活性再生粉纤维增强应变硬化水泥基材料弯曲及拉伸韧性

吴瑞雪，张 鹏，赵铁军，郭得阳

(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033)

0 引 言

快速城市化进程导致了大量建筑垃圾产生，占用了大量的城市土地，给人类社会和自然环境带来了巨大的负担[1]。因此，亟需开发一种有效的建筑垃圾回收利用方法[2]。砂浆、混凝土和砖废料是建筑废料的主体，常用的回收利用方式是将废料粉碎成再生骨料，用于新拌混凝土中[3]。关于再生骨料的研究，主要包含再生骨料混凝土的微观结构[4]、早期性能[5]、力学强度[6]和耐久性[7]4个方面。由于再生骨料孔隙率较高且具有多界面特性，掺加再生骨料会降低混凝土的力学及耐久性能。通过配合比和制备方法的优化[8]、机械增强[9]、纳米材料改性[10]和CO2固化处理[11]等方法，可以改善含有再生骨料的混凝土的基本性能，但这些改进方法能耗高、耗时长[9]。因此，亟需开发一种高效的建筑垃圾资源化技术。

再生骨料制备过程中不可避免地会产生一些粗粉，占建筑垃圾质量的20%～30%，其中粒径较大的粗粉为非活性，通常用作建筑工程填料，回收效率较低。近年来，一些学者尝试将建筑垃圾中的活性再生粉体(RP)作为辅助胶凝材料(SCM)，用于制备新混凝土，这种方法可以有效地回收利用建筑垃圾再生中获得的粗粉体[12]。将各种建筑垃圾和粗粉用球磨机研磨成最大粒径为150 μm的细RP，RP的活性随粒径的减小而增大，所得的活性RP可用作SCM和混凝土制备。RP降低了水泥基材料对水泥和传统SCM(如粉煤灰和矿粉)的要求，具有环保和低碳排放的特点[13]，但不会改变水泥基材料中水化产物的类型[14]。

水泥基材料具有良好的抗压强度，在建筑工程中得到了广泛的应用，但抗折、抗拉强度低是水泥基材料的一个主要缺点，纤维增强水泥基复合材料(FRCC)可有效改善水泥基材料的抗折、抗拉性能。由于纤维可提供桥接作用，掺入纤维可提高水泥基材料的延性和韧性[15]，掺入高体积纤维可使材料发生应变硬化行为[16]。然而，FRCC中含有大量的水泥和粉煤灰，原材料生产耗能较高[17]。一些学者尝试用RP制备FRCC，如Wang等[18]和余江滔等[2]发现RP可成功应用于FRCC中，并且RP的加入使FRCC具有良好的拉伸和弯曲性能[19]。此外，RP还可降低FRCC的自收缩[20]。然而，以往的研究较少考虑RP类型和取代率对FRCC力学性能的影响。

本文研究了不同类型和含量的RP对FRCC的微观性能和力学强度的影响，并将粉煤灰(FA)和不同RPs对FRCC力学性能的影响进行了比较，进一步研究了聚乙烯醇纤维(PVA)含量和不同RP材料对活性再生粉体纤维增强水泥基复合材料(RP-FRCC)力学强度的影响。通过测定复合材料的抗折、抗拉强度，对力学参数进行了定量分析。本研究结果可为RP广泛应用于纤维增强水泥基复合材料提供试验及理论基础。

1 试验概况

1.1 材料及配合比

试验采用青岛山水P.O42.5水泥，Ⅰ级粉煤灰；日本KURARAY公司生产的REC15型PVA纤维，基本性能指标如表1所示。拌合水为普通自来水，外加剂为聚羧酸高效减水剂，再生粉体利用不

表1 PVA纤维性能参数Table 1 Performance Parameters of PVA Fiber

同类别的建筑垃圾进行制备。

本文采用的再生粉体主要包含再生砂浆粉(RMP)、再生混凝土粉(RCP)和再生砖粉(RBP)。先将各类建筑垃圾用机械破碎机分离粉碎成再生骨料，再利用最大尺寸为75 μm的QM3SP2L球磨机将粉碎后的再生骨料粉碎成各种反应性再生粉(RPs)，图1显示了水泥、粉煤灰(FA)和各种RP的粒径比较，RP的粒径小于水泥和FA，增强了水泥基材料的填充效果，有助于增强RP-FRCC的微观结构特性。

