.2 力学性能测试

抗压与抗折试验加载设备为YAW-300C型水泥抗折抗压一体试验机，抗压试验加载速率为2.4 kN·s-1，抗折试验加载速率为50 N·s-1；四点弯曲试验加载设备为WDW-100型电子式万能试验机，加载速率为0.2 mm·min-1；单轴拉伸试验加载设备为WDW-100型电子式万能试验机，加载速率为0.1 mm·min-1。试验加载过程见图3。

2 试验结果与讨论

2.1 PVA纤维掺量对再生砖粉ECC流动性能的影响

再生砖粉ECC的T500、坍落度和扩展度测试结果见表5。再生砖粉ECC拌合物的T500随着纤维体积掺量(简称纤维掺量)的增加而增加，纤维掺量2%时较纤维掺量1.75%增长尤为明显，增幅达70.5%。扩展度随纤维掺量增加而降低，纤维掺量2%时扩展度最小为520 mm，较纤维掺量1.25%时降低了9.6%。坍落度随纤维掺量增加呈减少趋势，纤维掺量由1.25%增加至2.0%时，坍落度由275 mm降低至265 mm，虽然纤维掺量1.5%与1.75%时坍落度相同，但是T500与扩展度不同，纤维掺量1.5%时流动性能更优。

表5 再生砖粉ECC流动性能测试结果Table 5 Flow Performance Test Results of Recycled Brick Powder ECCs

随纤维掺量增加，拌合物流动工作性能降低。这是因为PVA纤维的亲水性可使其表面吸附更多的自由水分子，基体内水分子相对减少，并且PVA纤维乱向分布形成空间网络结构可阻碍浆体的流动，增大表面浆体包裹量，从而降低了材料的流动性能[17]。

2.2 PVA纤维掺量对再生砖粉ECC力学性能的影响

2.2.1 抗折、抗压性能试验

抗折试验中，随着试验不断加载时，试件表面出现裂缝，试验机上荷载值出现波动上升现象，当荷载值到达极限荷载后，出现贯穿裂缝，荷载值下降，试件破坏。抗折试验试件破坏形态如图4所示。

抗压强度试验中，随着试验加载，抗压试件出现竖向裂缝，当荷载达到极限荷载时，承载力下降，试件破坏，破坏试件并无明显贯穿裂缝。这是由于PVA纤维与水泥界面结合较好，分散均匀，能够抑制试件受压时裂缝的数量发展，同时限制裂缝长度与宽度延伸，减少贯通裂缝，因而试件受压破坏时裂缝较少且不明显[18]。试件破坏形态如图5所示。

不同纤维掺量的再生砖粉ECC抗折、抗压强度试验结果如表6所示。对比表6中A0与A3组可知，再生砖粉取代石英砂后，抗折强度与抗压强度均有所下降。这是由于再生砖粉表面粗糙会使结构内部孔隙增多，密实度降低，且材料自身性能较差，导致抗压、抗折性能降低。压折比有所增加，表明柔韧性能降低。

对比A1～A4组，抗折强度随PVA纤维掺量的增加先增大后减小，纤维掺量为1.75%时抗折强度最大为16.5 MPa。纤维掺量2.0%较纤维掺量1.75%时抗折强度虽减小了3.2 MPa，但仍高于纤维掺量1.25%时的抗折强度。这是因为增加纤维掺量使其桥联作用更加显著，抗折强度因此增加。当纤维掺量2.0%时，基体内大量存在的纤维会增加基体内部孔隙，增加试件内部初始缺陷，如振捣不充分导致的空洞、纤维与界面间以及纤维间界面上的初始裂缝，均对基体密实度产生不利影响，导致基体强度降低，抗折强度降低[19]；抗压强度随PVA纤维掺量的增加呈下降趋势，纤维掺量由1.5%增加到1.75%时，下降幅度尤为明显，达到10.13%。这是因为纤维掺量的增加使得引入气泡增多，含气量增加降低了基体的密实度，从而使抗压强度降低，当纤维掺量较小时，引入气泡较少，对材料的匀质性、密实度影响较小，抗压强度变化较小；随着纤维掺量增加，压折比逐渐减小，纤维掺量由1.25%增加到1.5%时，降幅最大达23.1%，随后降速放缓，压折比在纤维掺量为1.75%，2.0%时比较接近，分别为2.04和2.02。由此可知，不同纤维掺量下，再生砖粉ECC的柔韧性由大到小依次为A4，A3，A2，A1。

