粉煤灰摻量對再生微粉ECC 力學性能的影響

涂志欽 吳偉軍 陳世佳 徐仕文 元成方

1上海公路橋梁（集團）有限公司（200433） 2 鄭州大學土木工程學院（450001）

隨著我國城市化發展、新農村建設的持續深入，建筑拆遷與舊房改造等產生的建筑廢棄物日益增加，廢棄物的堆放不僅會造成土地資源的浪費，還會產生環境污染[1]。將建筑廢棄物進行回收和資源化利用是解決這一問題的重要途徑[2]。超高韌性水泥基復合材料（簡稱ECC）是一種具有高韌性和多縫開裂特征的新型纖維增強水泥基復合材料，能提高工程結構的延性和裂縫控制能力，對改善結構力學性能與耐久性能具有重要作用，因而越來越廣泛地應用于實際工程中[3]。將廢棄燒結磚通過破碎、球磨、篩分后的再生微粉取代ECC 中成本較高的磨細石英砂制備再生微粉ECC，不僅能實現建筑廢棄物資源化利用還可降低材料成本。粉煤灰等礦物摻合料不僅能改善纖維與基體界面間黏結性能、縮小斷裂面間的結構差異，提高材料韌性，還可以降低混凝土生產成本，減少廢物排放對環境的污染。目前已有不少學者研究了粉煤灰對ECC 性能的影響，包括粉煤灰摻量對ECC 力學性能[4-6]，耐久性能[7-9]和收縮性能[10-11]等方面的影響。文章將進一步研究粉煤灰摻量對再生微粉ECC 力學性能的影響，為推動再生微粉ECC 的研究與應用提供技術依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗采用河南天瑞集團鄭州水泥有限公司P·O 42.5 的普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1；河南鞏義恒諾濾料有限公司I 級粉煤灰，主要成分見表2；再生微粉由廢棄燒結黏土磚經破碎、篩選、球磨得到，粒徑為80-120 目，粒徑分布與石英砂相同，材性指標見表3；采用日本Kuraray 公司生產的單絲聚乙烯醇纖維（Polyvinyl alcohol Fiber，簡稱PVA 纖維），主要技術指標見表4；采用上海辰啟化工科技有限公司生產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%，含固量25.9%）；拌合及養護用水為普通自來水。

表1 水泥主要技術指標

表2 粉煤灰的主要成分

表3 再生微粉的材性指標

表4 PVA 纖維的技術指標

1.2 配合比

再生微粉ECC 的配合比見表5。

表5 不同影響因素的再生微粉ECC 配合比

1.3 成型與養護

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，待攪拌機停止后，加入增稠劑，繼續攪拌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，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 小時后拆模，隨即移至標準養護室中養護至28 d 齡期。

1.4 試驗方法

抗折、抗壓強度試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》（GB/T 17671—1999），試件尺寸為160 mm ×40 mm ×40 mm， 試 驗 設 備 采 用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；彎曲性能試驗采用四點彎曲法（如圖1（c）所示），試件尺寸為320 mm×100 mm×10 mm，加載設備為濟南東測公司生產的WDW-100 型電子式萬能試驗機，數據采集設備由DH3816N 靜態數據采集儀、LH-S10C 壓力傳感器（量程2KN）、YWC-50 型應變式位移傳感器（精度3‰）組成，加載速率0.2 mm/min；單軸拉伸試驗加載如圖1（d）所示，試件尺寸為280 mm×40 mm×15 mm，加載設備和數據采集設備與彎曲試驗相同。

圖1 ECC 基體力學性能試驗加載

2 試驗結果及分析

2.1 粉煤灰摻量對再生微粉ECC 抗折及抗壓性能的影響

不同粉煤灰摻量時，再生微粉ECC 材料的抗壓、抗折性能試驗結果見表6。

表6 再生微粉ECC 抗壓、抗折強度試驗結果

由表6 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，材料抗折強度先下降后上升，粉煤灰摻量30%時抗折強度最大，50%摻量時抗折強度最低，60%粉煤灰摻量抗折強度有所提升但仍低于30%粉煤灰摻量的抗折強度。隨著粉煤灰在膠凝材料中占比增加，材料抗壓強度整體呈下降趨勢。當粉煤灰摻量為30%時，抗壓強度最大，當摻量為60%時，抗壓強度最小。由壓折比結果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，壓折比先增大后減小，粉煤灰摻量50%時壓折比最大，粉煤灰摻量60%時，壓折比最小，從壓折比的變化規律可以得到不同粉煤灰摻量下的材料柔韌性排序:A5＞A1＞A2＞A3＞A4。