本文研究了PVA纤维含量对FRCC力学强度的影响，以F-54 RMP为基体，PVA纤维含量分别为0(体积分数为0%)、6.5(体积分数为0.05%)、13(体积分数为0.10%)、26 g(体积分数为0.20%)。进一步研究了SCM类型对FRCC力学强度的影响，在FRCC中，FA和各种RPs的取代率均为54%。在此情况下，以F-54 FA为对照组，将FA制备的FRCC和RP制备的FRCC的力学性能进行了比较，不同材料类型和纤维含量的配合比如表2所示。

表2 FRCC配合比Table 2 Mix Proportions of FRCC

1.2 试验方法

根据表2配合比制备试件。经过3 d和28 d的养护，对固化后试件进行微观结构观测和力学性能测定。采用S-4800 Ⅱ扫描电子显微镜(SEM)对不同胶凝材料和RPs的表观特征、微观结构进行观测；通过X射线荧光(XRF)、X射线衍射(XRD)测试手段，研究了不同类型和含量的RPs的矿物组成和水化产物。

通过单轴拉伸试验测定FRCC的应变硬化特性，哑铃型试件尺寸如图2所示，本试验选用日本岛津生产的AG-TS 250 kN的万能试验机，进行单轴拉伸和弯曲试验。拉伸试验如图3所示，加载速率为0.1 mm·min-1。弯曲试验如图4所示，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，加载速率为0.1 mm·min-1，直至破坏，得到内掺再生粉体的FRCC的荷载-位移曲线。

2 结果与分析

2.1 RP微观形貌及矿物组成

SEM扫描结果如图5所示，可以看出再生粉体的颗粒呈现圆形或椭圆形，相比水泥颗粒边界更加规则，棱角较少。RMP和RCP具有相似的形貌，小颗粒较多，结构较松散。再生粉体的颗粒微细，比表面积较高，粒度分布比较均匀。这样的颗粒细度和粒度分布有利于再生粉体在混凝土中发挥活性，保持强度，但较高的比表面积会提高混凝土的需水量，对混凝土的工作性能会有所影响[21]。

图6(a)为水泥、FA和再生粉体的XRF结果，可以看出，3种再生粉体中硅元素含量都高于水泥，最高的是RMP和RBP。硅元素主要是以SiO2的形式存在，来源于混凝土中的骨料。SiO2通常不参与水泥的水化反应，主要起填充作用。另外可以注意到，RCP中元素组成和普通水泥的元素组成最相近。图6(b)为水泥、FA和再生粉体的XRD结果，可以看出RMP和RCP的主要化学产物组成相近，化学组成相对其他胶凝材料更加丰富。

不同RMP含量的水泥基材料的XRD图谱如图7(a)所示。掺入RMP后，水泥浆体中SiO2含量增加，Ca(OH)2含量降低。尽管高含量SiO2、高细度RMP会促进火山灰和填料效应，但水化产物的减少会降低水泥基材料的强度[16]。当各种RPs的取代率均为54%时，水泥浆体的XRD图谱如图7(b)所示。与未掺RP的素水泥浆体XRD图谱相比，掺入RP的再生粉体均降低了水泥基材料中Ca(OH)2的含量，但掺入RMP和RBP增加了SiO2的含量，掺入RCP增加了CaCO3的含量。

2.2 不同纤维掺量下RP-FRCC的弯曲性能

不同纤维含量、相同RMP掺量的FRCC在弯曲荷载下的荷载-位移曲线如图8所示。在没有纤维掺入情况下，随着荷载的增加，主裂纹迅速发展，试件发生脆性破坏。纤维含量为6.5 g的F-54RMP试件随着荷载的增加，主裂纹迅速发展，荷载-位移曲线出现2个峰值，第2个峰值低于第1个峰值。纤维含量为13 g的F-54RMP的荷载-位移曲线出现了2条主裂纹直至失效，虽然从荷载-位移曲线上仍然可以观察到2个峰值，但第2个峰值高于第1个峰值，在这种情况下，出现了轻微的应变硬化行为。当PVA纤维含量为26 g时，从荷载-位移曲线上可以观察到典型的应变硬化特征，FRCC试样表面分布多处裂纹。

