生態(tài)型超高韌性水泥基復合材料力學性能試驗研究

2021-07-01 03:35:08元成方HarisSetiawan楚留聲程站起李春躍

新型建筑材料 2021年6期

元成方，Haris Setiawan，楚留聲，程站起，李春躍

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州 450001；2.西部綠色建筑國家重點實驗室西安建筑科技大學，陜西西安 710055)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型工程建設項目不斷涌現(xiàn)，對水泥基材料的性能提出了新的挑戰(zhàn)。針對傳統(tǒng)水泥基材料脆性大、抗拉強度低、易開裂等缺點，科研人員研制了以聚乙烯醇纖維增強的超高韌性水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC)。普通ECC 多采用石英砂制備，而當今天然骨料資源不斷減少、能源消耗較大，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，滿足綠色建材發(fā)展的需求，國內(nèi)外學者采用工業(yè)、建筑廢料對石英砂或水泥進行取代，開始了生態(tài)型ECC 的相關研究。現(xiàn)有研究表明，采用尾礦砂[1-3]、赤泥[4]、再生混凝土微粉[5]、廢棄陶瓷微粉[6]取代天然石英砂，或是采用粉煤灰[7-8]、礦渣[9-10]、硅灰[11-12]等取代水泥，均可制備性能良好的生態(tài)型ECC，其部分性能甚至更為優(yōu)異。我國每年由于城市既有建筑拆遷產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，將建筑垃圾中的廢棄燒結磚進行破碎、粉磨處理可制得再生磚粉，本試驗開展再生磚粉對ECC 力學性能的影響研究，具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：河南天瑞集團鄭州水泥有限公司P·O42.5 水泥，比表面積355 m2/kg，主要技術性能見表1；粉煤灰：Ⅰ級，河南鞏義恒諾濾料有限公司，主要化學成分見表2；石英砂：粒徑分布見表3，主要技術性能見表4；再生磚粉：由廢棄燒結黏土磚經(jīng)破碎、篩選、球磨得到，粒徑分布與石英砂相同，主要技術性能見表5；單絲聚乙烯醇(PVA)纖維：日本Kuraray 公司生產(chǎn)，主要技術性能見表6；增稠劑：上海辰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200 Pa·s；聚羧酸高效減水劑：上海辰啟化工科技有限公司生產(chǎn)的CQJ-JSS 型聚羧酸高效減水劑，減水率26.5%，含固量25.9%；水：自來水。

表1 水泥的主要技術性能

表2 粉煤灰的主要化學成分 %

表3 石英砂的粒徑分布

表4 石英砂的主要技術性能

表5 再生磚細骨料的材性指標

表6 PVA 纖維的主要技術性能

1.2 試驗配合比

采用再生磚粉等質(zhì)量取代石英砂，取代率分別為0、25%、50%、75%、100%，由于再生磚粉吸水率較大，易造成拌合物的實際水膠比發(fā)生改變，因而在開展試驗時需考慮附加水，以保持水膠比的穩(wěn)定，附加水用量為再生磚粉摻量與其吸水率的乘積。ECC 配合比如表7 所示。

表7 ECC 配合比 kg/m3

1.3 成型與養(yǎng)護

先將攪拌機筒體及攪拌臂潤濕，然后將稱量好的水泥、粉煤灰、集料依次投入攪拌機中，攪拌2 min；將提前混合好的減水劑與水倒入攪拌機，攪拌2 min；開動攪拌機，緩慢均勻地加入纖維(2 min 內(nèi)加完)，待攪拌機停止后，加入增稠劑，繼續(xù)攪拌4 min；將攪拌均勻的拌合物填入鋼模，首先填入1/2，放置于振動臺，振動1 min；以相同方法進行二次填料與振搗，同時觀察成型狀態(tài)，最后將試件表面抹平。澆筑完成的試件表面使用保鮮膜覆蓋，24 h 后拆模，隨即移至標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28 d 齡期，養(yǎng)護條件為溫度(20±2)℃、相對濕度≥95%。

1.4 試驗方法

(1)抗折、抗壓強度試驗：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》，試件尺寸為 40 mm×40× mm160 mm，試驗設備為YAW-300C 型水泥抗折抗壓一體機，試驗加載過程如圖1(a)、圖1(b)所示。

