水膠比對再生磚粉ECC工作性能和力學性能的影響

元成方，李好飛，王 娣，王一光，2

(1.鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450015)

0 引 言

20世紀90年代，密歇根大學的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合材料(engineered cementitious composites， ECC)。此材料具有很強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用。當前，礦產資源的日益短缺和可持續發展的迫切要求，對工程材料研發提出了新的挑戰。國內外有學者[6-8]利用再生黏土磚細骨料取代天然骨料制備低等級混凝土、砂漿，認為取代后的材料仍能滿足性能要求。Li等[9]采用再生混凝土微粉取代石英砂制備ECC，并對其力學性能和微觀結構進行了分析研究，結果表明，再生混凝土微粉ECC的抗壓強度仍能達到40 MPa以上且具有優異的應變能力，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中的應用提供了參考。再生磚粉ECC是在普通ECC的基礎上，將石英砂采用再生磚粉取代后制備得到的新型水泥基復合材料。

影響水泥基復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ECC進行了單軸拉伸試驗，探究不同水膠比對材料抗拉性能的影響，結果表明，水膠比的增加會使材料的初裂強度和極限拉伸強度降低，但其極限拉伸應變會有所提升，較高的水膠比更利于材料應變硬化和多縫開裂特性的發揮?？籽嗟萚11]研究了水膠比對ECC拉伸性能和彎曲性能的影響，得出了與之相似的結論。張君等[12]通過三點彎曲試驗探究了不同水膠比對ECC抗彎性能的影響，結果表明，隨著水膠比的增加，試件的抗彎強度降低，且低水膠比對材料的抗彎性能影響更加顯著。高杰等[13]探究了水膠比對材料彎曲韌性的影響，并依據美國ASTM C10108標準計算了材料彎曲韌性指數，認為彎曲韌性指數能更好地描述材料在服役過程中的能量吸收能力。白亮等[14]從微觀方面分析了ECC的力學性能，認為高水膠比會導致材料內部結構疏松，使纖維易于滑動拔出，有利于發揮材料延性性能，低水膠比的ECC抗壓強度較高但延性較差。

目前有關再生磚粉ECC的力學性能以及水膠比對其影響的研究還鮮有報道，而水膠比是再生微粉ECC配合比設計的重要參數，具有較高的研究價值。鑒于此，本文設計制備了基準組ECC和五種不同水膠比的再生磚粉ECC，深入探究水膠比對再生磚粉ECC工作性能和基本力學性能的影響，為再生磚粉ECC的工程應用提供試驗依據和技術參考。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

試驗采用河南天瑞集團鄭州水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表1。采用河南鞏義恒諾濾料有限公司生產的I級粉煤灰。石英砂由河南省眾邦環?？萍加邢薰咎峁?，篩分后選取粒徑為75～200 μm的部分，技術指標見表2，粒徑分布見表3。再生磚粉由廢棄燒結黏土磚經過破碎、球磨、篩選得到，粒徑為75～200 μm，粒徑分布見表4，測試得到其堅固性指標，5次循環后質量損失為7.2%，符合要求，主要技術指標見表5。采用日本Kuraray公司生產的單絲PVA纖維。增稠劑選用上海臣啟化工科技有限公司生產的HPMC-20型羥丙基甲基纖維素(黏度等級20萬)以及CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑(減水率26.5%)。拌和及養護采用普通自來水。試驗配合比如表6所示，再生磚粉ECC的水膠比變化范圍為0.30～0.39(質量比，下同)，B組與R3組水膠比相同，通過增加減水劑用量來保證其流動度相同。

表1 水泥主要技術指標Table 1 Main technical indicators of cement

表2 石英砂的技術指標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 再生磚粉技術指標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 試驗方法

依據《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)進行再生磚粉ECC坍落度、擴展度、擴展時間(拌合物流動達到圓板500 mm的時間)T500測試，依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行再生磚粉ECC抗折、抗壓強度試驗，四點彎曲試驗方法參考文獻[15]并根據《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》(GB/T 15231—2008)計算再生磚粉ECC彎曲性能指標,單軸拉伸試驗參考徐世烺團隊[3]設計和改進后的方法進行。利用掃描電鏡對石英砂、再生磚粉及單軸拉伸試驗破壞后的試塊進行測試，從微觀角度對相關機理進行探討?？拐蹚姸人柙嚰叽鐬?60 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。試驗采用機械拌和，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) ℃、相對濕度≥95%的養護箱中養護至28 d齡期。

