再生玻璃作為輔助膠凝材料制備ECC的力學及變形性能

蔡新江，戴朝煒，邵永健，田石柱

(1.蘇州科技大學土木工程學院，蘇州 215011；2.蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，蘇州 215011)

0 引 言

高延性水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)最早是由Li等[1]提出設計理論并制備出的復合材料，其在彎曲荷載和拉伸荷載下能呈現(xiàn)出多縫開裂、準應變硬化與高延性的特征。傳統(tǒng)標準的ECC采用平均粒徑為110 μm，最大尺寸為250 μm的硅砂來制備[2]，但相比普通河沙，細硅砂價格相對較高，在一定程度上限制了ECC的廣泛應用。

Zhang等[3]將細橡膠碎屑顆粒替代部分硅砂，發(fā)現(xiàn)ECC的彎曲韌性明顯增加，但抗壓強度和彎曲強度有所降低。Guan等[4]以最大尺寸為4.75 mm的粗河砂作為細骨料制備出平均拉伸應變超過9%的ECC，使得ECC材料成本降低10%以上。楊清荔[5]利用堿激發(fā)礦渣作為膠凝材料，特細河砂作為細骨料制備出抗壓強度超過77 MPa，同時極限拉伸應變超過1%的堿礦渣ECC。Li等[6]以高爐礦渣作為輔助膠凝材料，不同粒徑的再生混凝土細顆粒作為細骨料，制備出拉伸應變均高于0.8%的ECC。

不同于再生混凝土，廢玻璃渣可能造成混凝土堿骨料反應(ASR)膨脹破壞現(xiàn)象，導致其很難直接用于替代混凝土中的粗骨料。近年來，國內外學者對廢玻璃作為輔助膠凝材料或細骨料運用到建筑砂漿、普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土中開展了大量的研究，并在工程中得到實踐。Zheng等[7]發(fā)現(xiàn)當玻璃粒徑≤300 μm時，再生玻璃不會造成堿骨料反應。Ling等[8]發(fā)現(xiàn)當玻璃粒徑≤100 μm時，再生玻璃會減輕堿骨料反應。俞宣良等[9]發(fā)現(xiàn)玻璃粉作為輔助膠凝材料可有效地改善混凝土的和易性，同時對混凝土的耐久性有積極的作用。Lu等[10]采用再生玻璃粉作為輔助膠凝材料，再生玻璃砂替代部分細骨料，制備出高性能建筑砂漿。柯國軍等[11]采用粒徑≤300 μm的廢玻璃取代部分天然砂石，顯著提升了砂漿的抗壓強度和耐高溫性能。楊風玲等[12]發(fā)現(xiàn)粒徑范圍在0.075～0.15 mm的玻璃細骨料制備的混凝土后期強度增加幅度較大，且玻璃細骨料與水泥石膠結界面較好，內部結構致密。蔡新江等[13]采用再生玻璃作為細骨料制備ECC，發(fā)現(xiàn)其有助于改善ECC的多重裂縫發(fā)展能力，同時提高其延性和抗壓強度。Soliman等[14]采用超細玻璃粉替代部分硅灰、細玻璃粉作為輔助膠凝材料,玻璃砂部分或全部替代石英砂，成功制備出彈性模量更高、耐久性更好的生態(tài)型超高性能玻璃混凝土(UHPGC)。

細玻璃顆粒在微觀上具備火山灰活性，在宏觀上可改善材料的力學性能和耐久性。因此本文利用物理粉磨后的再生玻璃作為輔助膠凝材料或者細骨料來制備ECC，研究其對ECC的抗折與抗壓強度、彎曲韌性和拉伸性能的影響，為再生玻璃在ECC的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

ECC成分如下：P·O 42.5水泥；輔助膠凝材料采用2級粉煤灰(Fly Ash,FA)或堿激發(fā)后的再生玻璃粉(Glass Powder,GP)，平均粒徑為15 μm；細骨料采用石英砂(Quartz Sand,QS)或者再生玻璃砂(Glass Sand,GS)，粒徑范圍在100～200目，再生玻璃的化學成分見表1；水；聚羧酸系高效減水劑(Superplasticizer,SP)；功能性增稠劑(Thickener)；常州天怡工程纖維有限公司生產的PVA纖維，其物理力學性能見表2。

