不同添加劑對(duì)再生骨料混凝土物理性能的影響

張玉廷，李文星

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 邯鄲 056000)

0 引 言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete， 簡(jiǎn)稱RAC)是將磚塊或混凝土骨料等建筑廢棄物按一定配合比重新組合加工而成的混凝土。再生骨料混凝土的價(jià)值在于利用建筑廢棄材料循環(huán)再利用，達(dá)到綠色環(huán)保的效果。多孔混凝土是一種由粗骨料為骨架，水泥、水和外加劑拌制的新型環(huán)?；炷敛牧稀Ｅc傳統(tǒng)混凝土相比，其具有透水性好、透氣性強(qiáng)、節(jié)省原料等優(yōu)點(diǎn)，多用于城市道路護(hù)坡、中央隔離帶護(hù)坡、河道護(hù)堤等工程中，其良好的透水性減輕了城市排水系統(tǒng)的壓力，同時(shí)提高了對(duì)雨水的涵養(yǎng)能力。

眾多學(xué)者基于再生骨料或多孔混凝土進(jìn)行了大量的研究。崔正龍等研究了不同強(qiáng)度等級(jí)的再生骨料混凝土強(qiáng)度和碳化規(guī)律，給出了原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)和再生骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。王玉梅針對(duì)多孔再生骨料混凝土強(qiáng)度及透水性的研究，通過(guò)改變混凝土再生骨料取代率、水灰比、目標(biāo)孔隙率，探究多孔再生骨料混凝土的強(qiáng)度和透水性最佳選擇[2]。邊亞?wèn)|采用5種單一粒徑的再生粗骨料配制無(wú)砂多孔混凝土，得出透水系數(shù)隨著再生粗骨料粒徑和目標(biāo)孔隙率的增大而增加[3]。高丹盈通過(guò)研究再生磚骨料(RBA)取代率、混雜纖維摻量、纖維種類對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，提出了考慮 RBA壓碎指標(biāo)和取代率、纖維種類和摻量等因素影響的HF/RBAC抗壓強(qiáng)度和彈性模量的計(jì)算方法[4]。李金澤通過(guò)不同水膠比實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)探究了聚丙烯纖維對(duì)再生骨料抗凍性能的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明聚丙烯纖維產(chǎn)量的較優(yōu)配比[5]。勾承成研究了再生骨料(RA)摻入量下，丙烯纖維(PPF)的摻入對(duì)試件梁裂縫的生成發(fā)展情況、屈服荷載、極限承載力、跨中撓度的影響[6]。張曉華總結(jié)了國(guó)內(nèi)外再生骨料混凝土現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[7]。

本文以華北地區(qū)為背景，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究不同摻量的聚丙希腈纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉對(duì)再生骨料多孔混凝土抗凍性、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響，通過(guò)比較各因素各水平的均差和極差，找出適合華北地區(qū)再生骨料多孔混凝土的最優(yōu)配比，得出了聚丙烯腈纖維在凍融循環(huán)下對(duì)再生骨料混凝土的抗凍性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

本實(shí)驗(yàn)采用的水泥為太行牌 P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用的是河南省侯鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰，再生骨料是由建筑垃圾破碎加工形成。粗骨料的基本性能見表1，其主要成分為水泥石骨料(約占73.28%)、磚瓦骨料(約占26.72%，其中瓷磚約占1.72%)。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，纖維采用的是聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維。聚丙烯腈纖維是一種人造纖維，外觀呈金黃色，塑鋼纖維呈波浪形，長(zhǎng)度為 30 mm，等效直徑 0.6 mm；硅灰采用的是本地某品牌硅灰，顏色為灰色。膠粉采用的是山東京久建筑科技有限公司生產(chǎn)的冷水速溶901環(huán)保膠粉，外觀為白色粉狀，pH值7～9。拌和用水和養(yǎng)護(hù)用水均采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)用水，混凝土材料配合比見表2。

表1 再生骨料的基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of recycled aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

