水胶比对再生砖粉ECC工作性能和力学性能的影响

2021-12-15元成方李好飞王一光

硅酸盐通报 2021年11期

元成方，李好飞，王娣，王一光，2

(1.郑州大学土木工程学院，郑州 450001；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450015)

0 引言

20世纪90年代，密歇根大学的Li等[1-2]基于“纤维阻裂”理论，以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纤维作为增韧材料，制备出工程用水泥基复合材料(engineered cementitious composites， ECC)。此材料具有很强的能量吸收能力和裂缝宽度控制能力[3-5]，因而得到广泛的研究与应用。当前，矿产资源的日益短缺和可持续发展的迫切要求，对工程材料研发提出了新的挑战。国内外有学者[6-8]利用再生黏土砖细骨料取代天然骨料制备低等级混凝土、砂浆，认为取代后的材料仍能满足性能要求。Li等[9]采用再生混凝土微粉取代石英砂制备ECC，并对其力学性能和微观结构进行了分析研究，结果表明，再生混凝土微粉ECC的抗压强度仍能达到40 MPa以上且具有优异的应变能力，不同尺寸的再生混凝土微粉能够改善纤维与基体的界面特性，为再生微粉在ECC中的应用提供了参考。再生砖粉ECC是在普通ECC的基础上，将石英砂采用再生砖粉取代后制备得到的新型水泥基复合材料。

影响水泥基复合材料性能的因素有很多，其中水胶比是较为重要的因素之一。吕林女等[10]对ECC进行了单轴拉伸试验，探究不同水胶比对材料抗拉性能的影响，结果表明，水胶比的增加会使材料的初裂强度和极限拉伸强度降低，但其极限拉伸应变会有所提升，较高的水胶比更利于材料应变硬化和多缝开裂特性的发挥。孔燕等[11]研究了水胶比对ECC拉伸性能和弯曲性能的影响，得出了与之相似的结论。张君等[12]通过三点弯曲试验探究了不同水胶比对ECC抗弯性能的影响，结果表明，随着水胶比的增加，试件的抗弯强度降低，且低水胶比对材料的抗弯性能影响更加显著。高杰等[13]探究了水胶比对材料弯曲韧性的影响，并依据美国ASTM C10108标准计算了材料弯曲韧性指数，认为弯曲韧性指数能更好地描述材料在服役过程中的能量吸收能力。白亮等[14]从微观方面分析了ECC的力学性能，认为高水胶比会导致材料内部结构疏松，使纤维易于滑动拔出，有利于发挥材料延性性能，低水胶比的ECC抗压强度较高但延性较差。

目前有关再生砖粉ECC的力学性能以及水胶比对其影响的研究还鲜有报道，而水胶比是再生微粉ECC配合比设计的重要参数，具有较高的研究价值。鉴于此，本文设计制备了基准组ECC和五种不同水胶比的再生砖粉ECC，深入探究水胶比对再生砖粉ECC工作性能和基本力学性能的影响，为再生砖粉ECC的工程应用提供试验依据和技术参考。

1 实验

1.1 原材料及配合比

试验采用河南天瑞集团郑州水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要技术指标见表1。采用河南巩义恒诺滤料有限公司生产的I级粉煤灰。石英砂由河南省众邦环保科技有限公司提供，筛分后选取粒径为75～200 μm的部分，技术指标见表2，粒径分布见表3。再生砖粉由废弃烧结黏土砖经过破碎、球磨、筛选得到，粒径为75～200 μm，粒径分布见表4，测试得到其坚固性指标，5次循环后质量损失为7.2%，符合要求，主要技术指标见表5。采用日本Kuraray公司生产的单丝PVA纤维。增稠剂选用上海臣启化工科技有限公司生产的HPMC-20型羟丙基甲基纤维素(黏度等级20万)以及CQJ-JSS型聚羧酸高效减水剂(减水率26.5%)。拌和及养护采用普通自来水。试验配合比如表6所示，再生砖粉ECC的水胶比变化范围为0.30～0.39(质量比，下同)，B组与R3组水胶比相同，通过增加减水剂用量来保证其流动度相同。

表1 水泥主要技术指标Table 1 Main technical indicators of cement

表2 石英砂的技术指标Table 2 Technical indicators of quartz sand

表3 石英砂粒径分布Table 3 Particle size distribution of quartz sand

表4 再生砖粉粒径分布Table 4 Particle size distribution of recycled brick powder

表5 再生砖粉技术指标Table 5 Technical indicators of recycled brick powder

表6 不同水胶比的再生砖粉ECC配合比Table 6 Mix proportion of recycled brick powder ECC with different water-binder ratios

