再生微粉混凝土軸壓性能試驗研究

李秀領吳睿郭強

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南250101；3.中建八局第二建設有限公司，山東 濟南250000)

0 引言

隨著建筑行業的快速發展，如何回收、處理和再利用數量龐大的建筑固廢物，已經成為世界各國共同關注的焦點問題[1]。對大量廢棄混凝土進行循環再利用即再生混凝土技術，通常被認為是解決廢棄混凝土問題的最有效措施。再生骨料制備過程中產生約占總質量15%～20%的再生微粉，在實際工程中難以得到應用。由于微粉顆粒較小，漂浮于大氣中會造成嚴重的大氣污染，相比再生骨料，再生微粉的堆積會造成更嚴重環境污染，對人體健康危害也更大，研究再生微粉性能與應用技術，對于資源化利用建筑固廢物具有重要意義。為此，學者們針對再生微粉性能及應用等進行了相關研究[2-6]。XIAO等[7]以再生粉末替代硅酸鹽水泥，研究再生粉末混凝土的力學性能和早期開裂行為，發現再生粉末會對混凝土的力學性能產生不利影響；YU等[8]以再生粉體替代粉煤灰或硅砂，成功研制延性較好的工程水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)；LIU等[9]利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)系統地研究了混凝土-黏土磚再生粉末微觀結構特征、化學組成及活性機理，發現混合粉末中黏土磚比例對再生粉末細度和活性有較大影響，通過控制黏土磚比例制成的再生粉末可用于水泥補充劑。由于再生微粉顆粒粒徑大、形狀不規則、質地疏松，在攪拌過程中需水量明顯大于普通混凝土，導致其力學性能相對較低和工作性能不足。而將纖維應用于再生微粉混凝土可以有效提高其性能[10-15]。

文章針對再生微粉混凝土的軸壓性能進行了試驗研究，以再生微粉取代部分硅酸鹽水泥，將聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纖維、玄武巖纖維分別單摻以及混摻在再生微粉混凝土中，研究水膠比、再生微粉取代率、纖維種類及摻量等因素下再生微粉混凝土的應力-應變關系曲線及彈性模量的變化規律，建立了再生微粉混凝土的本構關系模型。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

(1)膠凝材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級粉煤灰，其基本性能指標見表1。

表1 膠凝材料基本性能指標表

(2)標準砂是由山東青島生產的精制石英砂。

(3)纖維采用玄武巖纖維、PVA纖維，其基本物理性能指標見表2。

表2 纖維材料參數表

(4)再生微粉制備的原料為濟南某建筑工地廢棄混凝土碎塊，經研磨后粒徑＜45μm，滿足Ⅰ級粉末要求。再生微粉的主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，其基本性能指標為密度、含水率和燒失量，其中密度為2.632 kg/m3，含水率為2.1%，燒失量為25.7%。

(5)減水劑采用聚羧酸型高效減水劑；水為城市自來水。

1.2 試驗配合比

為研究纖維摻量、再生微粉摻量、水膠比對再生微粉混凝土力學性能的影響，共設計了8組不同配合比的再生微粉混凝土試件，見表3。其中，組別中a、b、c分別代表水膠比0.24、0.28、0.32；0、25、35、45分別代表再生微粉取代率0、25%、35%、45%；P代表單摻1.9%PVA纖維，B代表單摻1.9%玄武巖纖維，BP代表復摻0.2%玄武巖纖維和1.7%PVA纖維。

表3 試驗配合比設計表

1.3 試驗方法及加載制度

按照8組不同配合比制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件，每組6個，其中3個用于棱柱體抗壓試驗，另外3個用于彈性模量試驗。將整個試件澆筑于模具后，抹面加蓋保鮮膜，養護24 h后拆模，再放入養護箱中養護28 d。

