活性再生粉纖維增強(qiáng)應(yīng)變硬化水泥基材料彎曲及拉伸韌性

吳瑞雪，張 鵬，趙鐵軍，郭得陽(yáng)

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033)

0 引 言

快速城市化進(jìn)程導(dǎo)致了大量建筑垃圾產(chǎn)生，占用了大量的城市土地，給人類(lèi)社會(huì)和自然環(huán)境帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)[1]。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種有效的建筑垃圾回收利用方法[2]。砂漿、混凝土和磚廢料是建筑廢料的主體，常用的回收利用方式是將廢料粉碎成再生骨料，用于新拌混凝土中[3]。關(guān)于再生骨料的研究，主要包含再生骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)[4]、早期性能[5]、力學(xué)強(qiáng)度[6]和耐久性[7]4個(gè)方面。由于再生骨料孔隙率較高且具有多界面特性，摻加再生骨料會(huì)降低混凝土的力學(xué)及耐久性能。通過(guò)配合比和制備方法的優(yōu)化[8]、機(jī)械增強(qiáng)[9]、納米材料改性[10]和CO2固化處理[11]等方法，可以改善含有再生骨料的混凝土的基本性能，但這些改進(jìn)方法能耗高、耗時(shí)長(zhǎng)[9]。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種高效的建筑垃圾資源化技術(shù)。

再生骨料制備過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些粗粉，占建筑垃圾質(zhì)量的20%～30%，其中粒徑較大的粗粉為非活性，通常用作建筑工程填料，回收效率較低。近年來(lái)，一些學(xué)者嘗試將建筑垃圾中的活性再生粉體(RP)作為輔助膠凝材料(SCM)，用于制備新混凝土，這種方法可以有效地回收利用建筑垃圾再生中獲得的粗粉體[12]。將各種建筑垃圾和粗粉用球磨機(jī)研磨成最大粒徑為150 μm的細(xì)RP，RP的活性隨粒徑的減小而增大，所得的活性RP可用作SCM和混凝土制備。RP降低了水泥基材料對(duì)水泥和傳統(tǒng)SCM(如粉煤灰和礦粉)的要求，具有環(huán)保和低碳排放的特點(diǎn)[13]，但不會(huì)改變水泥基材料中水化產(chǎn)物的類(lèi)型[14]。

水泥基材料具有良好的抗壓強(qiáng)度，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但抗折、抗拉強(qiáng)度低是水泥基材料的一個(gè)主要缺點(diǎn)，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(FRCC)可有效改善水泥基材料的抗折、抗拉性能。由于纖維可提供橋接作用，摻入纖維可提高水泥基材料的延性和韌性[15]，摻入高體積纖維可使材料發(fā)生應(yīng)變硬化行為[16]。然而，F(xiàn)RCC中含有大量的水泥和粉煤灰，原材料生產(chǎn)耗能較高[17]。一些學(xué)者嘗試用RP制備FRCC，如Wang等[18]和余江滔等[2]發(fā)現(xiàn)RP可成功應(yīng)用于FRCC中，并且RP的加入使FRCC具有良好的拉伸和彎曲性能[19]。此外，RP還可降低FRCC的自收縮[20]。然而，以往的研究較少考慮RP類(lèi)型和取代率對(duì)FRCC力學(xué)性能的影響。

本文研究了不同類(lèi)型和含量的RP對(duì)FRCC的微觀性能和力學(xué)強(qiáng)度的影響，并將粉煤灰(FA)和不同RPs對(duì)FRCC力學(xué)性能的影響進(jìn)行了比較，進(jìn)一步研究了聚乙烯醇纖維(PVA)含量和不同RP材料對(duì)活性再生粉體纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(RP-FRCC)力學(xué)強(qiáng)度的影響。通過(guò)測(cè)定復(fù)合材料的抗折、抗拉強(qiáng)度，對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了定量分析。本研究結(jié)果可為RP廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料提供試驗(yàn)及理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料及配合比

試驗(yàn)采用青島山水P.O42.5水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰；日本KURARAY公司生產(chǎn)的REC15型PVA纖維，基本性能指標(biāo)如表1所示。拌合水為普通自來(lái)水，外加劑為聚羧酸高效減水劑，再生粉體利用不

