不同养护条件下再生砖粉超高韧性混凝土的力学性能

陈 阳 戚国峰 王孟南 肖文西

1郑州大学土木工程学院（450001）2郑州共图建设工程检测有限公司（450001）

0 引言

随着我国城市化的深入推进和基础建设的快速发展，每年产生的建筑垃圾已占城市垃圾总量的30%～40%[1]，我国建筑垃圾的综合利用率为5%[2]，由此带来了严重的环境污染问题。将建筑垃圾中体量最大的混凝土和砖进行资源化利用是解决这一问题的重要途径[3]。高韧性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC）是指基于微观力学和断裂力学对纤维、基体和界面进行设计、通过纤维增强的复合材料[4-5]。文章设计制备的再生砖粉超高韧性混凝土（Recycled Brick Powder Engineered Cementitious Composites，简称RBP-ECC）是在传统天然材料ECC的基础上，将原材料中的石英砂用废弃烧结砖粉取代后制备得到的新型水泥基复合材料。

为满足工程设计的要求，对结构混凝土进行养护是重要的[6]。混凝土养护是为了使水泥充分水化，从而加速混凝土硬化，使其能够在预定时间内达到设计强度[7]。研究人员开展了养护条件对ECC材料力学性能[8-12]，弯曲性能[13-14]及单轴拉伸性能[15]影响的试验研究。从已有研究报道来看，不同的养护机制对ECC材料物理力学性能有很大影响，选择合理的养护方式可使ECC材料强度提高1～2倍。因此，不同养护条件下的再生砖粉超高韧性混凝土力学具有较高的研究价值，对于此类材料的基础研究和工程应用具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验原材料

采用河南天瑞集团郑州水泥有限公司生产的P·O 42.5的普通硅酸盐水泥；采用河南省众邦环保科技有限公司提供的80～120目石英砂；采用河南巩义恒诺滤料有限公司I级粉煤灰；再生砖粉由废弃烧结黏土砖经过破碎、筛选、球磨得到，废弃黏土砖取自于城市拆迁房屋，抗压强度为MU10-MU25，再生砖粉的粒径为80～120目，材性指标见表1；采用日本Kuraray公司生产的单丝聚乙烯醇纤维，主要技术指标见表2；增稠剂为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，黏度等级20万；减水剂为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%。

表1 再生砖粉材性指标

表2 PVA纤维技术指标

1.2 配合比

试验设计了基准ECC（Benchmark group，简称BG），在此基础上用砖粉代替石英砂，设计制备了再生砖粉ECC（Recycled brick powder group，简称RBPG），研究分析不同养护条件对再生砖粉ECC力学性能的影响。具体配合比见表3。

表3 ECC配合比（kg·m-3）

1.3 试验制作与养护

采用行星式搅拌机拌和ECC，振动台振实，抹平表面，试件用保鲜膜覆盖，24 h后拆模。参考国内外相关文献以及现有试验条件，试件尺寸与数量分别为：抗折抗压试验试件160 mm×40 mm×40 mm，共3组，每组3块；弯曲试验试件320 mm×10 mm×10 mm共3组，每组3块；单轴拉伸试验试件280 mm×40 mm×15 mm，共3组，每组3块。养护方法分别为:①标准养护（Standard Curing，简称SC）:将试件放置于标准养护室中养护，养护温度（20±2）℃、湿度≥95%，养护至28 d龄期（如图1（a）所示）；②自然养护（Natural Curing，简称NC）:将试件用塑料膜覆盖放于室内养护，温度（25±3）℃、湿度45%±5%，定时向试件表面喷洒自来水，养护至28 d龄期（如图1（b）所示）；③氢氧化钙溶液养护（Calcium Hydroxide Solution Curing，简称CHC）:将试件放置于饱和氢氧化钙溶液中养护，养护至28 d龄期（如图1（c）所示）。

图1 材料养护方法

1.4 试验方法

抗折、抗压强度试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）进行，采用YAW-300C型水泥抗折抗压一体试验机。