采用SHT4605 SANS電液伺服萬能試驗機進行軸壓試驗，利用BLR-1型力傳感器量測荷載、ZS1100-DT40線性位移傳感器量測變形，如圖1所示。試件放置于試驗機下壓板上時需嚴格調平對中，正式加載前，預壓3次以調節試件位置對中。采用位移控制，以0.5 mm/min的速度均勻加載至試件破壞。

圖1 軸壓試驗裝置圖

軸心抗壓強度fc由式(1)表示為

式中F為試件破壞荷載，kN；A為試件承壓面積，m2。

彈性模量試驗時，在試件豎向中軸線處兩對稱面上縱向粘貼50 mm混凝土應變片以測試應變。試件完成對中后進行加載，加載制度如圖2所示。

圖2 試驗加載制度圖

彈性模量Em由式(2)表示為

式中Pa為控制荷載，即0.4fc，kN；P0為初始荷載，取值0.8 kN；εa為控制荷載下的應變；ε0為初始荷載下的應變。

2 試驗結果及分析

2.1 軸心抗壓強度

不同組別a-45-BP、b-45-BP、c-45-BP、b-0-BP、b-25-BP、b-35-BP、b-45-B、b-45-P的棱柱體抗壓強度fc分別為38.83、30.21、27.60、32.90、42.80、35.47、36.2、23.07 MPa。

2.1.1 破壞現象

部分試件破壞形態如圖3所示。試驗加載初期，試件表面沒有明顯裂縫，臨近峰值荷載時，試件中部出現一條或數條細微長裂縫，當加載至峰值荷載時，裂縫寬度發展較為迅速，試件上部混凝土外表皮脫落，繼續加載伴隨有纖維撕裂聲音，試件裂縫處已出現纖維拔斷或拔出現象，此時裂縫發展較緩慢，這是由于混凝土中錯雜排列的纖維抑制了裂縫的發展，改善了試件的延性，破壞時試件整體形狀保持較為完整。

圖3 試件破壞形態圖

2.1.2 水膠比對軸心抗壓強度影響

水膠比對軸心抗壓強度影響如圖4所示，纖維種類、摻量及再生微粉取代率相同時，隨著水膠比增大，軸心抗壓強度呈下降趨勢，水膠比為0.28、0.32比0.24時的軸心抗壓強度分別降低約22.20%、28.92%。水膠比對混凝土強度影響并不是線性變化，如水膠比為0.28時的結果比0.24時下降較快，而其值為0.32時卻下降較慢。

圖4 水膠比對軸心抗壓強度影響圖

2.1.3 再生微粉取代率對軸心抗壓強度影響

再生微粉取代率對軸心抗壓強度的影響如圖5所示，不摻加再生微粉時，混凝土軸心抗壓強度達到32.9 MPa；當再生微粉取代25%水泥時，軸心抗壓強度達到42.8 MPa，比不摻時提高了30.09%；35%、45%再生微粉取代率下軸心抗壓強度與25%時相比分別降低了17.13%、29.42%。因此，當再生微粉取代率≤25%時，再生微粉對混凝土強度具有增強作用。這主要是因為再生微粉本身堿性物質含量相對比較高，在堿性環境中，再生微粉中粒徑較小顆粒發生的火山灰反應會生成C-S-H凝膠體，其可以填充混凝土中的孔隙，改善了混凝土孔結構；再生微粉中Ca(OH)2在二次水化過程中會被慢慢消耗掉，降低了Ca(OH)2含量，有利于混凝土軸心抗壓強度中后期發展；再生微粉中不具有活性的顆粒可以作為微集料，在混凝土中起到填充水泥漿作用，對混凝土強度具有促進作用。當再生微粉取代率＞35%時，再生微粉會對混凝土強度造成不利影響，這是由于再生微粉顆粒形狀較差，在一定流動性下需水量增加，從而導致混凝土強度降低；再生微粉取代率提高，相應的混凝土中水泥含量減少，導致混凝土強度也隨之降低。