极限荷载定义为荷载-位移曲线中施加荷载的最大值，极限位移定义为荷载-位移曲线中上升阶段或水平阶段的最大位移。表3给出了不同纤维含量的RP-FRCC在弯曲荷载下的极限荷载和极限位移。由图8(a)可以看出，纤维掺量为0 g时，试件在弯曲试验中表现出了典型的混凝土脆性破坏，当试件达到极限应力状态时，1条主裂缝贯穿破坏。由图8(b)～(d)可以看出，由于纤维的掺入，在拉伸阶段，纤维与基体一同承担拉伸应力。根据开裂强度准则和稳态开裂准则[22]，当基体达到极限应变后基体开裂，这时纤维起到了桥联作用，发挥荷载承受能力与吸收能力，因此荷载-位移曲线出现了2次波峰，如图8(b)、(c)所示。较少纤维掺入时，随着荷载进一步增加，基体强度超过了纤维的最大桥接应力，纤维拔断，使力无法传递，限制了多裂缝的出现，材料表现出应变软化。当纤维掺入达到一定体量时，裂缝表面的纤维足以支撑荷载的增加，并将荷载传递给附近基体，当荷载持续增加时，再次达到基体的开裂强度，新裂缝产生，由此反复，则出现了优异的应变硬化特性和多缝开裂现象，如图8(d)所示。RP-FRCC的极限荷载和极限位移均随纤维含量的增加而增加，且极限位移的增加比极限荷载的增加更为显著。例如，纤维含量为13、26 g的RP-FRCC的极限荷载分别比不含纤维的FRCC高20.5%和138.6%，极限位移分别高246.2%和726.9%。这是因为掺入纤维提高了水泥浆体与PVA纤维之间的裂缝桥接力，纤维的存在抑制了弯曲荷载下裂缝的形成和发展，但当PVA纤维掺入量较大时，会出现多重裂缝现象。

表3弯曲荷载下不同纤维含量RP-FRCC的极限荷载和位移Table 3 Ultimate Loads and Displacements of RP-FRCC with Different Fiber Contents Under Flexural Loading

2.3 不同再生粉体制备的FRCC的弯曲性能

内掺FA和不同再生粉体的FRCC在弯曲荷载下的荷载-位移曲线如图9所示，FA和各种RPs的取代率均为54%。结果表明，F-54 FA的极限位移高于RP制备的FRCC，且F-54 FA具有最好的应变硬化性能，其极限位移分别比F-54 RMP、F-54 RCP和F-54 RBP高17.4%、25.7%、16.5%。然而，F-54 FA的极限荷载比RP制备的FRCC低，如F-54 FA的极限荷载比F-54 RMP、F-54 RCP和F-54 RBP分别低13.6%、11.6%、19.6%。这是因为FA的火山灰活性、微球和填料效应有助于改善水泥基材料的微观结构，从而提高FRCC的延性。此外，F-54 FA的基体强度低于RP制备的FRCC，基体强度的降低也有助于提高FRCC的延性。

根据应力-应变曲线简化模型[23]，应变硬化水泥基材料的硬化进程大致分为弹性阶段、裂缝增加的非线性阶段、稳态开裂阶段(硬化阶段)和裂缝的局部扩展阶段，而材料的应变硬化特性指标主要体现在第3阶段即硬化阶段，第3阶段末的应变参数即可表示该基体的应变硬化特性。表4为不同RPs的FRCC在弯曲荷载作用下的极限荷载和位移。FA制备的FRCC表现出了最优异的应变硬化特性，其极限应变比其他组分别高出17.6%、25.7%、16.5%。RMP和RBP制备的FRCC的极限位移和荷载高于RCP制备的FRCC。这主要是因为RMP和RBP的反应性高于RCP，反应性的增加有助于提高FRCC的弯曲性能。此外，RMP和RBP含有高含量的SiO2和Al2O3，这些成分促进了胶凝材料的火山灰反应，从而改善了微观结构，增加了浆体与PVA纤维之间的摩擦力[2]。

表4不同RPs的FRCC在弯曲荷载作用下的极限荷载和位移Table 4 Ultimate Loads and Displacements of FRCC with Different RPs Under Flexural Loading

