再生微粉混凝土轴压性能试验研究

李秀领吴睿郭强

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南250101；3.中建八局第二建设有限公司，山东 济南250000)

0 引言

随着建筑行业的快速发展，如何回收、处理和再利用数量庞大的建筑固废物，已经成为世界各国共同关注的焦点问题[1]。对大量废弃混凝土进行循环再利用即再生混凝土技术，通常被认为是解决废弃混凝土问题的最有效措施。再生骨料制备过程中产生约占总质量15%～20%的再生微粉，在实际工程中难以得到应用。由于微粉颗粒较小，漂浮于大气中会造成严重的大气污染，相比再生骨料，再生微粉的堆积会造成更严重环境污染，对人体健康危害也更大，研究再生微粉性能与应用技术，对于资源化利用建筑固废物具有重要意义。为此，学者们针对再生微粉性能及应用等进行了相关研究[2-6]。XIAO等[7]以再生粉末替代硅酸盐水泥，研究再生粉末混凝土的力学性能和早期开裂行为，发现再生粉末会对混凝土的力学性能产生不利影响；YU等[8]以再生粉体替代粉煤灰或硅砂，成功研制延性较好的工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)；LIU等[9]利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)、X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)系统地研究了混凝土-黏土砖再生粉末微观结构特征、化学组成及活性机理，发现混合粉末中黏土砖比例对再生粉末细度和活性有较大影响，通过控制黏土砖比例制成的再生粉末可用于水泥补充剂。由于再生微粉颗粒粒径大、形状不规则、质地疏松，在搅拌过程中需水量明显大于普通混凝土，导致其力学性能相对较低和工作性能不足。而将纤维应用于再生微粉混凝土可以有效提高其性能[10-15]。

文章针对再生微粉混凝土的轴压性能进行了试验研究，以再生微粉取代部分硅酸盐水泥，将聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纤维、玄武岩纤维分别单掺以及混掺在再生微粉混凝土中，研究水胶比、再生微粉取代率、纤维种类及掺量等因素下再生微粉混凝土的应力-应变关系曲线及弹性模量的变化规律，建立了再生微粉混凝土的本构关系模型。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

(1)胶凝材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰，其基本性能指标见表1。

表1 胶凝材料基本性能指标表

(2)标准砂是由山东青岛生产的精制石英砂。

(3)纤维采用玄武岩纤维、PVA纤维，其基本物理性能指标见表2。

表2 纤维材料参数表

(4)再生微粉制备的原料为济南某建筑工地废弃混凝土碎块，经研磨后粒径＜45μm，满足Ⅰ级粉末要求。再生微粉的主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，其基本性能指标为密度、含水率和烧失量，其中密度为2.632 kg/m3，含水率为2.1%，烧失量为25.7%。

(5)减水剂采用聚羧酸型高效减水剂；水为城市自来水。

1.2 试验配合比

为研究纤维掺量、再生微粉掺量、水胶比对再生微粉混凝土力学性能的影响，共设计了8组不同配合比的再生微粉混凝土试件，见表3。其中，组别中a、b、c分别代表水胶比0.24、0.28、0.32；0、25、35、45分别代表再生微粉取代率0、25%、35%、45%；P代表单掺1.9%PVA纤维，B代表单掺1.9%玄武岩纤维，BP代表复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维。

表3 试验配合比设计表

1.3 试验方法及加载制度

按照8组不同配合比制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试件，每组6个，其中3个用于棱柱体抗压试验，另外3个用于弹性模量试验。将整个试件浇筑于模具后，抹面加盖保鲜膜，养护24 h后拆模，再放入养护箱中养护28 d。

采用SHT4605 SANS电液伺服万能试验机进行轴压试验，利用BLR-1型力传感器量测荷载、ZS1100-DT40线性位移传感器量测变形，如图1所示。试件放置于试验机下压板上时需严格调平对中，正式加载前，预压3次以调节试件位置对中。采用位移控制，以0.5 mm/min的速度均匀加载至试件破坏。

图1 轴压试验装置图

轴心抗压强度fc由式(1)表示为

式中F为试件破坏荷载，kN；A为试件承压面积，m2。

弹性模量试验时，在试件竖向中轴线处两对称面上纵向粘贴50 mm混凝土应变片以测试应变。试件完成对中后进行加载，加载制度如图2所示。

图2 试验加载制度图

弹性模量Em由式(2)表示为

式中Pa为控制荷载，即0.4fc，kN；P0为初始荷载，取值0.8 kN；εa为控制荷载下的应变；ε0为初始荷载下的应变。

2 试验结果及分析

2.1 轴心抗压强度

不同组别a-45-BP、b-45-BP、c-45-BP、b-0-BP、b-25-BP、b-35-BP、b-45-B、b-45-P的棱柱体抗压强度fc分别为38.83、30.21、27.60、32.90、42.80、35.47、36.2、23.07 MPa。

