復(fù)合微粉和聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土抗凍性研究

王麗丹, 周志云, 葉林飛, 葉 珊

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

復(fù)合微粉和聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土抗凍性研究

王麗丹, 周志云, 葉林飛, 葉 珊

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了粉煤灰摻量、礦粉摻量、聚丙烯纖維摻量以及再生粗骨料摻量這4個(gè)水平因素對(duì)再生混凝土抗凍性的影響,對(duì)比分析其質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量,得出滿足良好抗凍性的最優(yōu)配合比.同時(shí)對(duì)最優(yōu)配合比與普通混凝土(基準(zhǔn)組)及全再生粗骨料混凝土(對(duì)比組)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析,檢驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果的合理性.

再生混凝土; 正交試驗(yàn); 抗凍性

近年來,城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)使得建筑垃圾排放量和混凝土需求量快速增長[1],面對(duì)這種情況,從資源有效利用和環(huán)境保護(hù)的角度來看,需要對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)再利用.將廢棄的混凝土經(jīng)過分離、處理后得到“再生骨料”[2],將其按一定比例或全部取代天然骨料重新配制混凝土,就生成了再生混凝土,因而再生混凝土是一種環(huán)保、綠色的再生材料,可節(jié)省天然的礦物資源,同時(shí)減輕固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染[3-4].我國北方大部分地區(qū)冬季寒冷,其環(huán)境容易使得混凝土結(jié)構(gòu)開裂惡化.各國學(xué)者對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了大量研究[5-7],但尚不夠深入.在抗凍性方面,文獻(xiàn)[8-10]進(jìn)行過相關(guān)研究,指出再生混凝土進(jìn)行合理配比能夠滿足抗凍性要求.基于上述分析,本文試驗(yàn)考慮粉煤灰摻量、礦粉摻量、聚丙烯纖維摻量以及再生粗骨料摻量4因素3水平,通過復(fù)合微粉和聚丙烯纖維單摻或復(fù)摻來改善再生粗骨料的天然缺陷,增強(qiáng)再生混凝土的抗凍性能,為再生粗骨料混凝土的應(yīng)用發(fā)展作一些探索.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

再生骨料采用上海欣歆實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的同一批再生石子,取粒徑為5～20 mm作為試驗(yàn)所需天然粗骨料;細(xì)骨料取自上海復(fù)興島附近的普通河砂,通過試驗(yàn)得到細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)Mx=2.64,屬于中砂,粒徑的級(jí)配屬于Ⅱ級(jí),平均粒徑為0.35～0.50 mm;水泥為P?O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥;粉煤灰采購于河南鄭州鞏義市晟粉煤灰加工廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰;礦粉采用上海影佳化工原料商城生產(chǎn)的影佳雙飛粉YJ-9011;纖維采購于上海影佳化工原料商城生產(chǎn)的19 mm聚丙烯纖維;減水劑為HSN引氣高效減水劑;水為自來水.按照本文正交試驗(yàn)中粉煤灰和礦粉各自的3個(gè)水平摻量逐次摻拌得到試驗(yàn)所需的復(fù)合微粉.

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)采用0.45的水灰比,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,減水劑摻量為0.5%,減水率為15%,根據(jù)施工要求的拌合物稠度和已知的粗骨料的種類及最大粒徑,確定單位體積混凝土的用水量為187 kg.因素水平如表1所示,養(yǎng)護(hù)方法選擇標(biāo)養(yǎng),砂率取固定值0.36.采用4因素3水平的L9(34)正交表[11-12]和單位體積混凝土配合比如表2所示.其中,NA為天然骨料(natural aggregate),RA為再生粗骨料(recycled aggregate),C為水泥,FA為粉煤灰,MP為礦粉,PPF為聚丙烯纖維,S為細(xì)骨料,W為水,WR為減水劑.

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Orthogonal factor level table

注:再生骨料取代率為粗骨料總質(zhì)量的百分率;粉煤灰、礦粉取代率為膠凝材料總質(zhì)量的百分率.

