再生细骨料UHTCC力学性能及作用机理

Mechanical Properties and Working Mechanism of UHTCC with Recycled Fine Aggregate

摘要

为探究再生细骨料（RFA）对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）工作性能和力学性能的影响规律，对RFA替代石英砂比率分别为0，25%，50%，75%和100%的UHTCC进行了流动性、抗压和单轴抗拉试验.结果表明：RFA替代率对UHTCC流动度影响不显著；UHTCC抗压强度和单轴抗拉强度均随RFA替代率的增加而降低，当RFA替代率达到50%后下降幅度增大，分别比全石英砂骨料时下降了13.9%~19.9%和11.3%~16.7%；直拉作用下UHTCC极限应变和裂缝数量随RFA替代率的增加而增加，当RFA替代率达到50%后，极限应变比全石英砂骨料时提升了27.2%~40.9%，试件逐渐呈现“饱和”细密多裂缝的破坏状态.微观结构分析表明，RFA替代率的增加有利于PVA纤维从UHTCC基体中拔出，纤维桥连裂缝作用增强.

Abstract

To investigate the effect of recycled fine aggregate （RFA） on the workability and mechanical properties of ultra-high toughness cementitious composites （UHTCC）， flowability， compressive strength， and uniaxial tensile tests were conducted on UHTCC with RFA replacement ratios of 0， 25%， 50%， 75%， and 100% for silica sand. The results indicate that the RFA replacement ratio has little effect on the flowability of UHTCC. Both the compressive and uniaxial tensile strengths of UHTCC decrease with increasing RFA replacement ratios， with a more pronounced reduction observed after the RFA replacement ratio exceeds 50%， decreasing by 13.9%~19.9% and 11.3%~16.7%， respectively， compared to specimens with pure silica sand aggregate. Under direct tension， the ultimate strain and crack numbers in UHTCC increase with higher RFA replacement ratios. When the RFA replacement ratio reaches 50%， the ultimate strain increases by 27.2%~40.9% compared to specimens with pure silica sand aggregate， and the specimens gradually exhibit a “saturated” fine and dense multi-crack failure mode. Microstructural analysis indicates that increasing the RFA replacement ratio facilitates the pull-out of PVA fibers from the UHTCC matrix， enhancing the fiber bridging effect across cracks.

Graphical abstract

关键词

超高韧性水泥基复合材料 / 再生细骨料 / 工作性能 / 力学性能 / 替代率

Key words

ultra-high toughness cementitious composite / recycled fine aggregate / workability / mechanical property / replacement ratio

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites，UHTCC）是一种具有良好应变硬化行为和多重开裂特征的纤维增强复合材料，其极限拉应变可达3%以上，极限裂缝宽度能控制在100 μm以内^［1-2］.普通UHTCC中的石英砂骨料质量占比约为26.7%，石英砂为不可再生资源且价格昂贵，因此采用再生细骨料（recycled fine aggregate，RFA）替代石英砂是制备绿色低成本UHTCC的有效途径.

废弃混凝土的科学处置和再利用是推进建筑业可持续发展的重要支撑^［3］，RFA约占废弃混凝土质量的40%~60%^［4］.目前，相关学者研究了RFA对混凝土工作性能和力学性能的影响.Cuenca-Moyano等^［5］研究表明，当RFA替代天然细骨料比率由25%增至100%时，混凝土的工作性能降低约6.5%~34.6%.Ju等^［6］研究表明，使用饱和面干状态RFA制备的混凝土其28 d抗压强度比天然骨料混凝土降低约25.6%.Bai等^［7］研究了RFA对聚乙烯（polyethylene，PE）纤维UHTCC力学性能的影响，结果表明当RFA替代率为100%时，UHTCC抗压强度和抗拉强度分别比全石英砂骨料时下降了7.2%和29.0%.然而，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）纤维制备的UHTCC具有成本低、裂缝控制能力强等优点^［8］，为了研发低碳低成本PVA-UHTCC，需要探究RFA在UHTCC基体中的作用机理.

本文采用RFA替代石英砂（替代率分别为0，25%，50%，75%和100%）制备UHTCC，通过流动性、抗压和单轴抗拉试验，分析RFA替代率对UHTCC工作性能和力学性能的影响规律.结合数字图像相关（DIC）技术分析不同RFA替代率下UHTCC在单轴拉伸作用下的裂缝分布特征，使用手持显微镜和扫描电镜（SEM）观测试件断裂处PVA纤维的形貌特征，并分析RFA在UHTCC中的作用机理.