2.2 粉煤灰摻量對再生微粉ECC 彎曲性能的影響

對不同粉煤灰摻量下再生微粉ECC 進行四點彎曲試驗得到的荷載- 跨中撓度曲線如圖2 所示，彎曲性能指標見表7。

表7 不同粉煤灰摻量下的材料彎曲性能指標

圖2 不同粉煤灰摻量下的荷載- 跨中撓度曲線

由圖2 可知，粉煤灰摻量在30%～60%時，不同粉煤灰摻量下的再生微粉ECC 的極限撓度均不低于30 mm，表現出良好的應變硬化特征[12]。

由表6 可知，粉煤灰摻量在30%～60%時，材料開裂強度隨粉煤灰摻量的增加而下降。摻量30%時，材料開裂強度最大，摻量60%時，開裂強度最小，較30%摻量時的強度降低了28.4%。這是因為開裂強度與基體強度有關，粉煤灰摻量增大，水泥量減少，水泥水化產物減少，粉煤灰與水泥水化產物反應有限，導致基體強度降低[13]。當粉煤灰摻量在30%～40%時，材料開裂撓度有輕微先增大后減小波動變化的趨勢，粉煤灰摻量在40%～60%，開裂撓度則不斷增加，最大可達1.476 mm。粉煤灰摻量為30%、35%時，開裂強度較40%摻量時大，開裂撓度也較大，呈現較好的彎曲韌性。材料抗彎強度在粉煤灰摻量30%～40%時呈先減小后增大的波動變趨勢化，當粉煤灰摻量超過40%，材料抗彎強度整體呈下降趨勢。粉煤灰摻量40%時抗彎強度最高，摻量60%時最低。極限撓度隨粉煤灰摻量增加呈現波動變化，摻量30%時，極限撓度最小，摻量60%時最大。粉煤灰摻量40%時，材料的抗彎強度、極限撓度均能達到較高水平。粉煤灰摻量30%、35%、40%、50%、60%時，材料的極限撓度與開裂撓度的比值分別為:33.36、39.4、52.33、33.54、33.27，粉煤灰摻量40%時，材料展現出更為優異的增強增韌效果。

2.3 粉煤灰摻量對再生微粉ECC 抗拉性能的影響

不同粉煤灰摻量下，材料單軸拉伸試驗得到的應力- 應變曲線如圖3 所示。

圖3 不同粉煤灰摻量下的應力- 應變曲線

由3 圖可知，粉煤灰摻量30%～60%時，材料呈現出應變硬化特征，極限應變均大于3%，在粉煤灰摻量30%時極限應力最大，粉煤灰摻量40%時極限應變最大。不同粉煤灰摻量下的材料拉伸性能指標見表8。

由表8 可知，粉煤灰摻量30%～60%時，材料開裂應力隨粉煤灰摻量的增加而下降。摻量30%時，開裂應力最大，摻量60%時，開裂應力最小；開裂應變隨粉煤灰摻量增加呈先減小后增大的波動變化趨勢，摻量30%時，開裂應變最大，摻量40%時，開裂應變最小。材料開裂應力與基體強度相關，其變化規律與材料抗壓強度試驗結果一致。粉煤灰摻量小于40%時，材料開裂應變隨開裂應力的減小而下降，當摻量達到50%后，材料強度較低，柔韌性較好，裂縫開始延緩，開裂應變增加。隨粉煤灰摻量增加，材料極限應力整體呈減小趨勢，而極限應變波動變化，規律性不強，摻量40%時極限拉應變最大，摻量60%時極限應變最小。不同粉煤灰摻量下，材料的極限應力較開裂應力均有一定提升，粉煤灰摻量30%、35%、40%、50%、60%時分別提升了35.9%、20.9%、59.7%、47.3%、29.1%，應力增強效果在摻量40%時表現最優。不同粉煤灰摻量下的材料極限應變均大于3.0%，摻量在40%、60%時，材料極限應變超過了4.0%。粉煤灰摻量40%時，材料的拉伸性能總體更優。

表8 不同粉煤灰摻量下的材料拉伸性能指標

3 結論

1）再生微粉ECC 的抗壓性能隨粉煤灰摻量的增加而降低，抗折性能先下降后上升；壓折比先增加后減少，粉煤灰摻量為60%時，壓折比最小。

2）再生微粉ECC 的開裂強度隨著粉煤灰摻量的增加而下降；粉煤灰摻量40%～60%時，材料抗彎強度降低，而開裂撓度增大；粉煤灰摻量40%時，材料的強度和韌性總體最優。

3）再生微粉ECC 的開裂應力隨粉煤灰摻量的增加而下降；材料開裂應變先減少后增加，摻量40%時開裂應變最小；不同粉煤灰摻量下，材料的極限應力較開裂應力均有一定提升，應力增強效果在粉煤灰摻量為40%時最優。