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

試驗(yàn)的試塊制作和抗壓試驗(yàn)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)《GBT 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,總共264個(gè).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土快凍法.試塊在凍融試驗(yàn)過程中始終處于全浸水狀態(tài),控制每凍融循環(huán)25次結(jié)束后,觀察試塊凍融現(xiàn)象并記錄,以S4組(A2B1C2D3)為例,如圖1所示.然后清洗試件表面浮渣并擦干表面水分,開始對(duì)試件稱重,測量其橫向基頻和抗壓強(qiáng)度并記錄.凍融試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示.

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土的表觀情況Fig.1 Concrete appearance after different freeze-thaw cycles表3 混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of concrete freeze-thaw test

試塊編號(hào)質(zhì)量損失率Wn/%相對(duì)動(dòng)彈性模量Pn/%N=25N=50N=75N=100N=12528d抗壓強(qiáng)度/MPaS1(A1B1C1D1)-0.0693.260.5487.251.3553.301.8043.452.3136.5139.22S2(A1B2C2D2)0.2479.931.4459.601.6453.412.4850.483.9838.8338.79S3(A1B3C3D3)0.3493.071.2091.171.3370.781.8047.903.7937.2336.19S4(A2B1C2D3)0.0399.280.6084.832.6155.333.2441.783.6638.1435.70S5(A2B2C3D1)0.6171.192.3066.384.0253.225.1844.346.7539.7329.72S6(A2B3C1D2)0.7892.932.4165.974.1750.785.2444.026.5239.8430.60S7(A3B1C3D2)-0.1380.390.5953.282.0544.343.7540.534.6433.1531.73S8(A3B2C1D3)0.4861.761.0646.812.1343.523.9643.454.7238.5233.46S9(A3B3C2D1)0.2249.981.0945.111.6345.072.8043.525.2632.6129.70

不論摻加再生粗骨料與否,混凝土外表面的剝蝕都會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)N的增加而呈現(xiàn)出越來越嚴(yán)重的趨勢.試塊在凍融循環(huán)初期,試塊外觀變化并不顯著,當(dāng)凍融次數(shù)逐漸增加循環(huán)到50次,各組試件水泥漿包裹的小砂石脫離下來,形成了這些細(xì)小孔洞,但是,混凝土表面水泥漿的整體性還是完整的;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為75次時(shí),混凝土表面的孔洞貌似有所減少,其實(shí)這是由于混凝土表面水泥漿的整體性開始被破壞,失去整體性的水泥漿把部分孔洞填補(bǔ)了;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí),混凝土表面的水泥漿開始大范圍剝落,少部分粗骨料開始暴露;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為125次時(shí),混凝土表面的水泥漿基本上全部脫落,粗骨料開始大面積裸露,試塊四角有少量殘缺.

再生混凝土的表面損傷較普通混凝土的嚴(yán)重,且隨著再生粗骨料取代率的增多,混凝土表面剝離逐漸增加,剝蝕現(xiàn)象越來越嚴(yán)重.這與混凝土質(zhì)量損失率趨勢吻合,如圖2所示.

綜合表3中各組質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量,再生混凝土摻量為0%的S1組、50%的S4組、100%的S7組的相對(duì)抗凍性達(dá)到最好.S4組的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化情況接近于S1組,且S4組50次后的質(zhì)量損失情況與陳愛玖[12]提出的纖維再生混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化情況保持一致.在混凝土中加入聚丙烯纖維對(duì)其表面剝落限制相對(duì)較小,但它有效地控制了混凝土內(nèi)部微裂縫的生成與發(fā)展,從而提高了混凝土內(nèi)部的抗?jié)B性.