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.09×10³ kg/m³；辅助胶凝材料为I级粉煤灰；细骨料为石英砂和C35混凝土破碎产生的RFA.其中，RFA的表观密度为2 460 kg/m³、饱和面干吸水率为6.50%、压碎值为18.5%；水泥、粉煤灰、石英砂和RFA的粒径分布见图1；石英砂和RFA的平均粒径分别为257.72和245.12 μm，微观形貌见图2.减水剂采用聚羧酸高效减水剂；纤维为国产PVA纤维，其物理及力学性能见表1.UHTCC配合比见表2，其中，水胶比为0.28，纤维体积分数为2%.编号S25R75表示石英砂和RFA分别占细骨料总质量的25%和75%.

1.2 试件制备

首先将水泥、粉煤灰和细骨料干拌2 min，然后加入称量好的水和减水剂搅拌2 min，最后缓慢加入PVA纤维，继续搅拌2 min直至纤维均匀分散.将拌好的UHTCC浆体分两次装入模具中，每次装入一半，装填后振动30 s以排除气泡，振捣密实后用保鲜膜密封，静置24 h后拆模，在相对湿度\ge95%、温度为（20±2）℃的标准养护室中养护至28 d.

1.3 试验设备及方法

根据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）测试UHTCC的流动度.依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021），使用100 kN微机控制万能试验机对尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的立方体试件进行抗压试验，加载速率为2.4 kN/s.单轴拉伸试验采用日本土木工程学会建议的狗骨形试件^［9］，加载速率为0.5 mm/min，在试件拉伸段设置一对位移计，单轴拉伸试验装置及试件尺寸见图3.使用手持显微镜观测试件拉伸过程中裂缝处的纤维桥连状态，利用DIC技术观测试件的破坏形态和裂缝特征，使用SEM观测RFA及PVA纤维的微观形貌.

2 试验结果及分析

2.1 流动度

图4为不同RFA替代石英砂比率下UHTCC的流动度，UHTCC流动度随RFA替代率的提高而降低.其中，S100R0的流动度为189 mm，S75R25，S50R50，S25R75和S0R100分别比S100R0降低了1.4%，4.7%，6.0%和8.0%.RFA的加入对UHTCC流动度有不利影响，此规律与Lotfy等^［10］的研究结果一致.这是因为RFA表面存在的旧砂浆与微细裂缝（见图2b）增加了骨料的孔隙率和吸水率^［11］，在拌和过程中会吸收更多的自由水.同时，旧砂浆的粗糙表面具有比表面积较大的特性，需要更多的水泥浆体用于包裹RFA，增加了拌合物内部的摩擦阻力^［12］.

2.2 抗压强度

图5展示了不同类型UHTCC的抗压强度随RFA替代率的变化，UHTCC的抗压强度随RFA替代率的升高而下降.S75R25，S50R50，S25R75和S0R100的抗压强度分别比S100R0降低了2.7%，6.3%，13.9%和19.9%.原因是在荷载作用下，RFA表面原有的微细裂缝处易发生应力集中^［13］.同时，原骨料、旧砂浆和新砂浆两两之间均存在界面过渡区^［14］，从而增多了UHTCC内薄弱界面的数量.此外，当RFA替代率达到50%时，UHTCC抗压强度降低幅度较大，这是因为此时RFA的含量超过了石英砂，削弱了石英砂的骨架作用^［15］.

2.3 单轴抗拉性能

2.3.1 应力-应变曲线及破坏形态

不同RFA替代率下UHTCC单轴拉伸应力-应变曲线如图6所示.所有曲线大致可分为弹性和应变硬化两个阶段：弹性阶段曲线的斜率为UHTCC弹性模量，弹性阶段曲线最高点对应的应力为初裂强度；应变硬化阶段曲线最高点对应的应力为抗拉强度，对应应变为极限应变^［16］.当RFA替代石英砂比率为25%~100%时，UHTCC弹性模量比全石英砂骨料降低18.7%~28.6%，初裂强度降低1.3%~12.1%；弹性阶段的拉伸应变逐渐升高，由0.01%增至0.05%.所有类型试件开裂后均发生应变硬化行为，且曲线的应变硬化区域加长，曲线“抖动”间隔更小且次数增多.

图7为UHTCC试件拉伸过程中裂缝处PVA纤维的桥接状态.试件刚出现裂缝时，裂缝宽度较小、数量较少，PVA纤维多数处于桥连状态（见图7a），此时多缝开裂特征并不明显；随着裂缝数量增多、宽度不断扩展，PVA纤维的连接状态由桥连变为拔出或拔断（见图7b），纤维拔出数量大于拔断数量.当裂缝数量增加至桥连纤维无法继续提供拉应力时，UHTCC试件出现分布均匀且宽度相近的裂缝，并不再产生新的裂缝，此时为UHTCC的饱和开裂状态，呈现细密多裂缝的损伤模式.图8为使用DIC技术观测到的UHTCC裂缝开展模式，所有UHTCC试样均表现出多重开裂行为.随着RFA替代率的升高，UHTCC裂缝密集程度增加，这与前面分析的曲线“抖动”次数较多直接相关，S0R100的裂缝分布更均匀.