2.1.1 破坏现象

部分试件破坏形态如图3所示。试验加载初期，试件表面没有明显裂缝，临近峰值荷载时，试件中部出现一条或数条细微长裂缝，当加载至峰值荷载时，裂缝宽度发展较为迅速，试件上部混凝土外表皮脱落，继续加载伴随有纤维撕裂声音，试件裂缝处已出现纤维拔断或拔出现象，此时裂缝发展较缓慢，这是由于混凝土中错杂排列的纤维抑制了裂缝的发展，改善了试件的延性，破坏时试件整体形状保持较为完整。

图3 试件破坏形态图

2.1.2 水胶比对轴心抗压强度影响

水胶比对轴心抗压强度影响如图4所示，纤维种类、掺量及再生微粉取代率相同时，随着水胶比增大，轴心抗压强度呈下降趋势，水胶比为0.28、0.32比0.24时的轴心抗压强度分别降低约22.20%、28.92%。水胶比对混凝土强度影响并不是线性变化，如水胶比为0.28时的结果比0.24时下降较快，而其值为0.32时却下降较慢。

图4 水胶比对轴心抗压强度影响图

2.1.3 再生微粉取代率对轴心抗压强度影响

再生微粉取代率对轴心抗压强度的影响如图5所示，不掺加再生微粉时，混凝土轴心抗压强度达到32.9 MPa；当再生微粉取代25%水泥时，轴心抗压强度达到42.8 MPa，比不掺时提高了30.09%；35%、45%再生微粉取代率下轴心抗压强度与25%时相比分别降低了17.13%、29.42%。因此，当再生微粉取代率≤25%时，再生微粉对混凝土强度具有增强作用。这主要是因为再生微粉本身碱性物质含量相对比较高，在碱性环境中，再生微粉中粒径较小颗粒发生的火山灰反应会生成C-S-H凝胶体，其可以填充混凝土中的孔隙，改善了混凝土孔结构；再生微粉中Ca(OH)2在二次水化过程中会被慢慢消耗掉，降低了Ca(OH)2含量，有利于混凝土轴心抗压强度中后期发展；再生微粉中不具有活性的颗粒可以作为微集料，在混凝土中起到填充水泥浆作用，对混凝土强度具有促进作用。当再生微粉取代率＞35%时，再生微粉会对混凝土强度造成不利影响，这是由于再生微粉颗粒形状较差，在一定流动性下需水量增加，从而导致混凝土强度降低；再生微粉取代率提高，相应的混凝土中水泥含量减少，导致混凝土强度也随之降低。

图5 再生微粉取代率对轴心抗压强度影响图

2.1.4 纤维种类及掺量对轴心抗压强度影响

纤维种类及掺量对轴心抗压强度的影响如图6所示，单掺1.9%PVA纤维时，再生微粉混凝土轴心抗压强度仅有23.07 MPa；复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维时，轴心抗压强度提高到30.21 MPa；单掺1.9%玄武岩纤维时的轴心抗压强度最高，达到了36.20 MPa。随着玄武岩纤维掺量增加，轴心抗压强度也随之增大，其中复掺0.2%玄武岩纤维使强度提高了30.95%，而单掺1.9%玄武岩纤维使强度提高了56.91%。因此，在一定范围内掺加玄武岩纤维，对再生微粉混凝土强度具有促进作用。这是因为摩擦系数较高的玄武岩纤维在混凝土中均匀分布，形成良好的纤维-水泥基网格结构，增大了骨料与骨料之间的咬合力，使得试件在承受荷载时共同受力，并且乱向的网格结构延缓了内部裂缝发展，对混凝土起到增韧补强作用，随着纤维掺量提高，玄武岩纤维对混凝土内部网格结构填补更充分，增强效果更明显。而掺加PVA纤维导致混凝土强度下降，且掺量越高，强度越低。这是因为PVA纤维本身具有亲水性，而再生微粉也具有良好吸水性能，在搅拌过程中PVA纤维和再生微粉混杂在一起会导致混凝土内部结构缺陷产生的概率增大，尤其当PVA纤维含量过高时，内部结构缺陷所带来的不利影响大于其对再生微粉混凝土韧性的提高，掺加PVA纤维反而降低混凝土强度。

图6 纤维种类及掺量对轴心抗压强度的影响图

2.2 应力-应变曲线

棱柱体试件应力-应变曲线是分析混凝土承载力和变形能力的重要依据。图7为再生微粉混凝土棱柱体试件受压应力-应变曲线，每组包含3个试件。由图7可知，再生微粉混凝土应力-应变曲线与普通混凝土相似，可分为4个阶段。