圖2 質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.2 Mass loss curve along with the change of number of freeze-thaw cycles

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次后,由于再生混凝土的天然缺陷,S1組與S7組的質(zhì)量損失率出現(xiàn)較大的差異.表面附著有大量水泥砂漿且內(nèi)部存在一定損傷的再生粗骨料由于壓碎指標(biāo)大,本身強(qiáng)度較小,與新的水泥砂漿相結(jié)合過程中存在有一些較弱的過渡區(qū),使得全再生粗骨料混凝土的抗凍性能較差[13].因此,再生混凝土粗骨料的摻量成為再生混凝土抗凍性的主要因素,再生混凝土與其摻量呈負(fù)相關(guān).當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到125次時(shí),S1組、S4組、S7組相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為36.51%,36.14%,33.15%,即摻量為50%,100%的再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量相比基準(zhǔn)組分別降低了0.37%,3.36%.

2.2 正交分析

根據(jù)表3對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表4所示.

表4 極差分析表Tab.4 Range analysis table

從表4中各因素極差值的大小能夠直觀地判斷出再生混凝土摻量是影響其抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的主要因素,其次是粉煤灰摻量,再者是聚丙烯纖維摻量,最后為礦粉摻量.為了更加清晰地分析各因素水平的變化對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗凍性能的影響,繪制出正交分析點(diǎn)圖,如圖3和圖4所示.

圖3 抗壓強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖Fig.3 Orthogonal analysis diagram of the compressive strength

從正交分析點(diǎn)圖可以看出,當(dāng)混凝土中摻入再生骨料后,28 d抗壓強(qiáng)度下降很快,這與極差分析相吻合.摻量為50%,100%的混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低15.93%,22.94%,說明再生粗骨料摻量對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度不利,同時(shí)顯示,隨著再生粗骨料摻量的增大,抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢.然而,由于復(fù)合微粉部分取代水泥,復(fù)摻微粉混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度明顯低于基準(zhǔn)混凝土的.同時(shí)摻入纖維,使得強(qiáng)度有所提高,聚丙烯纖維為0.9 kg/m3摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,較基準(zhǔn)組增大了2.23 MPa.

圖4 相對(duì)動(dòng)彈性模量正交分析點(diǎn)圖Fig.4 Orthogal analysis diagram of the relative loss modulus

隨著再生粗骨料的增加,相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降,這主要是由于再生粗骨料自身使用多年,再次打碎時(shí)顆粒棱角增多,使其內(nèi)部微裂紋增多,且表面附著原有水泥硬化砂漿和石屑,導(dǎo)致抗凍性能隨著取代率的增大而減小.當(dāng)復(fù)合微粉為20%粉煤灰加5%礦粉時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到最大值.這也與陳改新等[14]提出的水泥-粉煤灰-石灰石粉三元復(fù)合膠凝材料的填充效應(yīng)相吻合.三者顆粒間發(fā)生“填充效應(yīng)”,減小了顆粒間的空隙,自由水相對(duì)增多,則漿體的流變性能增大.當(dāng)維勃稠度在18 s以內(nèi)時(shí),含氣量隨著維勃稠度的減小而呈增大的趨勢,從而間接地增強(qiáng)了混凝土的抗凍性能.同時(shí),在混凝土中加入聚丙烯纖維,纖維均勻地分布在混凝土中,與其形成良好的粘結(jié)力,在混凝土注模成型中增加了混凝土內(nèi)部的約束力,抑制了成型過程中大孔隙和裂縫的產(chǎn)生,使得成型后的機(jī)構(gòu)更加緊密,大大提高了混凝土的抗?jié)B性和抗凍性.

2.3 混凝土凍融后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

綜合分析以上結(jié)論,并兼顧經(jīng)濟(jì)效應(yīng),最后確定本試驗(yàn)最優(yōu)配合比為:A2B2C1D3(優(yōu)先組),得到工作性能良好、抗壓強(qiáng)度和抗凍性較高的再生混凝土.為了進(jìn)一步研究再生骨料混凝土的耐久性能,取優(yōu)先組的水灰比,以未加摻合料和纖維的天然混凝土和全再生粗骨料混凝土分別作為基準(zhǔn)組和對(duì)比組,對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中優(yōu)選出的最優(yōu)配合比的混凝土與天然混凝土(基準(zhǔn)組)以及全再生粗骨料混凝土(對(duì)比組)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),考察優(yōu)選結(jié)果的合理性.

