再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料拉伸及开裂性能研究.pdf
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1、第 卷第期 年月建筑科学与工程学报J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n gV o l N o J u l y 引用本文:吴瑞雪,赵铁军,郭得阳再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料拉伸及开裂性能研究J建筑科学与工程学报,():WUR u i x u e,Z HA O T i e j u n,GUO D e y a n g S t u d yo nt e n s i l ea n dc r a c kp r o p e r t i e so ff i b e r r e i n f o r c
2、 e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e sw i t hr e c y c l e dm o r t a rp o w d e rJ J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,():D O I:/j j a c e 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:吴瑞雪(),女,工学博士,E m a i l:c o m.再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料拉伸及开裂性能研究吴瑞雪,赵铁军,郭得阳(青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛
3、 )摘要:将建筑垃圾研磨筛分成再生粉(再生砂浆粉、再生混凝土粉等)并替代胶凝材料制备水泥砂浆基体,是建筑垃圾再利用的有效途径.通过扫描电子显微镜对再生砂浆粉(RMP)的微观结构进行观测并利用X射线荧光对RMP的矿物组成进行了测定,将RMP替代水泥(替代率分别为 、)制备纤维增强水泥基复合材料(F R C C),研究其单轴拉伸应力应变行为及不同应变状态下裂缝宽度及分布情况.结果表明:相较于水泥,RMP的S i O含量较多,而C a O含量相对较少,一定程度上降低了胶凝材料的水化反应和基体强度;RMP粒径分布比水泥更广,较小粒径的颗粒可有效填充基体缝隙,因此当RMP替代率较大时,其对基体强度的影响
4、较小;种再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料(RMP F R C C)试件均表现出了优异的应变硬化特性和多缝开裂控制能力,极限应变均达到了以上,裂缝分布均匀,极限应变状态下的平均裂缝宽度均在 m以下;的RMP替代水泥可显著增加F R C C的应变硬化特性,但较大的替代率()则会降低其力学性能及应变指标.关键词:再生砂浆粉;建筑垃圾;纤维增强水泥基复合材料;拉伸性能;裂缝分布中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nt e n s i l ea n dc r a c kp r o p e r t i e so f f i b e r r e i n f o r c e d
5、c e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e sw i t hr e c y c l e dm o r t a rp o w d e rWUR u i x u e,Z HAOT i e j u n,GUOD e y a n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Q i n g d a o ,S h a n d o n g,C h i n a)A b s t r a c t:I t i s a
6、ne f f e c t i v ew a y t o r e u s e c o n s t r u c t i o nw a s t eb yg r i n d i n ga n ds c r e e n i n gc o n s t r u c t i o nw a s t ei n t or e c y c l e dp o w d e r(r e c y c l e d m o r t a rp o w d e r,r e c y c l e dc o n c r e t ep o w d e r,e t c)a n dr e p l a c i n gc e m e n t i t
7、 i o u sm a t e r i a l s t op r e p a r e c e m e n tm o r t a rm a t r i x T h em i c r o s t r u c t u r eo f r e c y c l e dm o r t a r p o w d e r(RMP)w a s o b s e r v e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e a n d t h e m i n e r a lc o m p o s i t i o no fRMP w a sd e t e
8、r m i n e db yX r a yf l u o r e s c e n c e RMP w a su s e dt or e p l a c ec e m e n t(t h er e p l a c e m e n tr a t e sw e r e ,a n d,r e s p e c t i v e l y)t op r e p a r ef i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s(F R C C)T h eu n i a x i a l t e n s i l e s t r