图7 再生微粉混凝土应力-应变曲线图

第Ⅰ阶段:弹性上升阶段。该阶段应力小于峰值应力的50%，可以看作是理想线弹性阶段，原因是混凝土内部虽然有微裂缝产生，但仍处于相对稳定状态，混凝土开裂所释放的能量也较小，此时玄武岩纤维和PVA纤维没有发挥作用。

第Ⅱ阶段:弹塑性阶段。应力约为峰值应力的80%，该阶段随着荷载增加有细密裂缝产生，此时试件出现塑性变形，同时产生较大轴向变形，如果停止加载，裂缝也不再发展。

第Ⅲ阶段:裂缝迅速发展阶段。荷载增大至峰值应力的90%～100%。此时试件内部出现贯通裂缝，随着应力增大至峰值应力，裂缝迅速扩展，为裂缝不稳定发展阶段。

第IV阶段:破坏阶段。此阶段达到峰值应力，混凝土内部裂缝继续扩展形成贯通裂缝，试件承受荷载降低，应力开始下降，应变继续增大。曲线向下弯曲且逐渐平缓，这是由于纤维桥联作用而抑制了裂缝的持续开展。

2.2.1 峰值应变和极限应变

表4为再生微粉混凝土试件的峰值应变和极限应变试验值，取每组3个试件的平均值，其中极限应变取50%峰值应力所对应的应变值。峰值应变反映了混凝土试件变形能力，峰值应变越大，说明试件变形能力越好。由表4可以看出，再生微粉混凝土峰值应变均＞0.005，超过了普通混凝土，其表现出高延性、高变形的能力特点。

表4 不同配合比下再生微粉混凝土峰值应变和极限应变表

2.2.2 水胶比

由图7(a)～(c)及表4可以看出，再生微粉混凝土的峰值应变和极限应变随水胶比增大而增大。其中水胶比为0.28、0.32时的峰值应变较0.24时分别上升了7.95%、9.27%，极限应变分别上升了3.84%、20.77%，说明水胶比增大对混凝土延性具有良好改善效果。这是因为水胶比增大，导致混凝土内部缺陷和界面裂缝增多，易形成贯穿裂缝，导致峰值应力降低。而水胶比越小，胶凝体含量越高，填补了再生微粉混凝土本身含有的较多孔隙结构，临近破坏时，试件承受荷载越大，峰值应变越低。

2.2.3 再生微粉取代率

图7(d)、(e)、(f)、(b)中再生微粉取代率分别为0、25%、35%、45%，通过图7及表4可以看出，再生微粉取代率从0到35%时，峰值应变和极限应变均减小，而取代率为25%、35%时，试件的峰值应变较不掺再生微粉时分别降低了16.21%、20.95%，极限应变分别降低了27.05%、31.69%；当再生微粉取代率达到45%时，峰值应变和极限应变比35%时分别提高了7.98%、9.94%。

上述结果表明，再生微粉取代率从0增大至35%时，试件延性是逐渐降低的，但当再生微粉掺量达到45%时，延性又有所改善。这是由于再生微粉粒径较小且形状较差，当再生微粉取代率较小时，混凝土中存在较多孔隙，延性一定程度降低；当再生微粉掺量达到45%时，水泥含量减少导致混凝土强度降低，再生微粉在混凝土内部填充孔隙形成更加致密的内部结构，一定程度上提高了混凝土延性。

2.2.4 纤维种类及掺量

图7(b)、(g)、(h)中分别复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维、单掺1.9%玄武岩纤维、单掺1.9%PVA纤维。由表4可以看出，单掺玄武岩纤维及复掺纤维时峰值应变相差不大，而单掺PVA纤维时峰值应变降低了20.71%；单掺PVA纤维时极限应变大于复掺纤维和单掺玄武岩纤维，分别提高了9.67%、11.16%。

因此，单掺纤维时峰值应变或极限应变均有不同程度地降低，而复掺纤维可最大化发挥纤维桥联作用，主要原因是单掺纤维时掺量过高，搅拌过程中易结团，导致流动性降低，试件内部出现大量孔隙，内部缺陷增多抵消了纤维桥联的有利效应，使应变不同程度的降低；而复掺两种纤维，既能发挥玄武岩纤维对峰值应变的提升效果，又能发挥PVA纤维对极限应变的增强效果，同时也能降低工程成本。

2.3 弹性模量

弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，是衡量材料抵抗变形能力大小的尺度。不同组别a-45-BP、b-45-BP、c-45-BP、b-0-BP、b-25-BP、b-35-BP、b-45-B、b-45-P的弹性模量Em分别为32.52、22.51、16.20、17.60、34.65、25.98、33.18、17.59 GPa，表明水胶比、再生微粉取代率、纤维种类及掺量对其具有重要影响。