2.4 内掺再生粉FRCC的单轴拉伸性能

根据应变硬化理论及试验观测结构分析，应力-应变曲线中的每一次波动即代表着1条新裂缝的出现，从前述纤维桥联机理也可以说明这一特点，而且曲线的波动幅度也跟裂缝宽度有关，曲线波动幅度越大就说明由此产生的裂缝宽度越大[24]。图10(a)～(d)也充分表现出了应变硬化的双线性模型特点，在试件第1条裂缝出现后，由于纤维的桥联而产生的应力传导分散作用，应力随着拉应变的增加缓慢增大，基本处于平稳状态，且裂缝宽度也随之缓慢增大，当应力达到某一极限值，试件在主裂缝位置破坏[24-25]。图10为含FA和各种RPs的FRCC在单轴拉伸作用下的应力-应变曲线，FA和各种RPs的取代率均为54%。单轴拉伸结果显示出了与弯曲试验基本相同的变化规律，F-54 FA的极限应变相较于F-54 RMP、F-54 RCP、F-54 RBP最大，其中F-54 RCP极限应变相较于F-54 RMP、F-54 RBP两组，拉伸性能减弱的程度较大，但RPs替代下的FRCC试件其初始应力和极限应力均得到了一定程度的提升，这是因为活性SiO2可以与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙，RP反应性的增加有助于提高基体强度。

表5为不同RPs制备的FRCC单轴拉伸性能，可以看出F-54 FA极限应变达到3.75%，F-54 RMP、F-54 RCP、F-54 RBP极限应变比F-54 FA分别降低了3.7%、43.9%、4%，而极限应力分别增加了15.8%、11.1%、17.2%。这也再一次验证了前述研究成果的准确性，FRCC准应变硬化和多缝开裂性能主要依赖于PVA纤维的桥接作用，FA的微观结构呈球形，其含有的玻璃微珠在水泥基体中能够起到滚珠轴承的作用，从而增强了纤维与基体之间的润滑作用，在拉伸过程中使得更多的纤维从基体中拔出而非拔断，进而增强了材料的韧性。然而，各种RPs的二次水化反应使得基体强度进一步提高，加大了基体与纤维之间的黏性，而且其微观结构几乎是不规则的，并且可以观察到一些棱角，在单轴拉伸过程中，基体内的一些不规则棱角对部分纤维造成破坏，导致部分纤维的桥联作用尚未发挥便被拉断，从图10曲线的波动性上也可以明显看出这一特点[24]。

表5不同RPs制备的FRCC的单轴拉伸性能Table 5 Uniaxial Tensile Properties of FRCC Prepared by Different RPs

3 结语

(1)再生粉体的颗粒微细，比表面积较高，粒度分布比较均匀。RMP和RBP的加入增加了SiO2的含量，可以增强其与基体间的二次水化反应，RCP的利用显著增加了水泥基材料的CaCO3含量，再生粉体的掺入可有效提高FRCC的拉伸和弯曲强度。

(2)再生粉体FRCC弯曲韧性随着PVA纤维体积掺量的提高而增加,当PVA纤维掺量约为2.0%时，再生粉体FRCC具有明显的多缝开裂现象和应变硬化性能。当PVA体积掺量为0.5%、1.0%和2.0%时，再生粉体FRCC的极限位移分别为0.6、0.9、2.15 mm。

(3)RP反应性的增加有助于提高FRCC的弯曲强度。相较于FA来说，RMP、RCP、RBP的掺入分别提高FRCC强度约13.6%、11.6%、19.6%。RMP和RBP制备的FRCC比RCP制备的FRCC具有更好的应变硬化性能。相较于FA来说，RP的掺入增加了水泥基材料的水化产物和基体强度。

(4)RMP、RBP反应性的增加，在基本不降低拉伸应变的情况下，有助于提高FRCC的单轴拉伸强度。FA的掺入削弱了纤维与基体的化学黏结，改善界面特性，从而增大了极限应变，优化了FRCC的应变硬化特性。相较于FA来说，RMP、RCP、RBP的掺入，增加了高含量的SiO2和Al2O3，这些成分促进了胶凝材料的火山灰反应，增强了基体强度，强度分别提高了15.8%、11.1%、17.2%，而RMP、RBP的极限应变仅降低4%，RCP的极限应变下降幅度相对较大，但极限应变依然能够达到2.5%。