2 結果與討論

2.1 水膠比對再生磚粉ECC工作性能的影響

再生磚粉ECC拌合物工作性能測試結果如表7所示。

表7 再生磚粉ECC拌合物工作性能測試結果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的坍落度和擴展度增大，T500值減小。水膠比為0.30時，拌合物擴展度未能達到500 mm。水膠比小于0.35時，拌合物坍落度和擴展度增長較快；水膠比大于0.35時，坍落度和擴展度增長較慢。水膠比為0.37與0.39時坍落度相同，水膠比為0.39時擴展度大，但測試擴展度時發現拌合物表面有少量泌水。施工時，在滿足坍落度和擴展度基本要求的情況下，應控制單位用水量。

2.2 水膠比對再生磚粉ECC抗折、抗壓強度的影響

再生磚粉ECC抗折、抗壓強度試驗結果如表8所示。

表8 再生磚粉ECC抗折、抗壓強度試驗結果Table 8 Test results of flexural and compressive strength of recycled brick powder ECC

對比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度和抗壓強度，這是由于再生磚粉作為細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，導致硬化的材料內部孔隙增加，從而使強度下降。由表8可見，隨著水膠比的增大，再生磚粉ECC的抗折強度先增大后減小，抗壓強度整體呈下降趨勢。當水膠比為0.37時，再生磚粉ECC抗折強度達到最大值，相對于0.30水膠比時增長了19.3%。水膠比為0.39時抗壓強度最小，相對于0.30水膠比時降低了24.2%。低水膠比時，材料內部的孔隙率較低，相對致密，抗壓強度高，但較低的水膠比不利于纖維分散，易出現結團現象，并且試件開裂后纖維在基體內部沒有發揮出較好的橋聯作用，抗折強度低，延性較差。隨著水膠比的增大，體系內部密實度降低，造成抗壓強度減小，但相對疏松的內部結構加之均勻分散的纖維，使纖維與水泥基體能更好的結合，在一定程度上提高了材料的抗折強度。然而過大的水膠比將降低抗壓強度，同時也削弱了纖維與基體之間的摩阻力，使纖維更容易滑動拔出，從而使材料的抗折強度下降[16]。壓折比可反映材料的柔韌性。由表8可見，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，壓折比最大，水膠比為0.37時，壓折比最小。不同水膠比的材料柔韌性規律為：R4>R3>R5>R2>R1。

2.3 水膠比對再生磚粉ECC彎曲性能的影響

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

再生磚粉ECC四點彎曲試驗的荷載-跨中撓度曲線如圖1所示。不同水膠比時材料彎曲性能指標如表9所示。

由圖1可見，不同水膠比的再生磚粉ECC均表現出良好的應變硬化特征，曲線線形穩定。隨著跨中撓度的增加，荷載均有上下浮動的現象，表明試件在開裂后不斷有新的裂縫產生，呈現多縫開裂狀態。水膠比為0.30時，材料極限強度最大，水膠比為0.39時，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的開裂撓度增大，開裂荷載降低，抗彎強度下降，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開裂強度呈減小趨勢。與水膠比為0.30時的開裂強度相比，水膠比為0.39時的開裂強度下降了56.5%。隨著水膠比的增大，材料開裂撓度整體呈上升趨勢，而開裂強度呈下降趨勢。這是由于在基體開裂之前，纖維尚未參與工作，隨著用水量的增加，基體內部密實度下降使材料開裂強度降低。水膠比為0.35與0.37時，材料開裂強度和開裂撓度較為接近。隨著水膠比的增大，材料的抗彎強度下降，說明用水量的增加使得結構內部疏松，基體強度降低，從而導致抗彎強度下降；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，試件擁有更好的應力傳遞效果，開裂后纖維充分發揮了橋聯作用[17]，材料在服役時會有更為優異的耗能能力。與文獻[11]相似，低水膠比不利于纖維亂向分布和應變硬化特性的呈現，較高的水膠比則會降低ECC的抗拉與抗彎強度、基體間的黏結性能。對比R3、R4、R5組，材料在0.37水膠比時應變硬化特性較好，抗彎強度有小幅上升。

