生态型超高韧性水泥基复合材料力学性能试验研究

元成方 ，Haris Setiawan，楚留声 ，程站起 ，李春跃

(1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2.西部绿色建筑国家重点实验室 西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

随着经济的快速发展，大型工程建设项目不断涌现，对水泥基材料的性能提出了新的挑战。针对传统水泥基材料脆性大、抗拉强度低、易开裂等缺点，科研人员研制了以聚乙烯醇纤维增强的超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)。普通ECC 多采用石英砂制备，而当今天然骨料资源不断减少、能源消耗较大，为实现可持续发展，满足绿色建材发展的需求，国内外学者采用工业、建筑废料对石英砂或水泥进行取代，开始了生态型ECC 的相关研究。现有研究表明，采用尾矿砂[1-3]、赤泥[4]、再生混凝土微粉[5]、废弃陶瓷微粉[6]取代天然石英砂，或是采用粉煤灰[7-8]、矿渣[9-10]、硅灰[11-12]等取代水泥，均可制备性能良好的生态型ECC，其部分性能甚至更为优异。我国每年由于城市既有建筑拆迁产生了大量的建筑垃圾，将建筑垃圾中的废弃烧结砖进行破碎、粉磨处理可制得再生砖粉，本试验开展再生砖粉对ECC 力学性能的影响研究，具有一定的理论意义和工程应用价值。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：河南天瑞集团郑州水泥有限公司P·O42.5 水泥，比表面积355 m2/kg，主要技术性能见表1；粉煤灰：Ⅰ级，河南巩义恒诺滤料有限公司，主要化学成分见表2；石英砂：粒径分布见表3，主要技术性能见表4；再生砖粉：由废弃烧结黏土砖经破碎、筛选、球磨得到，粒径分布与石英砂相同，主要技术性能见表5；单丝聚乙烯醇(PVA)纤维：日本Kuraray 公司生产，主要技术性能见表6；增稠剂：上海辰启化工科技有限公司生产的HPMC-20 型羟丙基甲基纤维素，黏度200 Pa·s；聚羧酸高效减水剂：上海辰启化工科技有限公司生产的CQJ-JSS 型聚羧酸高效减水剂，减水率26.5%，含固量25.9%；水：自来水。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要化学成分 %

表3 石英砂的粒径分布

表4 石英砂的主要技术性能

表5 再生砖细骨料的材性指标

表6 PVA 纤维的主要技术性能

1.2 试验配合比

采用再生砖粉等质量取代石英砂，取代率分别为0、25%、50%、75%、100%，由于再生砖粉吸水率较大，易造成拌合物的实际水胶比发生改变，因而在开展试验时需考虑附加水，以保持水胶比的稳定，附加水用量为再生砖粉掺量与其吸水率的乘积。ECC 配合比如表7 所示。

表7 ECC 配合比 kg/m3

1.3 成型与养护

先将搅拌机筒体及搅拌臂润湿，然后将称量好的水泥、粉煤灰、集料依次投入搅拌机中，搅拌2 min；将提前混合好的减水剂与水倒入搅拌机，搅拌2 min；开动搅拌机，缓慢均匀地加入纤维(2 min 内加完)，待搅拌机停止后，加入增稠剂，继续搅拌4 min；将搅拌均匀的拌合物填入钢模，首先填入1/2，放置于振动台，振动1 min；以相同方法进行二次填料与振捣，同时观察成型状态，最后将试件表面抹平。浇筑完成的试件表面使用保鲜膜覆盖，24 h 后拆模，随即移至标准养护室中养护至28 d 龄期，养护条件为温度(20±2)℃、相对湿度≥95%。

1.4 试验方法

(1)抗折、抗压强度试验：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》，试件尺寸为 40 mm×40× mm160 mm，试验设备为YAW-300C 型水泥抗折抗压一体机，试验加载过程如图1(a)、图1(b)所示。

(2)弯曲性能试验：采用四点弯曲法[见图1(c)]，试件尺寸为320 mm×100 mm×10 mm，加载设备为济南东测公司生产的WDW-100 型电子式万能试验机，数据采集设备由DH3816N 静态数据采集仪、LH-S10C 压力传感器(量程2 kN)、YWC-50 型应变式位移传感器(精度0.3%)组成。加载前，先将试件表面打磨平整，后将试件放置在支座上，确保平稳、对中；随后依次放置压力传感器、位移传感器等设备；调整试验机电脑端的控制参数，加载速率为0.2 mm/min，应变采集系统设置为自动记录，以2 s/次的频率记录试验过程中的跨中挠度和荷载；开启试验机进行加载，加载过程中观察数据变化和试件表面裂缝变化，当出现大裂缝或荷载不再增加时停止加载。

