再生玻璃作为辅助胶凝材料制备ECC的力学及变形性能

蔡新江，戴朝炜，邵永健，田石柱

(1.苏州科技大学土木工程学院，苏州 215011；2.苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，苏州 215011)

0 引 言

高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)最早是由Li等[1]提出设计理论并制备出的复合材料，其在弯曲荷载和拉伸荷载下能呈现出多缝开裂、准应变硬化与高延性的特征。传统标准的ECC采用平均粒径为110 μm，最大尺寸为250 μm的硅砂来制备[2]，但相比普通河沙，细硅砂价格相对较高，在一定程度上限制了ECC的广泛应用。

Zhang等[3]将细橡胶碎屑颗粒替代部分硅砂，发现ECC的弯曲韧性明显增加，但抗压强度和弯曲强度有所降低。Guan等[4]以最大尺寸为4.75 mm的粗河砂作为细骨料制备出平均拉伸应变超过9%的ECC，使得ECC材料成本降低10%以上。杨清荔[5]利用碱激发矿渣作为胶凝材料，特细河砂作为细骨料制备出抗压强度超过77 MPa，同时极限拉伸应变超过1%的碱矿渣ECC。Li等[6]以高炉矿渣作为辅助胶凝材料，不同粒径的再生混凝土细颗粒作为细骨料，制备出拉伸应变均高于0.8%的ECC。

不同于再生混凝土，废玻璃渣可能造成混凝土碱骨料反应(ASR)膨胀破坏现象，导致其很难直接用于替代混凝土中的粗骨料。近年来，国内外学者对废玻璃作为辅助胶凝材料或细骨料运用到建筑砂浆、普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土中开展了大量的研究，并在工程中得到实践。Zheng等[7]发现当玻璃粒径≤300 μm时，再生玻璃不会造成碱骨料反应。Ling等[8]发现当玻璃粒径≤100 μm时，再生玻璃会减轻碱骨料反应。俞宣良等[9]发现玻璃粉作为辅助胶凝材料可有效地改善混凝土的和易性，同时对混凝土的耐久性有积极的作用。Lu等[10]采用再生玻璃粉作为辅助胶凝材料，再生玻璃砂替代部分细骨料，制备出高性能建筑砂浆。柯国军等[11]采用粒径≤300 μm的废玻璃取代部分天然砂石，显著提升了砂浆的抗压强度和耐高温性能。杨风玲等[12]发现粒径范围在0.075～0.15 mm的玻璃细骨料制备的混凝土后期强度增加幅度较大，且玻璃细骨料与水泥石胶结界面较好，内部结构致密。蔡新江等[13]采用再生玻璃作为细骨料制备ECC，发现其有助于改善ECC的多重裂缝发展能力，同时提高其延性和抗压强度。Soliman等[14]采用超细玻璃粉替代部分硅灰、细玻璃粉作为辅助胶凝材料,玻璃砂部分或全部替代石英砂，成功制备出弹性模量更高、耐久性更好的生态型超高性能玻璃混凝土(UHPGC)。

细玻璃颗粒在微观上具备火山灰活性，在宏观上可改善材料的力学性能和耐久性。因此本文利用物理粉磨后的再生玻璃作为辅助胶凝材料或者细骨料来制备ECC，研究其对ECC的抗折与抗压强度、弯曲韧性和拉伸性能的影响，为再生玻璃在ECC的应用提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

ECC成分如下：P·O 42.5水泥；辅助胶凝材料采用2级粉煤灰(Fly Ash,FA)或碱激发后的再生玻璃粉(Glass Powder,GP)，平均粒径为15 μm；细骨料采用石英砂(Quartz Sand,QS)或者再生玻璃砂(Glass Sand,GS)，粒径范围在100～200目，再生玻璃的化学成分见表1；水；聚羧酸系高效减水剂(Superplasticizer,SP)；功能性增稠剂(Thickener)；常州天怡工程纤维有限公司生产的PVA纤维，其物理力学性能见表2。

