不同養(yǎng)護條件下再生磚粉超高韌性混凝土的力學性能

陳 陽 戚國峰 王孟南 肖文西

1鄭州大學土木工程學院（450001）2鄭州共圖建設工程檢測有限公司（450001）

0 引言

隨著我國城市化的深入推進和基礎建設的快速發(fā)展，每年產生的建筑垃圾已占城市垃圾總量的30%～40%[1]，我國建筑垃圾的綜合利用率為5%[2]，由此帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。將建筑垃圾中體量最大的混凝土和磚進行資源化利用是解決這一問題的重要途徑[3]。高韌性纖維增強水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC）是指基于微觀力學和斷裂力學對纖維、基體和界面進行設計、通過纖維增強的復合材料[4-5]。文章設計制備的再生磚粉超高韌性混凝土（Recycled Brick Powder Engineered Cementitious Composites，簡稱RBP-ECC）是在傳統(tǒng)天然材料ECC的基礎上，將原材料中的石英砂用廢棄燒結磚粉取代后制備得到的新型水泥基復合材料。

為滿足工程設計的要求，對結構混凝土進行養(yǎng)護是重要的[6]?；炷琉B(yǎng)護是為了使水泥充分水化，從而加速混凝土硬化，使其能夠在預定時間內達到設計強度[7]。研究人員開展了養(yǎng)護條件對ECC材料力學性能[8-12]，彎曲性能[13-14]及單軸拉伸性能[15]影響的試驗研究。從已有研究報道來看，不同的養(yǎng)護機制對ECC材料物理力學性能有很大影響，選擇合理的養(yǎng)護方式可使ECC材料強度提高1～2倍。因此，不同養(yǎng)護條件下的再生磚粉超高韌性混凝土力學具有較高的研究價值，對于此類材料的基礎研究和工程應用具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

采用河南天瑞集團鄭州水泥有限公司生產的P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥；采用河南省眾邦環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑?0～120目石英砂；采用河南鞏義恒諾濾料有限公司I級粉煤灰；再生磚粉由廢棄燒結黏土磚經(jīng)過破碎、篩選、球磨得到，廢棄黏土磚取自于城市拆遷房屋，抗壓強度為MU10-MU25，再生磚粉的粒徑為80～120目，材性指標見表1；采用日本Kuraray公司生產的單絲聚乙烯醇纖維，主要技術指標見表2；增稠劑為上海辰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；減水劑為上海辰啟化工科技有限公司生產的CQJ-JSS型聚羧酸高效減水劑，減水率26.5%。

表1 再生磚粉材性指標

表2 PVA纖維技術指標

1.2 配合比

試驗設計了基準ECC（Benchmark group，簡稱BG），在此基礎上用磚粉代替石英砂，設計制備了再生磚粉ECC（Recycled brick powder group，簡稱RBPG），研究分析不同養(yǎng)護條件對再生磚粉ECC力學性能的影響。具體配合比見表3。

表3 ECC配合比（kg·m-3）

1.3 試驗制作與養(yǎng)護

采用行星式攪拌機拌和ECC，振動臺振實，抹平表面，試件用保鮮膜覆蓋，24 h后拆模。參考國內外相關文獻以及現(xiàn)有試驗條件，試件尺寸與數(shù)量分別為：抗折抗壓試驗試件160 mm×40 mm×40 mm，共3組，每組3塊；彎曲試驗試件320 mm×10 mm×10 mm共3組，每組3塊；單軸拉伸試驗試件280 mm×40 mm×15 mm，共3組，每組3塊。養(yǎng)護方法分別為:①標準養(yǎng)護（Standard Curing，簡稱SC）:將試件放置于標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度（20±2）℃、濕度≥95%，養(yǎng)護至28 d齡期（如圖1（a）所示）；②自然養(yǎng)護（Natural Curing，簡稱NC）:將試件用塑料膜覆蓋放于室內養(yǎng)護，溫度（25±3）℃、濕度45%±5%，定時向試件表面噴灑自來水，養(yǎng)護至28 d齡期（如圖1（b）所示）；③氫氧化鈣溶液養(yǎng)護（Calcium Hydroxide Solution Curing，簡稱CHC）:將試件放置于飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護，養(yǎng)護至28 d齡期（如圖1（c）所示）。

圖1 材料養(yǎng)護方法

1.4 試驗方法

抗折、抗壓強度試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）進行，采用YAW-300C型水泥抗折抗壓一體試驗機。