2.3.1 水胶比的影响

与普通混凝土类似，随水胶比的增大，弹性模量逐渐减小。相较于水胶比为0.24时，水胶比为0.28、0.32时的弹性模量分别降低了30.78%、50.18%。水胶比的增大导致混凝土的内部结构不够紧密，裂缝发展较快，变形较大，从而导致再生微粉混凝土的弹性模量降低。

2.3.2 再生微粉取代率的影响

再生微粉取代率从0到25%时，弹性模量逐渐增大，而取代率为25%时的弹性模量较不掺再生微粉时提升了96.88%，这是因为初期掺加的再生微粉为集料、水泥、纤维三者之间的密实化提供了有利条件，形成致密接触区，增强了混凝土内部的粘结力；当再生微粉取代率从25%到45%时，弹性模量呈下降趋势，而35%、45%时的弹性模量较25%时分别降低了25.02%、35.04%，这是由于再生微粉掺量过多，混凝土中水泥的含量减少，内部结构变得疏松，加速了混凝土开裂，导致弹性模量降低。

2.3.3 纤维种类及掺量的影响

单掺1.9%PVA纤维时，弹性模量最低，而复掺两种纤维时，弹性模量提高幅度达27.97%，而单掺1.9%玄武岩纤维时的弹性模量有较大的提升，其提高幅度可达88.63%。随玄武岩纤维掺量地提升，混凝土的弹性模量也随之提高。过多掺入PVA纤维会使混凝土的内部结构排列错乱，在纤维-水泥基界面处产生众多微裂缝，导致弹性模量降低；而玄武岩的纤维长度较大，与混凝土接触面更大，在混凝土受到压力作用时纤维的单位面积应力更小，掺入适量玄武岩纤维后，纤维与混凝土在受力时共同消耗能量，对混凝土表面与内部应力梯度起到了削弱作用，从而改善了混凝土的弹性变形能力，提高了混凝土的弹性模量。

3 再生微粉混凝土的本构方程

为进一步认识和应用再生微粉混凝土应力-应变规律及其与再生微粉取代率的关系，选取取代率为0、25%、35%、45%的应力-应变曲线进行无量纲化处理，4组数据分别取b-0-BP-3、b-25-BP-2、b-35-BP-1和b-45-BP-2的对应数值。以σ/σ0和ε/ε0为坐标的无量纲化应力-应变曲线如图8所示，其中σ0为峰值应力，即轴心抗压强度；ε0为峰值应变。

图8 无量纲化的再生微粉混凝土应力-应变曲线图

如图8所示，无量纲化的再生微粉混凝土应力-应变曲线与普通混凝土基本相似，采用过镇海[16]提出的普通混凝土的单轴受压本构方程进行拟合，其中x为横坐标变量ε/ε0，y为纵坐标变量σ/σ0。再生微粉混凝土的本构方程由式(3)表示为

式中a、b分别为控制曲线上升段和下降段的方程参数。

将试验数据用最小二乘法计算拟合，系数a和b的值见表5，相应的拟合精度均＞0.9。参数a、b与再生微粉取代率x的关系式由式(4)表示为

表5 试验数据拟合参数结果表

为了验证式(3)和(4)的适用性，分别对再生微粉在不同取代率下的应力-应变曲线进行拟合，并与试验曲线对比，如图9所示。拟合曲线与试验曲线吻合良好，这表明由式(3)和(4)所描述的全曲线方程可以作为再生微粉混凝土单轴受压的本构模型，适用于再生微粉混凝土结构的非线性分析。

图9 不同掺量再生微粉的应力-应变拟合曲线与试验曲线对比图

4 结论

由上述研究可知:

(1)再生微粉混凝土的轴心抗压强度和弹性模量随水胶比的提高而降低；峰值应变和极限应变随水胶比的提高而增加。水胶比增大促使混凝土内部结构孔隙及微裂缝增多，对混凝土强度和变形能力有较大影响。

(2)再生微粉取代率从0到45%的轴心抗压强度和弹性模量先增大后减小，而峰值应变、极限应变先减小后增大。再生微粉初期对混凝土的内部孔隙起到填充效果，但当掺入过量时，由于水泥含量过少，大幅降低混凝土的强度和变形能力。综合来看，再生微粉取代率在45%时，绿色环保作用明显，也满足工程应用要求。

(3)单掺PVA纤维对再生微粉混凝土的轴心抗压强度和弹性模量均有不利影响，单掺玄武岩纤维、复掺玄武岩纤维和PVA纤维对轴心抗压强度和弹性模量均有增强作用；综合来看，复掺纤维更能发挥纤维对再生微粉混凝土峰值应变和极限应变的增强效果。

(4)建立了再生微粉混凝土的本构关系方程，为下一步再生微粉混凝土结构非线性分析奠定了基础。