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

2.4 水膠比對再生磚粉ECC單軸拉伸性能的影響

圖2 不同水膠比下再生磚粉ECC的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of recycled bricked powder ECC under different water-binder ratios

再生磚粉ECC單軸拉伸應力-應變曲線如圖2所示。不同水膠比時材料單軸拉伸性能指標如表10所示。

由圖2可見，再生磚粉ECC的單軸拉伸試驗可分為三個階段：①彈性階段，從開始加載到首條裂縫出現之前，此階段內基體與纖維共同承擔拉伸荷載，應力-應變呈線性關系；②應變硬化階段，隨著應變的增加應力有較小的上下浮動，代表著新裂縫不斷產生，隨后應力達到最大值，裂縫達到飽和；③破壞階段，應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，材料均呈現出應變硬化特征，極限應變均大于2%。隨著用水量的增加，試件應變硬化階段更加平緩，荷載上下浮動減小，說明材料更加均勻，裂縫多且細小均勻，可以避免材料內部不均勻導致局部缺陷過大及集中開裂現象的產生。水膠比為0.30時，極限應力最大，水膠比為0.39時，極限應變最大，曲線更加平穩。

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

對比B組與R3組可知，再生磚粉ECC應變硬化特征較普通ECC更為明顯，再生磚粉取代石英砂后材料的開裂應力與極限應力下降，開裂應變與極限應變增大，結合圖3再生磚粉和石英砂的微觀形貌可知，再生磚粉相對于天然石英砂，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，使材料在開裂后纖維能夠充分發揮作用。對比R1～R5組可知，再生磚粉ECC的開裂應力在水膠比為0.30～0.33時有小幅增長，之后隨水膠比的增加而降低，開裂應變隨著水膠比的增加上下波動。水膠比為0.37～0.39時，材料開裂應力急劇下降，裂縫開展較早，材料在低強度、低應力下產生了較大的開裂應變。材料極限應變隨水膠比的增大而增大，極限應力隨水膠比的增大整體呈現下降趨勢。水膠比為0.30、0.33、0.35、0.37、0.39時，極限應力分別較各自開裂應力提升了39.2%、23.2%、20.9%、30.3%、41.1%，應力增幅均超過20.0%。低水膠比時材料的極限應變較低，極限應力較高，纖維容易結團，不利于應力傳遞和應變硬化特性的發揮。較之0.30水膠比，當材料水膠比為0.37時，極限應力下降了22.8%而極限應變增加了72.6%。綜合來看，水膠比為0.37時材料的單軸拉伸性能更優。

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

對水膠比為0.30、0.37、0.39的再生磚粉ECC進行掃描電鏡試驗，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，水膠比為0.30時，材料基體相對致密，纖維與基體黏結緊密，材料開裂后纖維較易被拉斷(圖4(a)中明顯可見斷裂的纖維)，不利于材料應變硬化特性的發揮。水膠比為0.39時，材料密實度有所下降，其內部多余的自由水流失后帶來大量不均勻孔隙，多個孔隙相互貫通形成微裂紋，這些微裂紋發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，試件開裂后纖維更容易滑動拔出，從微觀角度解釋了材料極限應力較小而極限應變較大的現象。

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

3 結 論

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

(2)各組水膠比的再生磚粉ECC抗壓強度均不低于30 MPa，最高可達40 MPa以上，滿足一般工程使用要求；在水膠比為0.37時，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度，使試件提前開裂，但水膠比過小不利于纖維分散從而降低了材料的應變，水膠比過高或過低都不利于材料韌性的提高。

(3)再生磚粉ECC應變硬化特征顯著，且極限應變均大于2%；SEM試驗結果表明水膠比大于0.37時，材料內部會出現較多的孔隙和微裂紋，這些缺陷降低了纖維與基體的黏結力，不利于纖維橋聯作用的發揮。