9、e s s s t r a i np r o p e r t ya n dc r a c kw i d t ha n dd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n t s t r a i n sw e r es t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hc e m e n t,RMPh a sah i g h e rS i Oc o n t e n ta n dal o w e rC a Oc o n t e n t,w h i c hr e d u c
10、 e st h eh y d r a t i o nr e a c t i o na n dm a t r i xs t r e n g t ho f c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s t oac e r t a i ne x t e n t T h ep a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no fRMPi sw i d e r t h a nt h a to f c e m e n t,a n dt h ep a r t i c l e sw i t hs m a l l e rp a r t
11、 i c l es i z ec a ne f f e c t i v e l yf i l lt h em a t r i xg a p T h e r e f o r e,w h e nt h es u b s t i t u t i o nr a t eo fRMPi s l a r g e,i th a s l i t t l ee f f e c to nt h es t r e n g t ho f t h em a t r i x T h e t h r e ek i n d so f f i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t i t i
12、o u s c o m p o s i t e sw i t hr e c y c l e dm o r t a rp o w d e r(RMP F R C C)s h o we x c e l l e n ts t r a i nh a r d e n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d m u l t i c r a c kc r a c k i n ga b i l i t y T h eu l t i m a t es t r a i nr e a c h e sm o r et h a n,t h ec r a c kd i s t r
13、i b u t i o ni su n i f o r m,a n dt h ea v e r a g ec r a c kw i d t hu n d e rt h el i m i ts t r a i ns t a t ei sb e l o w mT h er e p l a c e m e n to f RMPw i t hc e m e n tc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h es t r a i nh a r d e n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fF R C C,b u
14、 t t h e l a r g e r r e p l a c e m e n t r a t e()w i l l r e d u c e t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r a i n i n d e x e s K e yw o r d s:r e c y c l e dm o r t a r p o w d e r;c o n s t r u c t i o nw a s t e;f i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i
15、 t e;t e n s i l ep r o p e r t y;c r a c kd i s t r i b u t i o n引言随着中国社会快速发展和城镇化建设进度加快,建筑垃圾逐年剧增,近十余年建筑固废总量增长倍,而且未来一段时间增长量仍将保持在较高水平.硬化砂浆废料是制备和拆除混凝土过程中的主要衍生品,这种混凝土废料的常规填埋处置造成了严重的环境污染,甚至安全问题.因此,混凝土废料的回收技术受到了广泛关注.混凝土废料通常被粉碎成再生骨料,并在新制混凝土中重新利用 .近些年,相关学者已经开展了一系列建筑垃圾再利用的研究工作.许茜等利用机器研磨和化学强化激活再生微粉,研究表明研磨时间的
16、长短和研磨器械的选择会影响再生微粉的细度,颗粒细度越小,比表面积越大,活性越好,水化反应速度越快.李述俊等研究了再生微粉对混凝土流动性的影响,结果表明掺不同种类再生微粉浆体的减水剂用量和流动度经时损失均表现出相同的变化趋势,其减水剂用量和流动度经时损失由大到小依次为掺再生混凝土微粉浆体、掺再生砂浆微粉浆体、掺再生砖粉的浆体、纯水泥浆体.关于再生复合微粉的应用研究证实了再生复合微粉可以作为辅助胶凝材料替代水泥用于制备多种水泥基材料 .多缝开裂及微小裂缝宽度是应变硬化水泥基复合材料的主要特点,应变硬化水泥基复合材料对所掺入胶凝材料的要求较为严格.余江滔等对再生微粉水泥基复合材料极限应变下的裂缝宽度
17、进行了研究,结果发现通过掺加再生微粉制备的再生微粉水泥基复合材料仍具有较好的应变硬化特性.目前来看,再生微粉替代部分胶凝材料在水泥基复合材料中的应用研究还较少,仅仅局限在较为定性的层面,没有更多较为量化的研究成果,从而限制了再生微粉水泥基复合材料的进一步推广使用.纤维增强水泥基复合材料(F R C C)凭借优异的应变硬化特性被用于混凝土结构修复工程,但通常F R C C工程造价较高,而且含有高含量水泥和粉煤灰(F A)的F R C C并不环保.考虑到再生微粉具有辅助胶凝材料(S CM)的某些特性,一些学者尝试用再生微粉制备F R C C,通过掺入再生微粉制备环境友好型纤维增强水泥基复合材料具有