表6 不同纤维掺量下抗折、抗压性能Table 6 Flexural and Compressive Properties Under Different Fiber Contents

2.2.2 弯曲性能试验

四点弯曲试验加载初期薄板试件弯曲现象不明显，薄板上没有裂缝产生。当试验机上荷载达到开裂荷载时，薄板在受弯区域出现第1条裂缝，试验机荷载下降后再开始上升，此后试验机上荷载的波动升高，薄板试件弯曲程度逐渐增大，底部呈现出多缝开裂状态。加载后期，薄板上受弯面裂缝开始扩展，最终试件破坏。弯曲试验试件破坏底部裂缝形态见图6。

不同纤维掺量下荷载-跨中挠度曲线如图7所示。弯曲性能指标如表7所示。构件受弯破坏分为弹性阶段、多裂缝发展阶段、饱和裂缝拓展阶段[20]。弹性阶段无裂缝产生；构件从开始产生裂缝时进入多裂缝发展阶段；从构件刚度明显发生变化点至荷载峰值点为饱和裂缝拓展阶段。由图7可以看出，随着纤维掺量的增加，变形硬化特征更为明显。这是由于纤维增多使得因纤维与基体之间的界面黏结而反复传递拉应力所产生的细微裂缝不断增加，延长了趋向饱和开裂形态的阶段，使应变硬化特征更显著。

表7 不同纤维掺量下弯曲性能指标Table 7 Bending Performance Indexes Under Different Fiber Contents

由表7中A0与A3组对比可知，再生砖粉取代石英砂后，开裂挠度和极限挠度增加，开裂荷载、极限荷载和强度降低，表明再生砖粉材质弱于石英砂，弯曲性能降低。

由A1～A4组可知：在1.25%～2.0%范围内，随着纤维掺量的增加，开裂强度呈减小趋势，纤维掺量为1.5%，1.75%时，开裂强度分别较纤维掺量为1.25%时下降了7.8%，10.3%，当纤维掺量增加到2.0%时，下降速度增大，较纤维掺量1.75%时降低了9.6%；开裂挠度随纤维掺量增加呈上升趋势，且在纤维掺量1.25%～1.5%及1.75%～2%间增加明显；随纤维掺量增加，抗弯强度呈上升趋势，纤维掺量1.25%～1.5%，1.75%～2.0%时，强度增长幅度较大。极限挠度随纤维掺量增加明显增长，纤维掺量1.5%，1.75%相比1.25%极限挠度分别增长了63.01%，90.56%，纤维掺量2.0%时，极限挠度增长了1.22倍。纤维掺量的增加可使混凝土提前进入开裂状态且具有较大的开裂挠度，但由于PVA纤维具有桥联作用，可将拉应力不断分散传递给周围的基体，使已有裂缝更多分散为更细密裂缝[21]。因此，随着纤维掺量的增加，构件能发挥更优越的裂缝控制能力，承载更大荷载，提高抗弯强度，增大极限挠度，表现出更好的增韧效果。

2.2.3 拉伸性能试验

单轴拉伸试验加载初期荷载较小，拉伸试件表面无明显变化，当试验机上荷载达到初裂荷载时，在试件表面受拉观测区域出现第1条裂缝，随着荷载在波动变化中增大，拉伸试件表面裂缝增多，拉伸变形增大，加载过程中可听到试件纤维拉断的声音，加载后期拉伸试件上某条裂缝逐渐变宽，形成贯穿裂缝，进而试件破坏。单轴拉伸试验试件表面裂缝状态见图8。

不同纤维掺量下的应力-应变曲线如图9所示。拉伸性能指标如表8所示。纤维混凝土拉伸破坏阶段分为弹性阶段、应变硬化阶段、软化阶段[22]。裂缝产生前为弹性阶段；第1条裂缝产生后进入应变硬化阶段，再生砖粉ECC基体中的纤维限制裂缝发展，纤维桥联作用不断将应力传递至周围基体从而产生更多细密裂缝，形成多缝开裂现象，表现出良好的变形能力；曲线达到峰值后，产生的应力大于纤维的极限拉应力，材料破坏进入软化阶段，纤维开始慢慢退出工作，裂缝不断加宽，应力持续降低。由图9应力-应变曲线可看出，纤维掺量在大于等于1.5%时，曲线呈现出较好的应变硬化特征，极限应变均超过2.5%。相较于其他纤维掺量，纤维掺量1.5%时试件曲线破坏阶段没有软化段，在达到峰值应力后，试件裂缝处产生较大的应力集中，纤维桥联作用发挥较弱，致使试件破坏迅速。