采用四點彎曲法測試材料的彎曲性能。加載設備為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、YWC-50型應變式位移傳感器組成。通過四點彎曲試驗可得到彎曲荷載-跨中撓度曲線，在曲線中可獲得開裂荷載Pc和開裂撓度δc、極限荷載Pu與極限撓度δu。依據(jù)《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》（GB/T 15231—2008）計算開裂強度σc、極限抗彎強度σu。

單軸拉伸試驗的加載設備為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-S05A壓力傳感器、YWC-30型應變式位移傳感器組成。根據(jù)單軸拉伸試驗得到的拉伸變形值與荷載，計算并繪制單軸拉伸試驗的應力-應變曲線，同時可得到開裂應力σct、開裂應變εct、極限抗拉強度σut、極限拉應變εut。

2 試驗結果與分析

2.1 養(yǎng)護方法對材料抗折、抗壓性能的影響

不同養(yǎng)護條件下的材料抗折、抗壓強度試驗結果如圖2所示，壓折比如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護條件下的材料壓折比

由圖2可見，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的抗折強度分別為16.5 MPa、9.8 MPa和14 MPa，大小關系為:SC＞CHC＞NC。標準養(yǎng)護條件下，材料的抗折強度最高，自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下材料抗折強度分別較標準養(yǎng)護時降低了40.6%和15.2%?；炷恋目拐蹚姸扔绊懸蛩貫榛w強度和纖維的橋聯(lián)作用。自然養(yǎng)護時，結構內部孔隙較多，密實度低，基體強度以及纖維的橋聯(lián)作用較低；溶液養(yǎng)護時，基體強度高，在抗折試驗時，底部出現(xiàn)裂縫時應力較大，纖維橋聯(lián)應力相對較低，導致抗折強度也不高[16]。

圖2 不同養(yǎng)護條件下的材料抗折、抗壓強度

標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的抗壓強度分別為33.7 MPa、32.5 MPa和41.0 MPa，大小關系為:CHC＞SC＞NC。較之標準養(yǎng)護，自然養(yǎng)護條件下的材料抗壓強度降低了3.6%，而溶液養(yǎng)護條件下的材料抗壓強度提高了21.7%。溶液養(yǎng)護條件下，材料的抗壓強度最高。水泥基復合材料中的粉煤灰是利用水泥水化反應的產物Ca（OH）2進行反應，需要溫度、pH值對其進行活性激發(fā)，在飽和氫氧化鈣溶液中，減少了反應產物Ca（OH）2的析出，提供了較為穩(wěn)定的堿性環(huán)境，促進粉煤灰的活性激發(fā)以及反應進行，降低了孔隙率，抗壓強度增大[17]。

由圖3可見，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的壓折比分別為2.04、3.35、2.92，大小關系為NC＞CHC＞SC，標準養(yǎng)護條件下，材料的壓折比最小。依據(jù)壓折比對材料柔韌性的影響，不同養(yǎng)護條件下材料韌性關系為:SC＞CHC＞NC，標準養(yǎng)護條件下材料的柔韌性最好。

2.2 養(yǎng)護方法對材料彎曲性能的影響

不同養(yǎng)護條件下的試件荷載-跨中撓度曲線如圖4所示，通過荷載-跨中撓度曲線，可計算得到材料的開裂強度、開裂撓度、抗彎強度和極限撓度。材料強度指標如圖5所示，撓度指標如圖6所示。

圖4 不同養(yǎng)護條件下的荷載-跨中撓度曲線

圖5 不同養(yǎng)護條件下的強度指標

圖6 不同養(yǎng)護條件下的撓度指標

由圖4可見，不同養(yǎng)護條件下，材料的荷載-跨中撓度曲線均呈現(xiàn)出應變硬化特征，跨中撓度均大于30 mm，采用標準養(yǎng)護得到的試驗曲線較自然養(yǎng)護、溶液養(yǎng)護得到的曲線更加穩(wěn)定。

由圖5可見，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的開裂強度分別為3.018 MPa、3.012 MPa、3.594 MPa，大小關系為:CHC＞SC＞NC。標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的抗彎強度分別為7.602 MPa、6.660 MPa、7.494 MPa，大小關系為:SC＞CHC＞NC。兩個強度指標呈現(xiàn)不同規(guī)律，這是因為開裂強度與基體強度有關，抗彎強度則與水泥基材料復合后的性能即基體強度以及纖維橋聯(lián)作用有關。三種養(yǎng)護條件下，材料抗彎強度較開裂強度均有明顯提升，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、溶液養(yǎng)護分別提升了151.8%、121.1%、18.5%。