1.2 试验方法

依据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)进行再生砖粉ECC坍落度、扩展度、扩展时间(拌合物流动达到圆板500 mm的时间)T500测试，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)进行再生砖粉ECC抗折、抗压强度试验，四点弯曲试验方法参考文献[15]并根据《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》(GB/T 15231—2008)计算再生砖粉ECC弯曲性能指标,单轴拉伸试验参考徐世烺团队[3]设计和改进后的方法进行。利用扫描电镜对石英砂、再生砖粉及单轴拉伸试验破坏后的试块进行测试，从微观角度对相关机理进行探讨。抗折强度所需试件尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，薄板弯曲试件、单轴拉伸试件尺寸分别为320 mm×100 mm×10 mm、280 mm×40 mm×15 mm。试验采用机械拌和，在浇筑好的试块表面覆盖一层保鲜膜，静置24 h后拆模,置于温度为(20±2) ℃、相对湿度≥95%的养护箱中养护至28 d龄期。

2 结果与讨论

2.1 水胶比对再生砖粉ECC工作性能的影响

再生砖粉ECC拌合物工作性能测试结果如表7所示。

表7 再生砖粉ECC拌合物工作性能测试结果Table 7 Test results of working performance of recycled brick powder ECC mixture

用水量是影响拌合物流动性能的主要因素，由表7可知，随着水胶比增大，再生砖粉ECC的坍落度和扩展度增大，T500值减小。水胶比为0.30时，拌合物扩展度未能达到500 mm。水胶比小于0.35时，拌合物坍落度和扩展度增长较快；水胶比大于0.35时，坍落度和扩展度增长较慢。水胶比为0.37与0.39时坍落度相同，水胶比为0.39时扩展度大，但测试扩展度时发现拌合物表面有少量泌水。施工时，在满足坍落度和扩展度基本要求的情况下，应控制单位用水量。

2.2 水胶比对再生砖粉ECC抗折、抗压强度的影响

再生砖粉ECC抗折、抗压强度试验结果如表8所示。

表8 再生砖粉ECC抗折、抗压强度试验结果Table 8 Test results of flexural and compressive strength of recycled brick powder ECC

对比B组与R3组可知，再生砖粉取代石英砂后，一定程度上降低了材料的抗折强度和抗压强度，这是由于再生砖粉作为细骨料与天然石英砂相比，其自身孔隙率大，比表面积大，吸水性强，导致硬化的材料内部孔隙增加，从而使强度下降。由表8可见，随着水胶比的增大，再生砖粉ECC的抗折强度先增大后减小，抗压强度整体呈下降趋势。当水胶比为0.37时，再生砖粉ECC抗折强度达到最大值，相对于0.30水胶比时增长了19.3%。水胶比为0.39时抗压强度最小，相对于0.30水胶比时降低了24.2%。低水胶比时，材料内部的孔隙率较低，相对致密，抗压强度高，但较低的水胶比不利于纤维分散，易出现结团现象，并且试件开裂后纤维在基体内部没有发挥出较好的桥联作用，抗折强度低，延性较差。随着水胶比的增大，体系内部密实度降低，造成抗压强度减小，但相对疏松的内部结构加之均匀分散的纤维，使纤维与水泥基体能更好的结合，在一定程度上提高了材料的抗折强度。然而过大的水胶比将降低抗压强度，同时也削弱了纤维与基体之间的摩阻力，使纤维更容易滑动拔出，从而使材料的抗折强度下降[16]。压折比可反映材料的柔韧性。由表8可见，随着水胶比增大，材料压折比先减小后增大，水胶比为0.30时，压折比最大，水胶比为0.37时，压折比最小。不同水胶比的材料柔韧性规律为：R4>R3>R5>R2>R1。

2.3 水胶比对再生砖粉ECC弯曲性能的影响

图1 再生砖粉ECC荷载-跨中挠度曲线Fig.1 Load-span deflection curves of recycled brick powder ECC

再生砖粉ECC四点弯曲试验的荷载-跨中挠度曲线如图1所示。不同水胶比时材料弯曲性能指标如表9所示。

由图1可见，不同水胶比的再生砖粉ECC均表现出良好的应变硬化特征，曲线线形稳定。随着跨中挠度的增加，荷载均有上下浮动的现象，表明试件在开裂后不断有新的裂缝产生，呈现多缝开裂状态。水胶比为0.30时，材料极限强度最大，水胶比为0.39时，材料极限挠度最大。随着水胶比的增大，材料的极限弯拉荷载降低，极限挠度增大，且均不低于30 mm。