表1 再生玻璃化学成分Table 1 Chemical composition of recycled glass /%

表2 PVA纤维物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of PVA fibers

1.2 配合比

ECC配合比的设计参数：水胶比0.35，辅助胶凝材料(粉煤灰或再生玻璃粉)掺量为50%，PVA纤维体积掺量为2%，砂胶比为0.4，减水剂掺量为0.4%，功能性增稠剂掺量分别为0.05%、0.05%、0.025%和0.025%(占胶凝材料总质量的比例)。

ECC具体配合比设计见表3，其中N-ECC组采用50%粉煤灰作为辅助胶凝材料，石英砂作为细骨料；GS-ECC组采用粉煤灰作为辅助胶凝材料，100%再生玻璃砂作为细骨料；GP-ECC组采用50%再生玻璃粉作为辅助胶凝材料，石英砂作为细骨料；GPGS-ECC组采用50%再生玻璃粉作为辅助胶凝材料，100%再生玻璃砂作为细骨料。

1.3 试件成型与养护

首先将胶凝材料(水泥、粉煤灰或再生玻璃粉)和细骨料(石英砂或再生玻璃砂)投入搅拌锅，低速干拌90 s；再缓慢加入由减水剂、增稠剂和水混合而成的悬浊液，低速湿拌90 s；确保拌合物变成浆体后高速搅拌2 min；此时浆体具有较好的流动性和粘聚性，分批缓慢投入PVA纤维，高速搅拌5 min。

将工作性能良好的拌和物倒入钢模成型，在50 Hz混凝土振动台振捣60 s，并进行抹面处理。为使试件表面平整，在上表面使用6 mm的抛光钢板压盖成型，注意排除接触面的气泡。36 h后拆模，标准养护到28 d再进行抗折与抗压、四点弯曲和单轴拉伸试验。

1.4 测试方法

ECC的抗折与抗压强度测试方法参考《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体进行强度测试。四点弯曲试验采用15 mm×100 mm×400 mm的薄板试件，每组浇筑3个试块，取其算数平均值作为该组的极限抗弯强度。通过长春试验机研究所的DNS100型电子万能试验机进行弯曲试验，位移控制，加载速率为0.5 mm/min。采用试验机自带的位移传感器测量压头的位移，并测定弯曲荷载-跨中挠度曲线。

单轴拉伸试验参照日本的JSCE标准[15]，试件尺寸见图1，每组浇筑6个试块，取其算数平均值作为该组试件的初裂应变、初裂应力、抗拉强度和极限拉伸应变。通过DNS100型电子万能试验机进行拉伸试验，位移控制，加载速率保持在0.5 mm/min。

图1 单轴拉伸试验试件Fig.1 Specimen for uniaxial tensile strength test

2 结果与讨论

2.1 抗折与抗压强度

ECC的抗折与抗压强度见表4。相比N-ECC，采用玻璃砂作为细骨料，替代100%石英砂制备的GS-ECC，其抗折强度接近，抗压强度增加6%；采用玻璃粉作为辅助胶凝材料制备的GP-ECC，其抗折强度下降13%，抗压强度增加39%；掺入50%玻璃粉作为辅助胶凝材料，100%玻璃砂作为细骨料制备的GPGS-ECC，其抗折强度接近，抗压强度增加40%。

表4 ECC的抗折与抗压强度Table 4 Flexural strength and compressive strength of ECC /MPa

2.2 弯曲韧性

再生玻璃ECC的薄板四点弯曲试验如图2所示，试验过程中测得其弯曲荷载-跨中挠度曲线，如图3所示，同时可观察到弯曲荷载下再生玻璃ECC多缝开裂特征，如图4所示。分析观察图2～图4发现，再生玻璃ECC薄板与常规ECC弯曲性能相似，进入变形硬化阶段后，随着跨中挠度的增长，弯曲荷载总体上保持缓慢增加的趋势，同时在纯弯曲段附近出现大量的平行微裂纹。直至某一条微裂纹扩展成局部裂缝，荷载陡降，试件破坏。相比GS-ECC，GP-ECC和GPGS-ECC在变形硬化阶段更平稳，荷载波动较小，表明裂缝形成和扩展更稳定，微裂纹宽度更小。研究不同配合比的ECC薄板裂缝发展情况，发现其裂缝数目相近，均在20条左右。但通过HC-CK101型裂缝宽度观测仪测量发现，掺入玻璃粉作为辅助胶凝材料制备的GP-ECC和GPGS-ECC薄板形成的微裂缝宽度明显小于采用粉煤灰作为辅助胶凝材料制备的GS-ECC。