再生骨料多孔混凝土的制備與傳統(tǒng)混凝土的澆筑方法不同，黃劍鵬[8]提出了“造殼法”更適合多孔混凝土的澆筑。本實(shí)驗(yàn)采用“造殼法”，首先在再生骨料中加入預(yù)拌水，開始攪拌直到再生骨料表面濕潤(rùn)，加入水泥、纖維等摻和料，使骨料周圍包裹上水泥漿殼，再加入剩余的拌和水?dāng)嚢? min后開始裝入模具，分層振搗壓平，使混凝土的結(jié)構(gòu)更密實(shí)。為保證試塊成型完好，2天后拆模，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，28天后取出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在有效較少實(shí)驗(yàn)次數(shù)情況下還具有均勻分散、整齊可比特點(diǎn)，本文研究聚丙烯纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉4個(gè)因素對(duì)再生骨料多孔混凝土的抗凍性影響，每個(gè)因素分3個(gè)水平。試驗(yàn)所取因素與水平見表3，正交實(shí)驗(yàn)表選用L9(34)。

2 主要儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)

由于再生骨料多孔混凝土在國(guó)內(nèi)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的抗凍等級(jí)測(cè)定方法，故本試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T 50082-2009)的要求測(cè)定，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后開始快速凍融循環(huán)。每次凍融循環(huán)在3～4 h內(nèi)完成，凍結(jié)時(shí)間與溶解時(shí)間基本相同。由于再生骨料多孔混凝土抗凍性能較差，因此本次試驗(yàn)每5次凍融循環(huán)將試件盒內(nèi)試件上下顛倒一次，以保證盒內(nèi)試件受凍均勻，并對(duì)試件的破壞情況進(jìn)行檢測(cè)。每5次凍融循環(huán)測(cè)一次試件的質(zhì)量損失，抗凍等級(jí)按照質(zhì)量損失率不超過(guò)5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定。再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度測(cè)定方法按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)對(duì)立方體混凝土試塊測(cè)定，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。見圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析方法

再生骨料多孔混凝土在凍融初期，試件外觀無(wú)明顯變化，隨著凍融次數(shù)的增加，部分骨料周圍水泥漿體開始剝落。繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)，在凍融循環(huán)達(dá)到峰值50%時(shí)，試件邊緣出現(xiàn)骨料脫落，質(zhì)量損失率開始快速增長(zhǎng)，表明試塊進(jìn)入破壞加速階段。在凍融循環(huán)達(dá)到100%時(shí)，試件端部和邊緣骨料大量脫落，試件中部裸露骨料幾乎無(wú)漿體包裹，質(zhì)量損失率超過(guò)極限設(shè)定范圍，試件完全破壞，破壞后見圖2。再生骨料多孔混凝土孔隙大，水分極易侵入混凝土內(nèi)部，造成水在凍融下的張力極易破壞試塊內(nèi)部的水泥漿體，所以凍融循環(huán)次數(shù)明顯低于普通混凝土。與天然碎石相比，再生骨料本身抗壓強(qiáng)度小，內(nèi)部均有一定的損傷，導(dǎo)致再生骨料多孔混凝土抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度低。

在正交試驗(yàn)中，通常使用極差分析法對(duì)多因素多水平的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)極差分析結(jié)果可以直觀地排列出影響因素的主次。本試驗(yàn)采用極差分析方法進(jìn)行分析，主要研究A聚丙烯腈纖維、B塑膠纖維、C硅灰及D膠粉4種添加劑對(duì)再生骨料抗壓強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)和劈裂強(qiáng)度的影響及其最佳摻量(圖3)，并且通過(guò)分析各因素各水平的均差找出影響再生骨料多孔混凝土的最優(yōu)組合，通過(guò)極差找出最優(yōu)組合下影響再生骨料多孔混凝土的主次因素。