图1 ECC 基体力学性能加载试验

(3)单轴拉伸性能：加载装置如图1(d)所示，试件尺寸为280 mm×40 mm×15 mm，加载设备和数据采集设备与弯曲试验相同。首先将试件表面打磨平整，后将裁剪好的碳纤维布用环氧树脂贴在试件两端，多次滚压，挤除气泡，保证粘贴牢固，而后在碳纤维布表面再次涂刷环氧树脂；将固定位移计的夹具、L 型铁片粘贴在试件两侧面，将试件放置于试验加载装置上；调整试验机电脑端控制参数和应变采集系统参数，以1 s/次的频率记录加载过程中的拉伸变形和荷载。整个加载过程分为2 步：首先对试件进行预拉，当荷载达到破坏荷载的10%～15%时，将加载速率设定为0.1 mm/min，然后继续加载。加载过程中观察数据变化以及试件裂缝变化，当出现大裂缝或荷载不再增加时停止加载。

2 试验结果及分析

2.1 再生砖粉取代率对ECC 抗折与抗压强度的影响(见表8)

表8 再生砖粉取代率对ECC 抗折与抗压强度的影响

由表8 可见，再生砖粉取代石英砂后ECC 的抗折、抗压强度均低于基准组，且随着取代率的增加总体呈逐渐降低的趋势。当再生砖粉取代率为25%、50%、75%、100%时，ECC 的抗折强度较基准组分别降低了16.4%、23.5%、23.8%、22.8%，抗压强度较基准组分别降低了3.0%、1.9%、8.2%、9.9%。

2.2 再生砖粉取代率对ECC 弯曲性能的影响

弯曲性能试验加载初期，薄板试件弯曲并不明显，且没有裂缝产生。当达到开裂荷载时，试件受弯区出现第1 条裂缝，试验机显示荷载先下降而后上升，此后荷载波动上升，试件挠度逐渐增大，底部呈现明显的多缝开裂状态(见图2)。加载后期，试件底面某条裂缝开始扩展增大，最终试件破坏。ECC 试件的荷载-跨中挠度曲线如图3 所示。

图2 试件底部裂缝分布

图3 四点弯曲试验试件的荷载-跨中挠度曲线

由图3 可见，不同再生砖粉取代率下，ECC 试件的荷载-跨中挠度曲线均表现出显著的应变硬化特征，试件的开裂荷载、极限荷载在取代率为0 时最大。而当取代率为100%时，试件跨中挠度最大。ECC 试件的整个加载过程可分为4 个阶段：第1 阶段为弹性阶段，即从试件开始加载到开裂荷载时，荷载随跨中挠度的增加呈线性增长；第2 阶段为屈服阶段，此时荷载与跨中挠度不再具有线性关系，跨中挠度快速增大，但荷载增加较小；第3 阶段为应变硬化阶段，此时荷载、跨中挠度同时缓慢增大，直到达到极限荷载；第4 阶段则为破坏阶段，荷载快速下降，跨中挠度小幅增长，直至试件破坏。

由ECC 试件的荷载-跨中挠度曲线可得到开裂挠度δc、开裂荷载Pc以及极限挠度δu、极限荷载Pu，依据计算公式可得开裂强度σc、抗弯强度σu，如表9 所示。

表9 ECC 试件的弯曲性能参数

由表9 可见：

(1)基准组的开裂强度最高，当再生砖粉取代率为25%、50%、75%、100%时，生态型ECC 的开裂强度较基准组分别降低了39.4%、35.6%、42.2%、46.1%。基准组的开裂挠度低于生态型ECC；取代率为50%时，开裂挠度与基准组接近；取代率100%时，开裂挠度最大，较基准组提高了166.7%。综上可知，基准组ECC 开裂强度最高、开裂挠度最小；取代率为100%的生态型ECC 开裂强度最低、开裂挠度最大。试件的开裂强度和开裂挠度与基体强度密切相关，基体强度越高，开裂强度也越高，反之，开裂挠度越大。