由表9可知，再生砖粉取代石英砂后ECC的开裂挠度增大，开裂荷载降低，抗弯强度下降，材料抵抗弯曲变形的能力减弱，随着水胶比的增大，再生砖粉ECC开裂强度呈减小趋势。与水胶比为0.30时的开裂强度相比，水胶比为0.39时的开裂强度下降了56.5%。随着水胶比的增大，材料开裂挠度整体呈上升趋势，而开裂强度呈下降趋势。这是由于在基体开裂之前，纤维尚未参与工作，随着用水量的增加，基体内部密实度下降使材料开裂强度降低。水胶比为0.35与0.37时，材料开裂强度和开裂挠度较为接近。随着水胶比的增大，材料的抗弯强度下降，说明用水量的增加使得结构内部疏松，基体强度降低，从而导致抗弯强度下降；而极限挠度的增加表明水胶比的增大使纤维在材料中分散的更加均匀，试件拥有更好的应力传递效果，开裂后纤维充分发挥了桥联作用[17]，材料在服役时会有更为优异的耗能能力。与文献[11]相似，低水胶比不利于纤维乱向分布和应变硬化特性的呈现，较高的水胶比则会降低ECC的抗拉与抗弯强度、基体间的黏结性能。对比R3、R4、R5组，材料在0.37水胶比时应变硬化特性较好，抗弯强度有小幅上升。

表9 不同水胶比下再生砖粉ECC弯曲性能指标Table 9 Bending performance indexes of recycled brick powder ECC under different water-binder ratios

2.4 水胶比对再生砖粉ECC单轴拉伸性能的影响

图2 不同水胶比下再生砖粉ECC的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of recycled bricked powder ECC under different water-binder ratios

再生砖粉ECC单轴拉伸应力-应变曲线如图2所示。不同水胶比时材料单轴拉伸性能指标如表10所示。

由图2可见，再生砖粉ECC的单轴拉伸试验可分为三个阶段：①弹性阶段，从开始加载到首条裂缝出现之前，此阶段内基体与纤维共同承担拉伸荷载，应力-应变呈线性关系；②应变硬化阶段，随着应变的增加应力有较小的上下浮动，代表着新裂缝不断产生，随后应力达到最大值，裂缝达到饱和；③破坏阶段，应力由峰值迅速下降且不再上升，在某条裂缝处形成贯穿裂缝，试件断裂。从图中可看出，材料均呈现出应变硬化特征，极限应变均大于2%。随着用水量的增加，试件应变硬化阶段更加平缓，荷载上下浮动减小，说明材料更加均匀，裂缝多且细小均匀，可以避免材料内部不均匀导致局部缺陷过大及集中开裂现象的产生。水胶比为0.30时，极限应力最大，水胶比为0.39时，极限应变最大，曲线更加平稳。

表10 不同水胶比下再生砖粉ECC单轴拉伸性能指标Table 10 Uniaxial tensile properties indexes of recycled brick powder ECC under different water-binder ratios

对比B组与R3组可知，再生砖粉ECC应变硬化特征较普通ECC更为明显，再生砖粉取代石英砂后材料的开裂应力与极限应力下降，开裂应变与极限应变增大，结合图3再生砖粉和石英砂的微观形貌可知，再生砖粉相对于天然石英砂，骨料间的孔隙较多，骨料表面有较多其他附着物，这是造成材料极限应力下降的主要因素。然而与天然石英砂相比，再生砖粉表面更加粗糙，形状更加多变，能够改善纤维与基体之间的界面特性，使材料在开裂后纤维能够充分发挥作用。对比R1～R5组可知，再生砖粉ECC的开裂应力在水胶比为0.30～0.33时有小幅增长，之后随水胶比的增加而降低，开裂应变随着水胶比的增加上下波动。水胶比为0.37～0.39时，材料开裂应力急剧下降，裂缝开展较早，材料在低强度、低应力下产生了较大的开裂应变。材料极限应变随水胶比的增大而增大，极限应力随水胶比的增大整体呈现下降趋势。水胶比为0.30、0.33、0.35、0.37、0.39时，极限应力分别较各自开裂应力提升了39.2%、23.2%、20.9%、30.3%、41.1%，应力增幅均超过20.0%。低水胶比时材料的极限应变较低，极限应力较高，纤维容易结团，不利于应力传递和应变硬化特性的发挥。较之0.30水胶比，当材料水胶比为0.37时，极限应力下降了22.8%而极限应变增加了72.6%。综合来看，水胶比为0.37时材料的单轴拉伸性能更优。

图3 再生砖粉和石英砂的微观形貌Fig.3 Microscopic morphology of recycled brick and quartz sand

对水胶比为0.30、0.37、0.39的再生砖粉ECC进行扫描电镜试验，其微观形貌如图4所示。由图4可知，水胶比为0.30时，材料基体相对致密，纤维与基体黏结紧密，材料开裂后纤维较易被拉断(图4(a)中明显可见断裂的纤维)，不利于材料应变硬化特性的发挥。水胶比为0.39时，材料密实度有所下降，其内部多余的自由水流失后带来大量不均匀孔隙，多个孔隙相互贯通形成微裂纹，这些微裂纹发展到纤维处使得纤维与基体的连接不够紧密，造成二者的摩阻力下降，试件开裂后纤维更容易滑动拔出，从微观角度解释了材料极限应力较小而极限应变较大的现象。