表1 PVA纖維性能參數(shù)Table 1 Performance Parameters of PVA Fiber

同類(lèi)別的建筑垃圾進(jìn)行制備。

本文采用的再生粉體主要包含再生砂漿粉(RMP)、再生混凝土粉(RCP)和再生磚粉(RBP)。先將各類(lèi)建筑垃圾用機(jī)械破碎機(jī)分離粉碎成再生骨料，再利用最大尺寸為75 μm的QM3SP2L球磨機(jī)將粉碎后的再生骨料粉碎成各種反應(yīng)性再生粉(RPs)，圖1顯示了水泥、粉煤灰(FA)和各種RP的粒徑比較，RP的粒徑小于水泥和FA，增強(qiáng)了水泥基材料的填充效果，有助于增強(qiáng)RP-FRCC的微觀結(jié)構(gòu)特性。

本文研究了PVA纖維含量對(duì)FRCC力學(xué)強(qiáng)度的影響，以F-54 RMP為基體，PVA纖維含量分別為0(體積分?jǐn)?shù)為0%)、6.5(體積分?jǐn)?shù)為0.05%)、13(體積分?jǐn)?shù)為0.10%)、26 g(體積分?jǐn)?shù)為0.20%)。進(jìn)一步研究了SCM類(lèi)型對(duì)FRCC力學(xué)強(qiáng)度的影響，在FRCC中，F(xiàn)A和各種RPs的取代率均為54%。在此情況下，以F-54 FA為對(duì)照組，將FA制備的FRCC和RP制備的FRCC的力學(xué)性能進(jìn)行了比較，不同材料類(lèi)型和纖維含量的配合比如表2所示。

表2 FRCC配合比Table 2 Mix Proportions of FRCC

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)表2配合比制備試件。經(jīng)過(guò)3 d和28 d的養(yǎng)護(hù)，對(duì)固化后試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)和力學(xué)性能測(cè)定。采用S-4800 Ⅱ掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)不同膠凝材料和RPs的表觀特征、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)；通過(guò)X射線熒光(XRF)、X射線衍射(XRD)測(cè)試手段，研究了不同類(lèi)型和含量的RPs的礦物組成和水化產(chǎn)物。

通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)定FRCC的應(yīng)變硬化特性，啞鈴型試件尺寸如圖2所示，本試驗(yàn)選用日本島津生產(chǎn)的AG-TS 250 kN的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行單軸拉伸和彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)如圖3所示，加載速率為0.1 mm·min-1。彎曲試驗(yàn)如圖4所示，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，加載速率為0.1 mm·min-1，直至破壞，得到內(nèi)摻再生粉體的FRCC的荷載-位移曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 RP微觀形貌及礦物組成

SEM掃描結(jié)果如圖5所示，可以看出再生粉體的顆粒呈現(xiàn)圓形或橢圓形，相比水泥顆粒邊界更加規(guī)則，棱角較少。RMP和RCP具有相似的形貌，小顆粒較多，結(jié)構(gòu)較松散。再生粉體的顆粒微細(xì)，比表面積較高，粒度分布比較均勻。這樣的顆粒細(xì)度和粒度分布有利于再生粉體在混凝土中發(fā)揮活性，保持強(qiáng)度，但較高的比表面積會(huì)提高混凝土的需水量，對(duì)混凝土的工作性能會(huì)有所影響[21]。

圖6(a)為水泥、FA和再生粉體的XRF結(jié)果，可以看出，3種再生粉體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，來(lái)源于混凝土中的骨料。SiO2通常不參與水泥的水化反應(yīng)，主要起填充作用。另外可以注意到，RCP中元素組成和普通水泥的元素組成最相近。圖6(b)為水泥、FA和再生粉體的XRD結(jié)果，可以看出RMP和RCP的主要化學(xué)產(chǎn)物組成相近，化學(xué)組成相對(duì)其他膠凝材料更加豐富。