采用四点弯曲法测试材料的弯曲性能。加载设备为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、YWC-50型应变式位移传感器组成。通过四点弯曲试验可得到弯曲荷载-跨中挠度曲线，在曲线中可获得开裂荷载Pc和开裂挠度δc、极限荷载Pu与极限挠度δu。依据《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》（GB/T 15231—2008）计算开裂强度σc、极限抗弯强度σu。

单轴拉伸试验的加载设备为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-S05A压力传感器、YWC-30型应变式位移传感器组成。根据单轴拉伸试验得到的拉伸变形值与荷载，计算并绘制单轴拉伸试验的应力-应变曲线，同时可得到开裂应力σct、开裂应变εct、极限抗拉强度σut、极限拉应变εut。

2 试验结果与分析

2.1 养护方法对材料抗折、抗压性能的影响

不同养护条件下的材料抗折、抗压强度试验结果如图2所示，压折比如图3所示。

图3 不同养护条件下的材料压折比

由图2可见，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的抗折强度分别为16.5 MPa、9.8 MPa和14 MPa，大小关系为:SC＞CHC＞NC。标准养护条件下，材料的抗折强度最高，自然养护和溶液养护条件下材料抗折强度分别较标准养护时降低了40.6%和15.2%。混凝土的抗折强度影响因素为基体强度和纤维的桥联作用。自然养护时，结构内部孔隙较多，密实度低，基体强度以及纤维的桥联作用较低；溶液养护时，基体强度高，在抗折试验时，底部出现裂缝时应力较大，纤维桥联应力相对较低，导致抗折强度也不高[16]。

图2 不同养护条件下的材料抗折、抗压强度

标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的抗压强度分别为33.7 MPa、32.5 MPa和41.0 MPa，大小关系为:CHC＞SC＞NC。较之标准养护，自然养护条件下的材料抗压强度降低了3.6%，而溶液养护条件下的材料抗压强度提高了21.7%。溶液养护条件下，材料的抗压强度最高。水泥基复合材料中的粉煤灰是利用水泥水化反应的产物Ca（OH）2进行反应，需要温度、pH值对其进行活性激发，在饱和氢氧化钙溶液中，减少了反应产物Ca（OH）2的析出，提供了较为稳定的碱性环境，促进粉煤灰的活性激发以及反应进行，降低了孔隙率，抗压强度增大[17]。

由图3可见，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的压折比分别为2.04、3.35、2.92，大小关系为NC＞CHC＞SC，标准养护条件下，材料的压折比最小。依据压折比对材料柔韧性的影响，不同养护条件下材料韧性关系为:SC＞CHC＞NC，标准养护条件下材料的柔韧性最好。

2.2 养护方法对材料弯曲性能的影响

不同养护条件下的试件荷载-跨中挠度曲线如图4所示，通过荷载-跨中挠度曲线，可计算得到材料的开裂强度、开裂挠度、抗弯强度和极限挠度。材料强度指标如图5所示，挠度指标如图6所示。

图4 不同养护条件下的荷载-跨中挠度曲线

图5 不同养护条件下的强度指标

图6 不同养护条件下的挠度指标

由图4可见，不同养护条件下，材料的荷载-跨中挠度曲线均呈现出应变硬化特征，跨中挠度均大于30 mm，采用标准养护得到的试验曲线较自然养护、溶液养护得到的曲线更加稳定。

由图5可见，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的开裂强度分别为3.018 MPa、3.012 MPa、3.594 MPa，大小关系为:CHC＞SC＞NC。标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的抗弯强度分别为7.602 MPa、6.660 MPa、7.494 MPa，大小关系为:SC＞CHC＞NC。两个强度指标呈现不同规律，这是因为开裂强度与基体强度有关，抗弯强度则与水泥基材料复合后的性能即基体强度以及纤维桥联作用有关。三种养护条件下，材料抗弯强度较开裂强度均有明显提升，标准养护、自然养护、溶液养护分别提升了151.8%、121.1%、18.5%。