表1 再生玻璃化學成分Table 1 Chemical composition of recycled glass /%

表2 PVA纖維物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of PVA fibers

1.2 配合比

ECC配合比的設計參數：水膠比0.35，輔助膠凝材料(粉煤灰或再生玻璃粉)摻量為50%，PVA纖維體積摻量為2%，砂膠比為0.4，減水劑摻量為0.4%，功能性增稠劑摻量分別為0.05%、0.05%、0.025%和0.025%(占膠凝材料總質量的比例)。

ECC具體配合比設計見表3，其中N-ECC組采用50%粉煤灰作為輔助膠凝材料，石英砂作為細骨料；GS-ECC組采用粉煤灰作為輔助膠凝材料，100%再生玻璃砂作為細骨料；GP-ECC組采用50%再生玻璃粉作為輔助膠凝材料，石英砂作為細骨料；GPGS-ECC組采用50%再生玻璃粉作為輔助膠凝材料，100%再生玻璃砂作為細骨料。

1.3 試件成型與養(yǎng)護

首先將膠凝材料(水泥、粉煤灰或再生玻璃粉)和細骨料(石英砂或再生玻璃砂)投入攪拌鍋，低速干拌90 s；再緩慢加入由減水劑、增稠劑和水混合而成的懸濁液，低速濕拌90 s；確保拌合物變成漿體后高速攪拌2 min；此時漿體具有較好的流動性和粘聚性，分批緩慢投入PVA纖維，高速攪拌5 min。

將工作性能良好的拌和物倒入鋼模成型，在50 Hz混凝土振動臺振搗60 s，并進行抹面處理。為使試件表面平整，在上表面使用6 mm的拋光鋼板壓蓋成型，注意排除接觸面的氣泡。36 h后拆模，標準養(yǎng)護到28 d再進行抗折與抗壓、四點彎曲和單軸拉伸試驗。

1.4 測試方法

ECC的抗折與抗壓強度測試方法參考《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體進行強度測試。四點彎曲試驗采用15 mm×100 mm×400 mm的薄板試件，每組澆筑3個試塊，取其算數平均值作為該組的極限抗彎強度。通過長春試驗機研究所的DNS100型電子萬能試驗機進行彎曲試驗，位移控制，加載速率為0.5 mm/min。采用試驗機自帶的位移傳感器測量壓頭的位移，并測定彎曲荷載-跨中撓度曲線。

單軸拉伸試驗參照日本的JSCE標準[15]，試件尺寸見圖1，每組澆筑6個試塊，取其算數平均值作為該組試件的初裂應變、初裂應力、抗拉強度和極限拉伸應變。通過DNS100型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，位移控制，加載速率保持在0.5 mm/min。

圖1 單軸拉伸試驗試件Fig.1 Specimen for uniaxial tensile strength test

2 結果與討論

2.1 抗折與抗壓強度

ECC的抗折與抗壓強度見表4。相比N-ECC，采用玻璃砂作為細骨料，替代100%石英砂制備的GS-ECC，其抗折強度接近，抗壓強度增加6%；采用玻璃粉作為輔助膠凝材料制備的GP-ECC，其抗折強度下降13%，抗壓強度增加39%；摻入50%玻璃粉作為輔助膠凝材料，100%玻璃砂作為細骨料制備的GPGS-ECC，其抗折強度接近，抗壓強度增加40%。

表4 ECC的抗折與抗壓強度Table 4 Flexural strength and compressive strength of ECC /MPa

2.2 彎曲韌性

再生玻璃ECC的薄板四點彎曲試驗如圖2所示，試驗過程中測得其彎曲荷載-跨中撓度曲線，如圖3所示，同時可觀察到彎曲荷載下再生玻璃ECC多縫開裂特征，如圖4所示。分析觀察圖2～圖4發(fā)現(xiàn)，再生玻璃ECC薄板與常規(guī)ECC彎曲性能相似，進入變形硬化階段后，隨著跨中撓度的增長，彎曲荷載總體上保持緩慢增加的趨勢，同時在純彎曲段附近出現(xiàn)大量的平行微裂紋。直至某一條微裂紋擴展成局部裂縫，荷載陡降，試件破壞。相比GS-ECC，GP-ECC和GPGS-ECC在變形硬化階段更平穩(wěn)，荷載波動較小，表明裂縫形成和擴展更穩(wěn)定，微裂紋寬度更小。研究不同配合比的ECC薄板裂縫發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)其裂縫數目相近，均在20條左右。但通過HC-CK101型裂縫寬度觀測儀測量發(fā)現(xiàn)，摻入玻璃粉作為輔助膠凝材料制備的GP-ECC和GPGS-ECC薄板形成的微裂縫寬度明顯小于采用粉煤灰作為輔助膠凝材料制備的GS-ECC。