不同RMP含量的水泥基材料的XRD圖譜如圖7(a)所示。摻入RMP后，水泥漿體中SiO2含量增加，Ca(OH)2含量降低。盡管高含量SiO2、高細(xì)度RMP會(huì)促進(jìn)火山灰和填料效應(yīng)，但水化產(chǎn)物的減少會(huì)降低水泥基材料的強(qiáng)度[16]。當(dāng)各種RPs的取代率均為54%時(shí)，水泥漿體的XRD圖譜如圖7(b)所示。與未摻RP的素水泥漿體XRD圖譜相比，摻入RP的再生粉體均降低了水泥基材料中Ca(OH)2的含量，但摻入RMP和RBP增加了SiO2的含量，摻入RCP增加了CaCO3的含量。

2.2 不同纖維摻量下RP-FRCC的彎曲性能

不同纖維含量、相同RMP摻量的FRCC在彎曲荷載下的荷載-位移曲線如圖8所示。在沒(méi)有纖維摻入情況下，隨著荷載的增加，主裂紋迅速發(fā)展，試件發(fā)生脆性破壞。纖維含量為6.5 g的F-54RMP試件隨著荷載的增加，主裂紋迅速發(fā)展，荷載-位移曲線出現(xiàn)2個(gè)峰值，第2個(gè)峰值低于第1個(gè)峰值。纖維含量為13 g的F-54RMP的荷載-位移曲線出現(xiàn)了2條主裂紋直至失效，雖然從荷載-位移曲線上仍然可以觀察到2個(gè)峰值，但第2個(gè)峰值高于第1個(gè)峰值，在這種情況下，出現(xiàn)了輕微的應(yīng)變硬化行為。當(dāng)PVA纖維含量為26 g時(shí)，從荷載-位移曲線上可以觀察到典型的應(yīng)變硬化特征，F(xiàn)RCC試樣表面分布多處裂紋。

極限荷載定義為荷載-位移曲線中施加荷載的最大值，極限位移定義為荷載-位移曲線中上升階段或水平階段的最大位移。表3給出了不同纖維含量的RP-FRCC在彎曲荷載下的極限荷載和極限位移。由圖8(a)可以看出，纖維摻量為0 g時(shí)，試件在彎曲試驗(yàn)中表現(xiàn)出了典型的混凝土脆性破壞，當(dāng)試件達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，1條主裂縫貫穿破壞。由圖8(b)～(d)可以看出，由于纖維的摻入，在拉伸階段，纖維與基體一同承擔(dān)拉伸應(yīng)力。根據(jù)開(kāi)裂強(qiáng)度準(zhǔn)則和穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂準(zhǔn)則[22]，當(dāng)基體達(dá)到極限應(yīng)變后基體開(kāi)裂，這時(shí)纖維起到了橋聯(lián)作用，發(fā)揮荷載承受能力與吸收能力，因此荷載-位移曲線出現(xiàn)了2次波峰，如圖8(b)、(c)所示。較少纖維摻入時(shí)，隨著荷載進(jìn)一步增加，基體強(qiáng)度超過(guò)了纖維的最大橋接應(yīng)力，纖維拔斷，使力無(wú)法傳遞，限制了多裂縫的出現(xiàn)，材料表現(xiàn)出應(yīng)變軟化。當(dāng)纖維摻入達(dá)到一定體量時(shí)，裂縫表面的纖維足以支撐荷載的增加，并將荷載傳遞給附近基體，當(dāng)荷載持續(xù)增加時(shí)，再次達(dá)到基體的開(kāi)裂強(qiáng)度，新裂縫產(chǎn)生，由此反復(fù)，則出現(xiàn)了優(yōu)異的應(yīng)變硬化特性和多縫開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖8(d)所示。RP-FRCC的極限荷載和極限位移均隨纖維含量的增加而增加，且極限位移的增加比極限荷載的增加更為顯著。例如，纖維含量為13、26 g的RP-FRCC的極限荷載分別比不含纖維的FRCC高20.5%和138.6%，極限位移分別高246.2%和726.9%。這是因?yàn)閾饺肜w維提高了水泥漿體與PVA纖維之間的裂縫橋接力，纖維的存在抑制了彎曲荷載下裂縫的形成和發(fā)展，但當(dāng)PVA纖維摻入量較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多重裂縫現(xiàn)象。