表8 不同纤维掺量下拉伸性能指标Table 8 Tensile Performance Indexes Under Different Fiber Contents

由表8中A0与A3组对比知，再生砖粉取代石英砂后，由于再生砖粉较石英砂粗糙，试件密实度降低，界面黏结力有一定弱化，导致试件在拉伸状态下开裂与极限应变增加，应力减小，拉伸性能降低。

对比A1～A4组数据可知：再生砖粉ECC开裂应变虽然随着纤维掺量的增加逐渐增加，但整体应变值较小，纤维掺量对开裂应变影响较小；随纤维掺量增加，再生砖粉ECC拉伸开裂应力先降后升，纤维掺量1.75%时开裂应力最小，纤维掺量1.25%时开裂应力最大；随纤维掺量增加，极限应力先降后升，纤维掺量在1.50%，1.75%时极限应力分别较纤维量1.25%时降低4.7%，11.6%，当纤维掺量为2.0%时，极限应力迅速增长，较1.25%时增长4.20%；随纤维掺量增加，极限应变呈增长变化，纤维掺量1.5%相比1.25%，极限应变增长了1.22倍，纤维掺量1.75%，2.0%的极限应变分别较纤维掺量1.5%增加了23.30%和36.20%。不同纤维掺量下，开裂应力与极限应力变化规律整体相同，纤维掺量1.25%，1.5%，1.75%，2.0%时极限应力较各自开裂应力分别增长了16.1%，13.7%，21.0%，28.1%，且随纤维掺量增加，纤维桥联作用越明显，应力提升越高。由应变变化可知：随纤维掺量的增加，极限应变较开裂应变提升越明显，材料裂缝控制能力更强，且在纤维掺量为1.75%，2.0%时，极限应变超过3%，延性更好，拉伸性能更优异，表明纤维掺量是再生砖粉ECC拉伸性能重要的影响因素。

2.3 跨中挠度与极限应变相关性分析

蔡向荣[23]综合胡克定律、平截面假定以及静力平衡关系，推导得到普通超高韧性混凝土材料弯曲跨中挠度与极限拉应变间的关系，结果表明跨中挠度与极限拉应变间具有较好的相关关系。将本次再生砖粉ECC四点弯曲试验中跨中极限挠度δu和单轴拉伸试验中极限应变εut进行相关性回归分析，结果如图10所示，极限拉应变与跨中挠度呈现良好的线性关系，相关系数达0.982。

3 结 语

(1)再生砖粉取代石英砂制备再生砖粉ECC在一定程度上会降低ECC的力学性能。

(2)随着纤维掺量的增加，再生砖粉ECC拌合物T500不断增加，坍落度和扩展度不断减少，拌合物流动性能有所下降。

(3)随着纤维掺量的增加，再生砖粉ECC引入气泡不断增多，导致抗压强度持续下降；纤维掺量在1.25%～1.75%范围内时 ，纤维的桥联作用明显，抗折强度提高，当掺量达2.0%时，纤维对基体密实度产生的不利影响增大，抗折强度有所降低，纤维掺量在1.75%时抗折性能达到最优，抗折强度为16.5 MPa；压折比随着纤维掺量的增加不断降低，材料柔韧性得到提升。

(4)弯曲状态下，随着纤维掺量的增加，再生砖粉ECC开裂强度有所下降，但由于PVA纤维具有桥联作用使拉应力不断分散传递给周围基体，材料发挥优越的裂缝控制能力，使抗弯强度大幅提升，开裂挠度与极限挠度也不断增大。

(5)拉伸状态下，随着纤维掺量的增加，再生砖粉ECC开裂应力与极限应力呈先下降后升高，极限应力较开裂应力均有一定增加，纤维发挥桥联作用更明显，应力提升效果显著；当纤维掺量超过1.75%时，再生砖粉ECC裂缝控制能力更强，极限应变超过3%，延性更好。

(6)再生砖粉ECC弯曲跨中挠度与极限拉应变具有良好的线性关系，相关系数达0.982。