(2)彎曲性能試驗：采用四點彎曲法[見圖1(c)]，試件尺寸為320 mm×100 mm×10 mm，加載設備為濟南東測公司生產(chǎn)的WDW-100 型電子式萬能試驗機，數(shù)據(jù)采集設備由DH3816N 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、LH-S10C 壓力傳感器(量程2 kN)、YWC-50 型應變式位移傳感器(精度0.3%)組成。加載前，先將試件表面打磨平整，后將試件放置在支座上，確保平穩(wěn)、對中；隨后依次放置壓力傳感器、位移傳感器等設備；調(diào)整試驗機電腦端的控制參數(shù)，加載速率為0.2 mm/min，應變采集系統(tǒng)設置為自動記錄，以2 s/次的頻率記錄試驗過程中的跨中撓度和荷載；開啟試驗機進行加載，加載過程中觀察數(shù)據(jù)變化和試件表面裂縫變化，當出現(xiàn)大裂縫或荷載不再增加時停止加載。

圖1 ECC 基體力學性能加載試驗

(3)單軸拉伸性能：加載裝置如圖1(d)所示，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm，加載設備和數(shù)據(jù)采集設備與彎曲試驗相同。首先將試件表面打磨平整，后將裁剪好的碳纖維布用環(huán)氧樹脂貼在試件兩端，多次滾壓，擠除氣泡，保證粘貼牢固，而后在碳纖維布表面再次涂刷環(huán)氧樹脂；將固定位移計的夾具、L 型鐵片粘貼在試件兩側面，將試件放置于試驗加載裝置上；調(diào)整試驗機電腦端控制參數(shù)和應變采集系統(tǒng)參數(shù)，以1 s/次的頻率記錄加載過程中的拉伸變形和荷載。整個加載過程分為2 步：首先對試件進行預拉，當荷載達到破壞荷載的10%～15%時，將加載速率設定為0.1 mm/min，然后繼續(xù)加載。加載過程中觀察數(shù)據(jù)變化以及試件裂縫變化，當出現(xiàn)大裂縫或荷載不再增加時停止加載。

2 試驗結果及分析

2.1 再生磚粉取代率對ECC 抗折與抗壓強度的影響(見表8)

表8 再生磚粉取代率對ECC 抗折與抗壓強度的影響

由表8 可見，再生磚粉取代石英砂后ECC 的抗折、抗壓強度均低于基準組，且隨著取代率的增加總體呈逐漸降低的趨勢。當再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時，ECC 的抗折強度較基準組分別降低了16.4%、23.5%、23.8%、22.8%，抗壓強度較基準組分別降低了3.0%、1.9%、8.2%、9.9%。

2.2 再生磚粉取代率對ECC 彎曲性能的影響

彎曲性能試驗加載初期，薄板試件彎曲并不明顯，且沒有裂縫產(chǎn)生。當達到開裂荷載時，試件受彎區(qū)出現(xiàn)第1 條裂縫，試驗機顯示荷載先下降而后上升，此后荷載波動上升，試件撓度逐漸增大，底部呈現(xiàn)明顯的多縫開裂狀態(tài)(見圖2)。加載后期，試件底面某條裂縫開始擴展增大，最終試件破壞。ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線如圖3 所示。

圖2 試件底部裂縫分布

圖3 四點彎曲試驗試件的荷載-跨中撓度曲線

由圖3 可見，不同再生磚粉取代率下，ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線均表現(xiàn)出顯著的應變硬化特征，試件的開裂荷載、極限荷載在取代率為0 時最大。而當取代率為100%時，試件跨中撓度最大。ECC 試件的整個加載過程可分為4 個階段：第1 階段為彈性階段，即從試件開始加載到開裂荷載時，荷載隨跨中撓度的增加呈線性增長；第2 階段為屈服階段，此時荷載與跨中撓度不再具有線性關系，跨中撓度快速增大，但荷載增加較小；第3 階段為應變硬化階段，此時荷載、跨中撓度同時緩慢增大，直到達到極限荷載；第4 階段則為破壞階段，荷載快速下降，跨中撓度小幅增長，直至試件破壞。

由ECC 試件的荷載-跨中撓度曲線可得到開裂撓度δc、開裂荷載Pc以及極限撓度δu、極限荷載Pu，依據(jù)計算公式可得開裂強度σc、抗彎強度σu，如表9 所示。

表9 ECC 試件的彎曲性能參數(shù)