18、一定的环保和经济意义 .本文以直径为 m以下的再生砂浆粉(RMP)代替普通水泥,制备F R C C,形成再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料(RMP F R C C),并对其单轴拉伸力学性能及其不同应变状态下的裂缝分布情况进行了研究.试验 原材料及其配比试验选用P O 水泥,其化学成分如表所示;采用埃肯公司 级硅灰,其化学成分如表所示.利用颚式破碎机将废弃建筑砂浆材料进行破碎,运用球磨机进行粗磨,再利用行星磨粉机进行超细粉碎,制备RMP.超高分子量聚丙烯短切纤维(P P纤维)的基本性能指标如表所示.拌合水为普通自来水,外加剂为聚羧酸高效减水剂.材料配合比如表所示,表中 RM P F R C C中的
19、 表示RM P替代率为 .再生砂浆粉粒径及化学组成砂浆废物是拆除混凝土固体废物产生的主要废物,可回收后用于制备RMP.为了从单一类型和成第期吴瑞雪,等:再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料拉伸及开裂性能研究表P O 水泥基本化学成分T a b l eB a s i cc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fP O c e m e n t化学成分C a OS i OA lOF eOM g OS OM n OKOPON aO其他成分含量/表硅灰化学成分T a b l eC h e m i c a l c o m p o s i t i o no f s i l
20、i c a f u m e化学成分S i OKOC a OA lOM g OPOF eON aOS OT i O其他成分含量/表P P纤维主要性能指标T a b l eM a j o rp e r f o r m a n c e i n d e x e so fP Pf i b e r长度/mm直径/m弹性模量/G P a伸长率/强度/MP a密度/(gc m)表材料配合比T a b l eM a t e r i a lm i xp r o p o r t i o n试件各材料用量/(k gm)硅灰再生砂浆粉水泥石英砂水P P纤维减水剂F R C C RMP F R C C RMP F R C
21、 C RMP F R C C 分的原始废物中获得RMP,制备了硬化砂浆样品,再研磨成RMP,而不是直接从实际建筑废物中回收的原废料制备RMP.用于制备RMP原浆体的水灰比为 ,依次使用颚式破碎机、球磨机、行星磨粉机制备RMP.运用激光粒度测定仪对RMP粒径进行测定,得到的粒径分布如图所示.从图可以看出,RMP小颗粒占比较大,水泥的中值直径为 m,RMP的中值直径为 m,由此说明RMP具有更好的填充效果.图水泥与RMP粒径分布F i g P a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no f c e m e n t a n dRMP利用X射线荧光分析仪
22、对水泥与RMP化学成分进行分析.通过原级X射线光子激发RMP物质中的原子,使之产生次级的特征X射线(X光荧光),然后进行物质成分分析和化学态研究,结果如图所示.可以看出,RMP的主要成分含量和水泥基本一致,含量最高的元素都是S i和C a,但水泥中的C a含量高于RMP,RMP中S i含量是水泥中S i含量的 倍.RMP中的S i和C a主要来自原始砂浆废料中的天然砂和硬化水泥浆体.图水泥与RM P化学成分分析F i g A n a l y s i so f c h e m i c a l c o m p o s i t i o no fc e m e n t a n dRMP运用扫描电子显微
23、镜对水泥和RMP进行微观表征观测,结果如图所示.首先用 m标尺对两种材 料 进 行 放 大 倍 观 测,可 以 明 显 看 出,RMP颗粒小于水泥颗粒;然后在、m两个标尺下,对材料局部放大 倍、倍进行详细观测,发现水泥颗粒呈现较多的不规则形状,而RMP颗粒则呈现明显的圆形或者不规则圆形,这是由于粉碎过程中采用球磨机产生的磨损效果.通过微观观测可以看出,较小的颗粒粒径有利于RMP中的建筑科学与工程学报 年图水泥及RMP的外观及微观结构F i g A p p e a r a n c ea n dm i c r o s t r u c t u r eo f c e m e n t a n dRM P
24、非活性物质填充混凝土中的微孔,充分发挥填充效果,另外较小颗粒可以加速RMP中活性物质水化过程,避免因前期水化不足导致的混凝土早期强度较低.试件尺寸及试验方法制备哑铃型试件时,试件类型与尺寸参考日本规范,试件厚度为 mm.单轴拉伸力学试验所采用的设备为日本岛津生产的AG T S k N万能试验机.裂缝观测区选取中间c m长度范围,并将其分为个部分,如图所示.针对种材料配合比(表),选择从初始应变到极限应变每个整数应变点进行观测,如、等应变状态下.采用工业相机对条横向观测区进行等距拍摄,将拍摄的照片运用I m a g e P r oP l u s软件处理.图试件尺寸及观测区划分(单位:mm)F i
25、 g S p e c i m e nd i m e n s i o na n do b s e r v a t i o na r e ad i v i s i o n(u n i t:mm)试验结果与分析根据表的材料配合比制备组试件,每组个试件,对组试件进行单轴拉伸试验,同时通过L V D T传感器采集应力应变曲线,选取临近试验结果平均值的一组绘制应力应变曲线,如图所示.从图可以看出,组试件均表现出优异的应变硬化特性及多缝开裂现象,极限应变均在以上.根据国际标准规定,钢筋在最大拉应力状态下伸长率应不小于,由此可以看出,在P P纤维的增强下,RMP F R C C已 经 基 本 达 到 了 钢
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