圖5 再生微粉取代率對軸心抗壓強度影響圖

2.1.4 纖維種類及摻量對軸心抗壓強度影響

纖維種類及摻量對軸心抗壓強度的影響如圖6所示，單摻1.9%PVA纖維時，再生微粉混凝土軸心抗壓強度僅有23.07 MPa；復摻0.2%玄武巖纖維和1.7%PVA纖維時，軸心抗壓強度提高到30.21 MPa；單摻1.9%玄武巖纖維時的軸心抗壓強度最高，達到了36.20 MPa。隨著玄武巖纖維摻量增加，軸心抗壓強度也隨之增大，其中復摻0.2%玄武巖纖維使強度提高了30.95%，而單摻1.9%玄武巖纖維使強度提高了56.91%。因此，在一定范圍內摻加玄武巖纖維，對再生微粉混凝土強度具有促進作用。這是因為摩擦系數較高的玄武巖纖維在混凝土中均勻分布，形成良好的纖維-水泥基網格結構，增大了骨料與骨料之間的咬合力，使得試件在承受荷載時共同受力，并且亂向的網格結構延緩了內部裂縫發展，對混凝土起到增韌補強作用，隨著纖維摻量提高，玄武巖纖維對混凝土內部網格結構填補更充分，增強效果更明顯。而摻加PVA纖維導致混凝土強度下降，且摻量越高，強度越低。這是因為PVA纖維本身具有親水性，而再生微粉也具有良好吸水性能，在攪拌過程中PVA纖維和再生微粉混雜在一起會導致混凝土內部結構缺陷產生的概率增大，尤其當PVA纖維含量過高時，內部結構缺陷所帶來的不利影響大于其對再生微粉混凝土韌性的提高，摻加PVA纖維反而降低混凝土強度。

圖6 纖維種類及摻量對軸心抗壓強度的影響圖

2.2 應力-應變曲線

棱柱體試件應力-應變曲線是分析混凝土承載力和變形能力的重要依據。圖7為再生微粉混凝土棱柱體試件受壓應力-應變曲線，每組包含3個試件。由圖7可知，再生微粉混凝土應力-應變曲線與普通混凝土相似，可分為4個階段。

圖7 再生微粉混凝土應力-應變曲線圖

第Ⅰ階段:彈性上升階段。該階段應力小于峰值應力的50%，可以看作是理想線彈性階段，原因是混凝土內部雖然有微裂縫產生，但仍處于相對穩定狀態，混凝土開裂所釋放的能量也較小，此時玄武巖纖維和PVA纖維沒有發揮作用。

第Ⅱ階段:彈塑性階段。應力約為峰值應力的80%，該階段隨著荷載增加有細密裂縫產生，此時試件出現塑性變形，同時產生較大軸向變形，如果停止加載，裂縫也不再發展。

第Ⅲ階段:裂縫迅速發展階段。荷載增大至峰值應力的90%～100%。此時試件內部出現貫通裂縫，隨著應力增大至峰值應力，裂縫迅速擴展，為裂縫不穩定發展階段。

第IV階段:破壞階段。此階段達到峰值應力，混凝土內部裂縫繼續擴展形成貫通裂縫，試件承受荷載降低，應力開始下降，應變繼續增大。曲線向下彎曲且逐漸平緩，這是由于纖維橋聯作用而抑制了裂縫的持續開展。

2.2.1 峰值應變和極限應變

表4為再生微粉混凝土試件的峰值應變和極限應變試驗值，取每組3個試件的平均值，其中極限應變取50%峰值應力所對應的應變值。峰值應變反映了混凝土試件變形能力，峰值應變越大，說明試件變形能力越好。由表4可以看出，再生微粉混凝土峰值應變均＞0.005，超過了普通混凝土，其表現出高延性、高變形的能力特點。