由表9 可見：

(1)基準組的開裂強度最高，當再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時，生態(tài)型ECC 的開裂強度較基準組分別降低了39.4%、35.6%、42.2%、46.1%。基準組的開裂撓度低于生態(tài)型ECC；取代率為50%時，開裂撓度與基準組接近；取代率100%時，開裂撓度最大，較基準組提高了166.7%。綜上可知，基準組ECC 開裂強度最高、開裂撓度最小；取代率為100%的生態(tài)型ECC 開裂強度最低、開裂撓度最大。試件的開裂強度和開裂撓度與基體強度密切相關，基體強度越高，開裂強度也越高，反之，開裂撓度越大。

(2)隨著再生磚粉取代率的增大，ECC 的抗彎強度先降低后提高；極限撓度在取代率從0 增大到50%時先逐漸減小，當取代率繼續(xù)增大時，ECC 基體的極限撓度逐漸增大，在100%取代時達到最高。再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時，生態(tài)型ECC 的抗彎強度較基準組分別降低了14.1%、20.4%、28.6%、16.7%。隨著取代率的增加，ECC 的極限撓度先減小后增大，在取代率為50%時極限撓度最小，取代率為100%時極限撓度最大，較基準組提高了38.0%。

2.3 再生磚粉取代率對ECC 單軸拉伸性能的影響

單軸拉伸試驗加載初期荷載較小，試件表面無明顯變化。繼續(xù)加載，荷載顯著增大。當達到開裂荷載時，試件表面出現(xiàn)第1 條裂縫，試驗機上顯示荷載先下降而后上升，此后荷載波動增大，試件表面裂縫逐漸增多(見圖4)，拉伸變形不斷增大，加載過程中可聽到基體中纖維拉斷的聲音。加載后期，試件上某條裂縫逐漸變寬，形成貫穿裂縫，直至試件破壞。試件的單軸拉伸應力-應變曲線如圖5 所示。

圖4 單軸拉伸破壞后裂縫分布情況

圖5 單軸拉伸試驗試件的應力-應變曲線

由圖5 可見，單軸拉伸加載過程為3 個階段：第1 階段為彈性階段，基體與纖維共同承擔荷載，基體變形符合胡克定律，直至第1 條裂縫出現(xiàn)，彈性階段結束；第2 階段為應變硬化階段，此時基體的應力和應變同時增大，隨著變形的增大，荷載波動并緩慢上升，在纖維橋連作用下發(fā)生應力傳遞，當未開裂部分的基體達到開裂應力時，新的裂縫產(chǎn)生，應變繼續(xù)增大，裂縫不斷增多，循環(huán)往復，直到應力不再增大，此階段結束；第3 階段為破壞階段，某條裂縫處的界面最為薄弱，隨著加載的進行，該裂縫成為主裂縫，寬度變大，應力減小，直到形成貫穿裂縫，試件斷裂。

由ECC 試件的應力-應變曲線可得到開裂應變εct、開裂應力σct、極限應變εut、極限應力σut，如表 10 所示。

表10 ECC 試件的單軸拉伸性能參數(shù)

由表10 可見：

(1)隨著再生磚粉取代率的增加，試件的開裂應力逐漸減小。當再生磚粉取代率為25%、50%、75%、100%時，ECC 的開裂應力較基準組分別降低了3.6%、16.9%、19.3%、21.1%。取代率為25%～50%時，開裂應力的降幅較大。開裂應變隨再生磚粉取代率的增加整體呈增大趨勢，但取代率50%時，基體開裂撓度與整體變化趨勢不同，出現(xiàn)了下降。基準組開裂應變?yōu)?.067%，取代率為25%、75%、100%時的基體開裂應變均有明顯增加，增幅分別達到47.8%、135.8%、250.7%，而取代率為50%時基體開裂應變與基準組相當。綜上可知，不同取代率下，ECC 開裂應力與開裂應變間有一定的規(guī)律，開裂應力越大，開裂應變越小，但在取代率為50%時，開裂應力和應變同時減小。

(2)隨著再生磚粉取代率的增加，生態(tài)型ECC 的極限應力均小于基準組，取代率為50%時基體的極限應力最小。取代率為25%、50%、75%、100%時，ECC 的極限應力較基準組分別降低了12.3%、42.2%、32.7%、35.2%。隨著再生磚粉取代率的增加，基體的極限應變整體呈增大趨勢，但在取代率為50%時，極限應變與整體變化趨勢不同。取代率為100%時，極限應變最大，為3.301%，較基準組提高了54.9%；而在取代率為50%時，極限應變僅為1.381%。綜上可知，再生磚粉在取代率為50%時，抗拉性能較差，極限應力與極限應變均最小；取代率為100%時基體的拉伸性能最好。