由圖6可見，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的開裂撓度分別為0.976 mm、1.205 mm、0.488 mm，大小關系為:NC＞SC＞CHC。標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的極限撓度分別為38.490 mm、31.585 mm、34.394 mm，大小關系為:SC＞CHC＞NC。三種養(yǎng)護條件下，極限撓度均有較好的提升，但開裂撓度與極限撓度也呈現(xiàn)不同規(guī)律。這是因為開裂撓度受基體強度影響，基體強度越高，開裂強度越大，裂縫發(fā)生時撓度較小。極限撓度則是對復合材料彎曲性能的體現(xiàn)，在相同條件下，彎曲性能越好，材料的極限撓度越大。

2.3 養(yǎng)護條件對再生磚微粉ECC拉伸性能的影響

不同養(yǎng)護條件下材料單軸拉伸試驗得到的應力-應變曲線如圖7所示。根據(jù)應力-應變曲線，可計算得到材料的開裂應力、開裂應變、極限應力和極限應變。材料應力指標如圖8所示，材料應變指標如圖9所示。

圖9 不同養(yǎng)護條件下的應變指標

由圖7可見，不同養(yǎng)護條件下，材料單軸拉伸試驗應力-應變曲線均呈現(xiàn)出一定的應變硬化特征。

圖7 不同養(yǎng)護條件下的應力-應變曲線

由圖8可見，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的開裂應力分別為1.792 MPa、1.704 MPa、1.957 MPa，大小關系為:CHC＞SC＞NC。材料的極限應力分別為2.168 MPa、2.020 MPa、2.120 MPa，大小關系為:SC＞CHC＞NC，與開裂應力的規(guī)律不同。三種養(yǎng)護條件下，材料極限應力較開裂應力均有一定的提高，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、溶液養(yǎng)護下分別提升了20.9%、8.3%、18.5%，標準養(yǎng)護條件下應力增加效果更好。

圖8 不同養(yǎng)護條件下的應力指標

由圖9可知，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和溶液養(yǎng)護條件下，材料的開裂應變分別為0.235%、0.141%、0.323%，大小關系為:CHC＞SC＞NC。材料的極限應變分別為3.301%、1.644%、1.445%，大小關系為:SC＞NC＞CHC。三種養(yǎng)護條件下，材料的極限應變較開裂撓度均有較好的提升，標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、溶液養(yǎng)護下分別提升了13.05倍、10.66倍、3.47倍。三種養(yǎng)護條件下材料的極限應變差距較大，標準養(yǎng)護下極限應變最大，試件開裂時間最晚。

單軸拉伸極限應變體現(xiàn)了纖維橋聯(lián)作用對纖維增強復合材料性能的影響。溶液養(yǎng)護基體強度高，開裂應力大，橋聯(lián)應力相對較小，對裂縫開展后控制能力較低，極限應變較??；自然養(yǎng)護時，基體密實度較差，雖基體強度較低，但基體內易產生薄弱面，導致極限應變較低[18]。

3 結論

利用廢棄燒結磚制備再生磚粉，取代傳統(tǒng)天然材料ECC中的石英砂制備超高韌性混凝土。研究分析不同養(yǎng)護條件對再生磚粉超高韌性混凝土的力學性能的影響，主要結論如下:

1）標準養(yǎng)護條件下，RBP-ECC抗折強度最高；溶液養(yǎng)護條件下，RBP-ECC抗壓強度最高；標準養(yǎng)護條件下，RBP-ECC壓折比最小。不同養(yǎng)護條件下材料柔韌性關系為：SC＞CHC＞NC。

2）溶液養(yǎng)護時，RBP-ECC受彎開裂強度最高，標準養(yǎng)護時，RBP-ECC抗彎強度最高；自然養(yǎng)護時，RBP-ECC受彎開裂撓度最大，標準養(yǎng)護時，RBP-ECC受彎極限撓度最大。綜合考慮RBP-ECC的強度指標和撓度指標，三種養(yǎng)護條件下試件均展現(xiàn)出較好的增強增韌效果，從強度增加以及彎曲極限撓度評定，養(yǎng)護效果優(yōu)異關系為:SC＞CHC＞NC。

3）溶液養(yǎng)護條件下，RBP-ECC受拉開裂應力和開裂應變最大，而在標準養(yǎng)護條件下，RBP-ECC極限拉應力和極限拉應變最大。綜合考慮不同養(yǎng)護條件下應力指標和開裂指標，標準養(yǎng)護下試件拉伸性能整體優(yōu)于自然養(yǎng)護、溶液養(yǎng)護，養(yǎng)護效果優(yōu)異關系為:SC＞NC＞CHC。