表3彎曲荷載下不同纖維含量RP-FRCC的極限荷載和位移Table 3 Ultimate Loads and Displacements of RP-FRCC with Different Fiber Contents Under Flexural Loading

2.3 不同再生粉體制備的FRCC的彎曲性能

內(nèi)摻FA和不同再生粉體的FRCC在彎曲荷載下的荷載-位移曲線如圖9所示，F(xiàn)A和各種RPs的取代率均為54%。結(jié)果表明，F(xiàn)-54 FA的極限位移高于RP制備的FRCC，且F-54 FA具有最好的應(yīng)變硬化性能，其極限位移分別比F-54 RMP、F-54 RCP和F-54 RBP高17.4%、25.7%、16.5%。然而，F(xiàn)-54 FA的極限荷載比RP制備的FRCC低，如F-54 FA的極限荷載比F-54 RMP、F-54 RCP和F-54 RBP分別低13.6%、11.6%、19.6%。這是因?yàn)镕A的火山灰活性、微球和填料效應(yīng)有助于改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高FRCC的延性。此外，F(xiàn)-54 FA的基體強(qiáng)度低于RP制備的FRCC，基體強(qiáng)度的降低也有助于提高FRCC的延性。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化模型[23]，應(yīng)變硬化水泥基材料的硬化進(jìn)程大致分為彈性階段、裂縫增加的非線性階段、穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂階段(硬化階段)和裂縫的局部擴(kuò)展階段，而材料的應(yīng)變硬化特性指標(biāo)主要體現(xiàn)在第3階段即硬化階段，第3階段末的應(yīng)變參數(shù)即可表示該基體的應(yīng)變硬化特性。表4為不同RPs的FRCC在彎曲荷載作用下的極限荷載和位移。FA制備的FRCC表現(xiàn)出了最優(yōu)異的應(yīng)變硬化特性，其極限應(yīng)變比其他組分別高出17.6%、25.7%、16.5%。RMP和RBP制備的FRCC的極限位移和荷載高于RCP制備的FRCC。這主要是因?yàn)镽MP和RBP的反應(yīng)性高于RCP，反應(yīng)性的增加有助于提高FRCC的彎曲性能。此外，RMP和RBP含有高含量的SiO2和Al2O3，這些成分促進(jìn)了膠凝材料的火山灰反應(yīng)，從而改善了微觀結(jié)構(gòu)，增加了漿體與PVA纖維之間的摩擦力[2]。

表4不同RPs的FRCC在彎曲荷載作用下的極限荷載和位移Table 4 Ultimate Loads and Displacements of FRCC with Different RPs Under Flexural Loading

2.4 內(nèi)摻再生粉FRCC的單軸拉伸性能

根據(jù)應(yīng)變硬化理論及試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的每一次波動(dòng)即代表著1條新裂縫的出現(xiàn)，從前述纖維橋聯(lián)機(jī)理也可以說(shuō)明這一特點(diǎn)，而且曲線的波動(dòng)幅度也跟裂縫寬度有關(guān)，曲線波動(dòng)幅度越大就說(shuō)明由此產(chǎn)生的裂縫寬度越大[24]。圖10(a)～(d)也充分表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化的雙線性模型特點(diǎn)，在試件第1條裂縫出現(xiàn)后，由于纖維的橋聯(lián)而產(chǎn)生的應(yīng)力傳導(dǎo)分散作用，應(yīng)力隨著拉應(yīng)變的增加緩慢增大，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，且裂縫寬度也隨之緩慢增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一極限值，試件在主裂縫位置破壞[24-25]。圖10為含F(xiàn)A和各種RPs的FRCC在單軸拉伸作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，F(xiàn)A和各種RPs的取代率均為54%。單軸拉伸結(jié)果顯示出了與彎曲試驗(yàn)基本相同的變化規(guī)律，F(xiàn)-54 FA的極限應(yīng)變相較于F-54 RMP、F-54 RCP、F-54 RBP最大，其中F-54 RCP極限應(yīng)變相較于F-54 RMP、F-54 RBP兩組，拉伸性能減弱的程度較大，但RPs替代下的FRCC試件其初始應(yīng)力和極限應(yīng)力均得到了一定程度的提升，這是因?yàn)榛钚許iO2可以與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣，RP反應(yīng)性的增加有助于提高基體強(qiáng)度。