(2)随着再生砖粉取代率的增大，ECC 的抗弯强度先降低后提高；极限挠度在取代率从0 增大到50%时先逐渐减小，当取代率继续增大时，ECC 基体的极限挠度逐渐增大，在100%取代时达到最高。再生砖粉取代率为25%、50%、75%、100%时，生态型ECC 的抗弯强度较基准组分别降低了14.1%、20.4%、28.6%、16.7%。随着取代率的增加，ECC 的极限挠度先减小后增大，在取代率为50%时极限挠度最小，取代率为100%时极限挠度最大，较基准组提高了38.0%。

2.3 再生砖粉取代率对ECC 单轴拉伸性能的影响

单轴拉伸试验加载初期荷载较小，试件表面无明显变化。继续加载，荷载显著增大。当达到开裂荷载时，试件表面出现第1 条裂缝，试验机上显示荷载先下降而后上升，此后荷载波动增大，试件表面裂缝逐渐增多(见图4)，拉伸变形不断增大，加载过程中可听到基体中纤维拉断的声音。加载后期，试件上某条裂缝逐渐变宽，形成贯穿裂缝，直至试件破坏。试件的单轴拉伸应力-应变曲线如图5 所示。

图4 单轴拉伸破坏后裂缝分布情况

图5 单轴拉伸试验试件的应力-应变曲线

由图5 可见，单轴拉伸加载过程为3 个阶段：第1 阶段为弹性阶段，基体与纤维共同承担荷载，基体变形符合胡克定律，直至第1 条裂缝出现，弹性阶段结束；第2 阶段为应变硬化阶段，此时基体的应力和应变同时增大，随着变形的增大，荷载波动并缓慢上升，在纤维桥连作用下发生应力传递，当未开裂部分的基体达到开裂应力时，新的裂缝产生，应变继续增大，裂缝不断增多，循环往复，直到应力不再增大，此阶段结束；第3 阶段为破坏阶段，某条裂缝处的界面最为薄弱，随着加载的进行，该裂缝成为主裂缝，宽度变大，应力减小，直到形成贯穿裂缝，试件断裂。

由ECC 试件的应力-应变曲线可得到开裂应变εct、开裂应力σct、极限应变εut、极限应力σut，如表 10 所示。

表10 ECC 试件的单轴拉伸性能参数

由表10 可见：

(1)随着再生砖粉取代率的增加，试件的开裂应力逐渐减小。当再生砖粉取代率为25%、50%、75%、100%时，ECC 的开裂应力较基准组分别降低了3.6%、16.9%、19.3%、21.1%。取代率为25%～50%时，开裂应力的降幅较大。开裂应变随再生砖粉取代率的增加整体呈增大趋势，但取代率50%时，基体开裂挠度与整体变化趋势不同，出现了下降。基准组开裂应变为0.067%，取代率为25%、75%、100%时的基体开裂应变均有明显增加，增幅分别达到47.8%、135.8%、250.7%，而取代率为50%时基体开裂应变与基准组相当。综上可知，不同取代率下，ECC 开裂应力与开裂应变间有一定的规律，开裂应力越大，开裂应变越小，但在取代率为50%时，开裂应力和应变同时减小。

(2)随着再生砖粉取代率的增加，生态型ECC 的极限应力均小于基准组，取代率为50%时基体的极限应力最小。取代率为25%、50%、75%、100%时，ECC 的极限应力较基准组分别降低了12.3%、42.2%、32.7%、35.2%。随着再生砖粉取代率的增加，基体的极限应变整体呈增大趋势，但在取代率为50%时，极限应变与整体变化趋势不同。取代率为100%时，极限应变最大，为3.301%，较基准组提高了54.9%；而在取代率为50%时，极限应变仅为1.381%。综上可知，再生砖粉在取代率为50%时，抗拉性能较差，极限应力与极限应变均最小；取代率为100%时基体的拉伸性能最好。

3 结 论

(1)生态型ECC 的抗折、抗压强度均低于基准组，且随着再生砖粉取代率的提高总体呈下降趋势。

(2)抗弯试验中，基准组ECC 试件的开裂强度和抗弯强度均最大，生态型ECC 的开裂强度均低于基准组。取代率为100%时，生态型ECC 弯曲性能最佳，开裂挠度和极限挠度较基准组分别提高了166.7%和38.0%。

(3)单轴拉伸试验中，随着再生砖粉取代率的增加，ECC试件的开裂应力逐渐减小。取代率为100%时，ECC 的拉伸性能最佳，开裂应变和极限应变较基准组分别提高了250.7%和54.9%。