由图6可见，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的开裂挠度分别为0.976 mm、1.205 mm、0.488 mm，大小关系为:NC＞SC＞CHC。标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的极限挠度分别为38.490 mm、31.585 mm、34.394 mm，大小关系为:SC＞CHC＞NC。三种养护条件下，极限挠度均有较好的提升，但开裂挠度与极限挠度也呈现不同规律。这是因为开裂挠度受基体强度影响，基体强度越高，开裂强度越大，裂缝发生时挠度较小。极限挠度则是对复合材料弯曲性能的体现，在相同条件下，弯曲性能越好，材料的极限挠度越大。

2.3 养护条件对再生砖微粉ECC拉伸性能的影响

不同养护条件下材料单轴拉伸试验得到的应力-应变曲线如图7所示。根据应力-应变曲线，可计算得到材料的开裂应力、开裂应变、极限应力和极限应变。材料应力指标如图8所示，材料应变指标如图9所示。

图9 不同养护条件下的应变指标

由图7可见，不同养护条件下，材料单轴拉伸试验应力-应变曲线均呈现出一定的应变硬化特征。

图7 不同养护条件下的应力-应变曲线

由图8可见，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的开裂应力分别为1.792 MPa、1.704 MPa、1.957 MPa，大小关系为:CHC＞SC＞NC。材料的极限应力分别为2.168 MPa、2.020 MPa、2.120 MPa，大小关系为:SC＞CHC＞NC，与开裂应力的规律不同。三种养护条件下，材料极限应力较开裂应力均有一定的提高，标准养护、自然养护、溶液养护下分别提升了20.9%、8.3%、18.5%，标准养护条件下应力增加效果更好。

图8 不同养护条件下的应力指标

由图9可知，标准养护、自然养护和溶液养护条件下，材料的开裂应变分别为0.235%、0.141%、0.323%，大小关系为:CHC＞SC＞NC。材料的极限应变分别为3.301%、1.644%、1.445%，大小关系为:SC＞NC＞CHC。三种养护条件下，材料的极限应变较开裂挠度均有较好的提升，标准养护、自然养护、溶液养护下分别提升了13.05倍、10.66倍、3.47倍。三种养护条件下材料的极限应变差距较大，标准养护下极限应变最大，试件开裂时间最晚。

单轴拉伸极限应变体现了纤维桥联作用对纤维增强复合材料性能的影响。溶液养护基体强度高，开裂应力大，桥联应力相对较小，对裂缝开展后控制能力较低，极限应变较小；自然养护时，基体密实度较差，虽基体强度较低，但基体内易产生薄弱面，导致极限应变较低[18]。

3 结论

利用废弃烧结砖制备再生砖粉，取代传统天然材料ECC中的石英砂制备超高韧性混凝土。研究分析不同养护条件对再生砖粉超高韧性混凝土的力学性能的影响，主要结论如下:

1）标准养护条件下，RBP-ECC抗折强度最高；溶液养护条件下，RBP-ECC抗压强度最高；标准养护条件下，RBP-ECC压折比最小。不同养护条件下材料柔韧性关系为：SC＞CHC＞NC。

2）溶液养护时，RBP-ECC受弯开裂强度最高，标准养护时，RBP-ECC抗弯强度最高；自然养护时，RBP-ECC受弯开裂挠度最大，标准养护时，RBP-ECC受弯极限挠度最大。综合考虑RBP-ECC的强度指标和挠度指标，三种养护条件下试件均展现出较好的增强增韧效果，从强度增加以及弯曲极限挠度评定，养护效果优异关系为:SC＞CHC＞NC。

3）溶液养护条件下，RBP-ECC受拉开裂应力和开裂应变最大，而在标准养护条件下，RBP-ECC极限拉应力和极限拉应变最大。综合考虑不同养护条件下应力指标和开裂指标，标准养护下试件拉伸性能整体优于自然养护、溶液养护，养护效果优异关系为:SC＞NC＞CHC。