圖2 ECC薄板四點彎曲試驗Fig.2 Four-point bending test of ECC plates

圖3 彎曲荷載-跨中撓度曲線Fig.3 Bending load-midspan deflection relation curves

圖4 彎曲荷載下ECC薄板的多縫開裂特征Fig.4 Multiple cracking modes of ECC plates under bending load

GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的極限抗彎強度分別為9.69 MPa、6.61 MPa和7.8 MPa。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的極限抗彎強度下降19%；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的極限抗彎強度增加18%。

觀察峰值荷載對應的跨中撓度，GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的跨中撓度分別為20.8 mm、14.9 mm和13.6 mm。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的跨中撓度下降34.6%；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的跨中撓度下降8.7%。

通過計算薄板試件從開始加載到受壓破壞過程中彎曲荷載-跨中撓度曲線與橫坐標軸所圍的面積，可得出ECC在彎曲試驗中吸收的能量值。GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC吸收的能量分別為1 1764 N·mm、6 050 N·mm和6 176 N·mm。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的能量吸收能力下降47%，彎曲韌性降低；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的能量吸收能力變化幅度較小，彎曲韌性接近。

相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的極限抗彎強度、跨中撓度和能力量吸收能力均出現(xiàn)明顯下降；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的極限抗彎強度適當增加，跨中撓度略有降低，但能量吸收能力變化幅度較小。再生玻璃作為輔助膠凝材料或細骨料制備的ECC在彎曲荷載下，均表現(xiàn)出多縫開裂特征和較好的彎曲韌性。

2.3 單軸拉伸性能

ECC的單軸拉伸性能指標見表5。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的初裂應力增大15%，抗拉強度下降7.5%；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的初裂應力增大38%，抗拉強度增加7.9%。

在試驗過程中測得ECC的單軸拉伸應力-應變曲線，如圖5所示，同時可觀察到單軸拉伸荷載下ECC的多縫開裂特征，見圖6。試驗發(fā)現(xiàn)，GS-ECC、GP-ECC和GPGS-ECC的極限拉伸應變均超過1%，特別是單摻玻璃粉的GP-ECC的平均極限拉伸應變接近3%，且所有再生玻璃ECC在拉伸荷載作用下均表現(xiàn)出多縫開裂和應變硬化特征。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的極限拉伸應變下降46%；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的極限拉伸應變下降63%。

圖5 ECC的單軸拉伸應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial tensile stress-strain curves of ECC

圖6 單軸拉伸荷載下ECC的多縫開裂特征Fig.6 Multiple cracking of ECC under uniaxial tensile load

再生玻璃ECC在拉伸荷載作用下均能表現(xiàn)出多縫開裂和應變硬化特征。相比GS-ECC，摻入玻璃粉后，GPGS-ECC的初裂應力適當增加，抗拉強度和極限拉伸應變有所下降；相比GP-ECC，摻入玻璃砂后，GPGS-ECC的初裂應力和抗拉強度增大，極限拉伸應變明顯下降。

3 結 論

(1)再生玻璃粉作為輔助膠凝材料制備ECC，其28 d抗折強度降低13%。

(2)相比N-ECC，GP-ECC、GS-ECC和GPGS-ECC的抗壓強度分別增加39%、6%和40%。

(3)相比GS-ECC，GPGS-ECC極限抗彎強度、跨中撓度和能力量吸收能力均出現(xiàn)明顯下降，極限拉伸應變降低46%；相比GP-ECC，GPGS-ECC極限抗彎強度適當增加，跨中撓度略有降低，能量吸收能力接近，極限拉伸應變下降63%。

(4)通過良好的配合比設計，GP-ECC、GS-ECC和GPGS-ECC均呈現(xiàn)多縫開裂和應變硬化特征，特別是GP-ECC平均極限拉伸應變接近3%，因此采用再生玻璃作為輔助膠凝材料或細骨料制備ECC是可行的。