图2 ECC薄板四点弯曲试验Fig.2 Four-point bending test of ECC plates

图3 弯曲荷载-跨中挠度曲线Fig.3 Bending load-midspan deflection relation curves

图4 弯曲荷载下ECC薄板的多缝开裂特征Fig.4 Multiple cracking modes of ECC plates under bending load

GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的极限抗弯强度分别为9.69 MPa、6.61 MPa和7.8 MPa。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的极限抗弯强度下降19%；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的极限抗弯强度增加18%。

观察峰值荷载对应的跨中挠度，GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的跨中挠度分别为20.8 mm、14.9 mm和13.6 mm。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的跨中挠度下降34.6%；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的跨中挠度下降8.7%。

通过计算薄板试件从开始加载到受压破坏过程中弯曲荷载-跨中挠度曲线与横坐标轴所围的面积，可得出ECC在弯曲试验中吸收的能量值。GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC吸收的能量分别为1 1764 N·mm、6 050 N·mm和6 176 N·mm。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的能量吸收能力下降47%，弯曲韧性降低；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的能量吸收能力变化幅度较小，弯曲韧性接近。

相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的极限抗弯强度、跨中挠度和能力量吸收能力均出现明显下降；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的极限抗弯强度适当增加，跨中挠度略有降低，但能量吸收能力变化幅度较小。再生玻璃作为辅助胶凝材料或细骨料制备的ECC在弯曲荷载下，均表现出多缝开裂特征和较好的弯曲韧性。

2.3 单轴拉伸性能

ECC的单轴拉伸性能指标见表5。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的初裂应力增大15%，抗拉强度下降7.5%；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的初裂应力增大38%，抗拉强度增加7.9%。

在试验过程中测得ECC的单轴拉伸应力-应变曲线，如图5所示，同时可观察到单轴拉伸荷载下ECC的多缝开裂特征，见图6。试验发现，GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的极限拉伸应变均超过1%，特别是单掺玻璃粉的GP-ECC的平均极限拉伸应变接近3%，且所有再生玻璃ECC在拉伸荷载作用下均表现出多缝开裂和应变硬化特征。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的极限拉伸应变下降46%；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的极限拉伸应变下降63%。

图5 ECC的单轴拉伸应力-应变曲线Fig.5 Uniaxial tensile stress-strain curves of ECC

图6 单轴拉伸荷载下ECC的多缝开裂特征Fig.6 Multiple cracking of ECC under uniaxial tensile load

再生玻璃ECC在拉伸荷载作用下均能表现出多缝开裂和应变硬化特征。相比GS-ECC，掺入玻璃粉后，GPGS-ECC的初裂应力适当增加，抗拉强度和极限拉伸应变有所下降；相比GP-ECC，掺入玻璃砂后，GPGS-ECC的初裂应力和抗拉强度增大，极限拉伸应变明显下降。

3 结 论

(1)再生玻璃粉作为辅助胶凝材料制备ECC，其28 d抗折强度降低13%。

(2)相比N-ECC，GP-ECC、GS-ECC和GPGS-ECC的抗压强度分别增加39%、6%和40%。

(3)相比GS-ECC，GPGS-ECC极限抗弯强度、跨中挠度和能力量吸收能力均出现明显下降，极限拉伸应变降低46%；相比GP-ECC，GPGS-ECC极限抗弯强度适当增加，跨中挠度略有降低，能量吸收能力接近，极限拉伸应变下降63%。

(4)通过良好的配合比设计，GP-ECC、GS-ECC和GPGS-ECC均呈现多缝开裂和应变硬化特征，特别是GP-ECC平均极限拉伸应变接近3%，因此采用再生玻璃作为辅助胶凝材料或细骨料制备ECC是可行的。