表4 不同配合比下再生微粉混凝土峰值應變和極限應變表

2.2.2 水膠比

由圖7(a)～(c)及表4可以看出，再生微粉混凝土的峰值應變和極限應變隨水膠比增大而增大。其中水膠比為0.28、0.32時的峰值應變較0.24時分別上升了7.95%、9.27%，極限應變分別上升了3.84%、20.77%，說明水膠比增大對混凝土延性具有良好改善效果。這是因為水膠比增大，導致混凝土內部缺陷和界面裂縫增多，易形成貫穿裂縫，導致峰值應力降低。而水膠比越小，膠凝體含量越高，填補了再生微粉混凝土本身含有的較多孔隙結構，臨近破壞時，試件承受荷載越大，峰值應變越低。

2.2.3 再生微粉取代率

圖7(d)、(e)、(f)、(b)中再生微粉取代率分別為0、25%、35%、45%，通過圖7及表4可以看出，再生微粉取代率從0到35%時，峰值應變和極限應變均減小，而取代率為25%、35%時，試件的峰值應變較不摻再生微粉時分別降低了16.21%、20.95%，極限應變分別降低了27.05%、31.69%；當再生微粉取代率達到45%時，峰值應變和極限應變比35%時分別提高了7.98%、9.94%。

上述結果表明，再生微粉取代率從0增大至35%時，試件延性是逐漸降低的，但當再生微粉摻量達到45%時，延性又有所改善。這是由于再生微粉粒徑較小且形狀較差，當再生微粉取代率較小時，混凝土中存在較多孔隙，延性一定程度降低；當再生微粉摻量達到45%時，水泥含量減少導致混凝土強度降低，再生微粉在混凝土內部填充孔隙形成更加致密的內部結構，一定程度上提高了混凝土延性。

2.2.4 纖維種類及摻量

圖7(b)、(g)、(h)中分別復摻0.2%玄武巖纖維和1.7%PVA纖維、單摻1.9%玄武巖纖維、單摻1.9%PVA纖維。由表4可以看出，單摻玄武巖纖維及復摻纖維時峰值應變相差不大，而單摻PVA纖維時峰值應變降低了20.71%；單摻PVA纖維時極限應變大于復摻纖維和單摻玄武巖纖維，分別提高了9.67%、11.16%。

因此，單摻纖維時峰值應變或極限應變均有不同程度地降低，而復摻纖維可最大化發揮纖維橋聯作用，主要原因是單摻纖維時摻量過高，攪拌過程中易結團，導致流動性降低，試件內部出現大量孔隙，內部缺陷增多抵消了纖維橋聯的有利效應，使應變不同程度的降低；而復摻兩種纖維，既能發揮玄武巖纖維對峰值應變的提升效果，又能發揮PVA纖維對極限應變的增強效果，同時也能降低工程成本。

2.3 彈性模量

彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀角度來說，是衡量材料抵抗變形能力大小的尺度。不同組別a-45-BP、b-45-BP、c-45-BP、b-0-BP、b-25-BP、b-35-BP、b-45-B、b-45-P的彈性模量Em分別為32.52、22.51、16.20、17.60、34.65、25.98、33.18、17.59 GPa，表明水膠比、再生微粉取代率、纖維種類及摻量對其具有重要影響。

2.3.1 水膠比的影響

與普通混凝土類似，隨水膠比的增大，彈性模量逐漸減小。相較于水膠比為0.24時，水膠比為0.28、0.32時的彈性模量分別降低了30.78%、50.18%。水膠比的增大導致混凝土的內部結構不夠緊密，裂縫發展較快，變形較大，從而導致再生微粉混凝土的彈性模量降低。

2.3.2 再生微粉取代率的影響

再生微粉取代率從0到25%時，彈性模量逐漸增大，而取代率為25%時的彈性模量較不摻再生微粉時提升了96.88%，這是因為初期摻加的再生微粉為集料、水泥、纖維三者之間的密實化提供了有利條件，形成致密接觸區，增強了混凝土內部的粘結力；當再生微粉取代率從25%到45%時，彈性模量呈下降趨勢，而35%、45%時的彈性模量較25%時分別降低了25.02%、35.04%，這是由于再生微粉摻量過多，混凝土中水泥的含量減少，內部結構變得疏松，加速了混凝土開裂，導致彈性模量降低。