表5為不同RPs制備的FRCC單軸拉伸性能，可以看出F-54 FA極限應(yīng)變達(dá)到3.75%，F(xiàn)-54 RMP、F-54 RCP、F-54 RBP極限應(yīng)變比F-54 FA分別降低了3.7%、43.9%、4%，而極限應(yīng)力分別增加了15.8%、11.1%、17.2%。這也再一次驗(yàn)證了前述研究成果的準(zhǔn)確性，F(xiàn)RCC準(zhǔn)應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂性能主要依賴于PVA纖維的橋接作用，F(xiàn)A的微觀結(jié)構(gòu)呈球形，其含有的玻璃微珠在水泥基體中能夠起到滾珠軸承的作用，從而增強(qiáng)了纖維與基體之間的潤(rùn)滑作用，在拉伸過(guò)程中使得更多的纖維從基體中拔出而非拔斷，進(jìn)而增強(qiáng)了材料的韌性。然而，各種RPs的二次水化反應(yīng)使得基體強(qiáng)度進(jìn)一步提高，加大了基體與纖維之間的黏性，而且其微觀結(jié)構(gòu)幾乎是不規(guī)則的，并且可以觀察到一些棱角，在單軸拉伸過(guò)程中，基體內(nèi)的一些不規(guī)則棱角對(duì)部分纖維造成破壞，導(dǎo)致部分纖維的橋聯(lián)作用尚未發(fā)揮便被拉斷，從圖10曲線的波動(dòng)性上也可以明顯看出這一特點(diǎn)[24]。

表5不同RPs制備的FRCC的單軸拉伸性能Table 5 Uniaxial Tensile Properties of FRCC Prepared by Different RPs

3 結(jié)語(yǔ)

(1)再生粉體的顆粒微細(xì)，比表面積較高，粒度分布比較均勻。RMP和RBP的加入增加了SiO2的含量，可以增強(qiáng)其與基體間的二次水化反應(yīng)，RCP的利用顯著增加了水泥基材料的CaCO3含量，再生粉體的摻入可有效提高FRCC的拉伸和彎曲強(qiáng)度。

(2)再生粉體FRCC彎曲韌性隨著PVA纖維體積摻量的提高而增加,當(dāng)PVA纖維摻量約為2.0%時(shí)，再生粉體FRCC具有明顯的多縫開(kāi)裂現(xiàn)象和應(yīng)變硬化性能。當(dāng)PVA體積摻量為0.5%、1.0%和2.0%時(shí)，再生粉體FRCC的極限位移分別為0.6、0.9、2.15 mm。

(3)RP反應(yīng)性的增加有助于提高FRCC的彎曲強(qiáng)度。相較于FA來(lái)說(shuō)，RMP、RCP、RBP的摻入分別提高FRCC強(qiáng)度約13.6%、11.6%、19.6%。RMP和RBP制備的FRCC比RCP制備的FRCC具有更好的應(yīng)變硬化性能。相較于FA來(lái)說(shuō)，RP的摻入增加了水泥基材料的水化產(chǎn)物和基體強(qiáng)度。

(4)RMP、RBP反應(yīng)性的增加，在基本不降低拉伸應(yīng)變的情況下，有助于提高FRCC的單軸拉伸強(qiáng)度。FA的摻入削弱了纖維與基體的化學(xué)黏結(jié)，改善界面特性，從而增大了極限應(yīng)變，優(yōu)化了FRCC的應(yīng)變硬化特性。相較于FA來(lái)說(shuō)，RMP、RCP、RBP的摻入，增加了高含量的SiO2和Al2O3，這些成分促進(jìn)了膠凝材料的火山灰反應(yīng)，增強(qiáng)了基體強(qiáng)度，強(qiáng)度分別提高了15.8%、11.1%、17.2%，而RMP、RBP的極限應(yīng)變僅降低4%，RCP的極限應(yīng)變下降幅度相對(duì)較大，但極限應(yīng)變依然能夠達(dá)到2.5%。