從圖5中可以看出,3組混凝土凍融循環(huán)后的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線均由上升段和下降段組成.優(yōu)先組峰值抗壓強(qiáng)度雖未達(dá)到基準(zhǔn)組的,但相比對(duì)比組的提高了4.6～6.0 MPa.優(yōu)先組曲線上升段的斜率相比基準(zhǔn)組的略小,但相差不大,說明優(yōu)先組的彈性模量降低不明顯.復(fù)合微粉顆粒直徑細(xì)小,顆粒之間相互填充,使其內(nèi)部更加密實(shí),有效提高了再生混凝土的抗?jié)B性.

圖5 混凝土凍融循環(huán)后的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of concrete after different number of freeze-thaw cycles

此外,相比基準(zhǔn)組,優(yōu)先組的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段相對(duì)較平緩.在同一軸向應(yīng)力下,優(yōu)先組的應(yīng)變能較大,說明優(yōu)先組混凝土的應(yīng)變能力增強(qiáng).這主要是由于聚丙烯纖維在拌合過程中均勻分散在內(nèi)部并形成密布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可抵抗由于水結(jié)冰引起的膨脹力,降低混凝土在凍融循環(huán)條件下的微裂縫的擴(kuò)展;同時(shí),在砂漿中擠壓或阻塞其毛細(xì)管,以減少水分損失面積,水分遷移困難,使得毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)張力降低,間接增大了砂漿收縮變形和開裂的阻力,綜合增強(qiáng)了混凝土對(duì)環(huán)境的應(yīng)變能力.因此,優(yōu)先組無論在抗壓強(qiáng)度還是抗凍性上都具有較好的應(yīng)變能力.

3 結(jié) 論

a. 在凍融過程中,同等條件下?lián)接性偕橇系幕炷琳w外觀變化較普通混凝土顯著,表面水泥砂漿剝落較嚴(yán)重.

b. 在相同條件下,隨著再生骨料摻量的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性整體呈下降趨勢.

c. 結(jié)合正交試驗(yàn)分析結(jié)論,從資源再利用和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),當(dāng)采用50%再生混凝土骨料時(shí),A2B2C1D3為最優(yōu)配比組合.

d. 優(yōu)選組的應(yīng)變能力大于對(duì)比組(全再生混凝土),接近基準(zhǔn)組(天然混凝土),優(yōu)選結(jié)果較為合理.再生混凝土摻量為50%,復(fù)摻粉煤灰和聚丙烯纖維可以明顯改善混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Study on the Effect of Composite Powder and PolypropyleneFiber on the Frost Resistance of Recycled Concrete

WANG Lidan, ZHOU Zhiyun, YE Linfei, YE Shan

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The influences of 4 factors on the frost resistance of recycled concrete,including the mix quantities of fly ash,mineral powder,polypropylene fiber,and regenerated aggregate,were studied by the orthogonal testing method.The optimal ratio which meets the demands of good frost resistance was obtained by analyzing the mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of concrete.Meanwhile,the analysis on the stress-strain curves of concrete with optimal mixture ratio,ordinary concrete (reference group) and recycled aggregate concrete (control group) was carried out to examine the rationality of the optimized result.

recycledconcrete;orthogonalexperiment;frostresistance

1007-6735(2017)03-0301-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.03.016

2016-01-04

王麗丹(1992-),女,碩士研究生.研究方向:混凝土結(jié)構(gòu)低溫耐久性.E-mail:wanglidan_119@163.com

周志云(1966-),女,副教授.研究方向:混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論和耐久性.E-mail:zhouzyfj@163.com

TU 528.041

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