2.3.3 纖維種類及摻量的影響

單摻1.9%PVA纖維時，彈性模量最低，而復摻兩種纖維時，彈性模量提高幅度達27.97%，而單摻1.9%玄武巖纖維時的彈性模量有較大的提升，其提高幅度可達88.63%。隨玄武巖纖維摻量地提升，混凝土的彈性模量也隨之提高。過多摻入PVA纖維會使混凝土的內部結構排列錯亂，在纖維-水泥基界面處產生眾多微裂縫，導致彈性模量降低；而玄武巖的纖維長度較大，與混凝土接觸面更大，在混凝土受到壓力作用時纖維的單位面積應力更小，摻入適量玄武巖纖維后，纖維與混凝土在受力時共同消耗能量，對混凝土表面與內部應力梯度起到了削弱作用，從而改善了混凝土的彈性變形能力，提高了混凝土的彈性模量。

3 再生微粉混凝土的本構方程

為進一步認識和應用再生微粉混凝土應力-應變規律及其與再生微粉取代率的關系，選取取代率為0、25%、35%、45%的應力-應變曲線進行無量綱化處理，4組數據分別取b-0-BP-3、b-25-BP-2、b-35-BP-1和b-45-BP-2的對應數值。以σ/σ0和ε/ε0為坐標的無量綱化應力-應變曲線如圖8所示，其中σ0為峰值應力，即軸心抗壓強度；ε0為峰值應變。

圖8 無量綱化的再生微粉混凝土應力-應變曲線圖

如圖8所示，無量綱化的再生微粉混凝土應力-應變曲線與普通混凝土基本相似，采用過鎮海[16]提出的普通混凝土的單軸受壓本構方程進行擬合，其中x為橫坐標變量ε/ε0，y為縱坐標變量σ/σ0。再生微粉混凝土的本構方程由式(3)表示為

式中a、b分別為控制曲線上升段和下降段的方程參數。

將試驗數據用最小二乘法計算擬合，系數a和b的值見表5，相應的擬合精度均＞0.9。參數a、b與再生微粉取代率x的關系式由式(4)表示為

表5 試驗數據擬合參數結果表

為了驗證式(3)和(4)的適用性，分別對再生微粉在不同取代率下的應力-應變曲線進行擬合，并與試驗曲線對比，如圖9所示。擬合曲線與試驗曲線吻合良好，這表明由式(3)和(4)所描述的全曲線方程可以作為再生微粉混凝土單軸受壓的本構模型，適用于再生微粉混凝土結構的非線性分析。

圖9 不同摻量再生微粉的應力-應變擬合曲線與試驗曲線對比圖

4 結論

由上述研究可知:

(1)再生微粉混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量隨水膠比的提高而降低；峰值應變和極限應變隨水膠比的提高而增加。水膠比增大促使混凝土內部結構孔隙及微裂縫增多，對混凝土強度和變形能力有較大影響。

(2)再生微粉取代率從0到45%的軸心抗壓強度和彈性模量先增大后減小，而峰值應變、極限應變先減小后增大。再生微粉初期對混凝土的內部孔隙起到填充效果，但當摻入過量時，由于水泥含量過少，大幅降低混凝土的強度和變形能力。綜合來看，再生微粉取代率在45%時，綠色環保作用明顯，也滿足工程應用要求。

(3)單摻PVA纖維對再生微粉混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均有不利影響，單摻玄武巖纖維、復摻玄武巖纖維和PVA纖維對軸心抗壓強度和彈性模量均有增強作用；綜合來看，復摻纖維更能發揮纖維對再生微粉混凝土峰值應變和極限應變的增強效果。

(4)建立了再生微粉混凝土的本構關系方程，為下一步再生微粉混凝土結構非線性分析奠定了基礎。