2.3.2 单轴抗拉强度

RFA替代率对UHTCC抗拉强度的影响如图9所示，UHTCC抗拉强度随RFA替代率的增大而减小.当RFA替代率为25%，50%，75%和100%时，UHTCC的抗拉强度分别比全石英砂骨料时下降了3.4%，6.5%，11.3%和16.7%.本试验的结果与以往研究一致，即掺入RFA对UHTCC的抗拉强度存在不利影响，这是因为RFA掺入后增多了基体缺陷数量，在拉应力作用下基体容易沿缺陷处开裂^［7，17］，当RFA替代率达到50%后，UHTCC抗拉强度下降幅度增大，原因是RFA起主要骨架作用后基体缺陷分布范围更广，缺陷的相互影响更大.

2.3.3 极限应变

不同RFA替代率下UHTCC的极限应变如图10所示，UHTCC的极限应变随着RFA替代率的增加而增大.当RFA替代率为25%，50%，75%和100%时，UHTCC的极限应变分别比全石英砂骨料时上升了8.0%，13.9%，27.2%和40.9%.当RFA替代率达到50%后，UHTCC极限应变上升幅度显著增大，表明RFA在UHTCC基体中起主要骨架作用后，有利于提高UHTCC的延性，原因是RFA的掺入可以降低纤维与基体间的黏结强度，减小PVA纤维拔出时对基体造成的损伤程度，增强纤维的桥连作用^［18］.

2.4 RFA在UHTCC中的作用机理分析

图11展示了RFA在UHTCC中的作用机理.当RFA替代率为0时，UHTCC基体结构如图11a所示.石英砂具有光滑表面（见图2a），能与水泥浆体和孔隙等形成较为均质的基体^［2］.全石英砂砂浆可以紧密握裹PVA纤维，附着在PVA纤维表面的砂浆在受拉过程中对纤维产生划痕损伤，受损后的纤维容易发生拔断破坏（见图12a~图12b），因此纤维的桥连作用没有充分发挥，试件出现裂缝分布不均匀、数量较少且延性较差的破坏形态（见图8a）.

当RFA替代率为50%时，UHTCC基体结构如图11b所示.RFA掺入水泥浆体后形成多重界面过渡区，且RFA表面的旧砂浆存在微细裂缝和孔隙（见图2b），增多了UHTCC基体缺陷，导致基体密实度降低^［19］.同时，RFA吸水率大于石英砂^［11］，在拌和时会吸收更多自由水，减少了水化产物的生成，导致纤维与基体间的黏结强度下降，因此纤维在拔出时的受损程度降低，拔断的纤维数量减少.此时试件的抗拉强度降低，裂缝的数量增多、分布较均匀（见图8c），极限应变比全石英砂时提升了13.9%（见图10）.

当RFA替代率为100%时，UHTCC基体结构如图11c所示.由于RFA起骨架作用的基体与PVA纤维间的黏结强度进一步减弱，基体开裂后纤维逐渐被拔出（见图12c~图12d）而发挥桥连作用.相对于RFA替代率为50%时，UHTCC的抗拉强度降低了10.8%，而极限拉应变提高了18.5%（见图10），试件呈现“饱和”细密多裂缝的破坏形态（见图8e）.

3 结 论

1） UHTCC的流动度随RFA替代率的升高而降低，当RFA替代石英砂比率为100%时，UHTCC流动度比全石英砂骨料时降低了8.0%，表明RFA表面旧砂浆的吸水性和粗糙性对UHTCC流动度影响较小.

2） UHTCC的抗压强度随RFA替代石英砂比率的增加而降低，当RFA替代率达到50%后，下降幅度为13.9%~19.9%.相对于石英砂骨料，RFA具有原始缺陷多，在砂浆中形成多重界面过渡区的特性，对UHTCC抗压强度影响较大.

3） RFA掺入UHTCC基体导致其抗拉强度降低而极限拉应变升高.当RFA替代率达到50%后，抗拉强度比全石英砂骨料时降低了11.3%~16.7%，极限拉应变提高了27.2%~40.9%.RFA具有孔隙多、吸水性强等特点，影响砂浆基体与PVA纤维的相互作用，有利于UHTCC基体向“饱和”细密多裂缝状态发展.

4） 通过上述试验研究证明可以使用RFA制备UHTCC，根据各项试验结果综合分析得到RFA在UHTCC中的最优替代率为50%.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52178382)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2201023)