圖2 凍融循環(huán)結(jié)果圖Fig.2 The result of freeze-thaw cycle

圖3 極差和均差變化圖Fig.3 The change chart of Range and Relief

由圖3可以看出，考察A因素(聚丙烯纖維)對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行的3組實(shí)驗(yàn)中(A1，A2，A3)，B，C，D各個(gè)水平都只出現(xiàn)了一次，B，C，D之間無(wú)交互作用，所以B，C，D各水平的組合對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)無(wú)影響，因此對(duì)于A1，A2，A3三組實(shí)驗(yàn)條件是一樣的。假若A因素對(duì)再生骨料多孔混凝土的抗凍性無(wú)影響，那么A1，A2，A3各個(gè)水平下再生骨料多孔混凝土試塊的抗凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)該是一樣，即均差相等。但從圖3(a)中可以明顯看出，A因素下各個(gè)水平的均差顯然不相等，這是由于A因素水平不同造成的A1，A2，A3水平下的均差不同，即A2試塊凍融循環(huán)次數(shù)明顯高于A1，A3試塊，A2水平為最優(yōu)水平。同理，從圖3(a)中可以直觀得出，B，C，D各因素在抗凍融循環(huán)次數(shù)指標(biāo)下的最優(yōu)水平分別為B2C2D1，故聚丙烯纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉在在抗凍融循環(huán)指標(biāo)下的最優(yōu)組合為A2B2C2D1。從圖3(b)極差中可以得出，影響再生骨料多孔混凝土凍融循環(huán)的主次順序?yàn)锽-C-D-A,及塑鋼纖維-聚丙烯腈纖維-膠粉-硅灰，塑鋼纖維是影響再生骨料多孔混凝土凍融循環(huán)的主要因素。

從圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)上可以分別得出，再生骨料多孔混凝土抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)組合為A2B3C2D2,主次順序?yàn)锽-C-D-A,即塑鋼纖維-硅灰-膠粉-聚丙烯腈纖維，塑鋼纖維是影響再生骨料多孔混凝土的主要因素；抗劈裂強(qiáng)度的最優(yōu)組合為A2B2C3D2,主次順序?yàn)锳-B-D-C，即聚丙烯腈纖維-塑鋼纖維-膠粉-硅灰，聚丙烯腈纖維是影響混凝土抗劈裂強(qiáng)度的主要因素。

因此，從圖3可以得出以下結(jié)論：

1) 塑鋼纖維在摻量0.2%時(shí)，抗凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大值，明顯高于另外兩組水平。塑鋼纖維具有一定的韌性和強(qiáng)度，在試件凍融循環(huán)過(guò)程中分擔(dān)了一部分水的凍融張力，從而提高了凍融循環(huán)次數(shù)；聚丙烯腈纖維和膠粉次之，硅灰依靠增加混凝土密實(shí)性來(lái)提高混凝土性能，但多孔混凝土孔隙較大硅灰則對(duì)再生骨料多孔混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)作用不多。

2) 摻入塑鋼纖維對(duì)再生骨料植生混凝土的的抗壓強(qiáng)度有明顯的提升效果。塑鋼纖維在混凝土中縱橫分布，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，水泥包裹塑鋼纖維類似具有“鋼筋混凝土”特性，塑鋼纖維充當(dāng)“鋼筋”，大幅度提高了再生骨料多孔混凝土的強(qiáng)度。硅灰增加了試塊的密實(shí)性，也提高了再生骨料多孔混凝土的強(qiáng)度。

3) 劈裂強(qiáng)度反映混凝土的抗拉能力，在1%時(shí)聚丙烯腈纖維提高試件的抗拉能力最好。聚丙烯腈纖維具有較強(qiáng)的抗拉能力，與混凝土中漿體包裹，能有效提高抗拉強(qiáng)度，但摻量過(guò)多(1.5%)時(shí)反而降低了抗拉強(qiáng)度。

4) 以華北地區(qū)氣候特點(diǎn)為研究背景，主要考慮凍融循環(huán)對(duì)再生骨料多孔混凝土的影響，選取凍融循環(huán)次數(shù)最大的組合作為再生骨料多孔混凝土的最優(yōu)配合比，即1%的聚丙烯腈纖維、0.2%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉。

4 結(jié) 論

1) 塑鋼纖維對(duì)再生骨料多孔混凝土的抗凍性和抗壓強(qiáng)度提高明顯，能夠有效改善華北地區(qū)冰凍災(zāi)害下再生骨料多孔混凝土工程的耐久性，為河道護(hù)坡、城市道路護(hù)坡提供了一定的參考。

2) 聚丙烯腈纖維纖維和塑鋼纖維能夠明顯提高再生骨料多孔混凝土的抗劈裂強(qiáng)度，硅灰和膠粉對(duì)抗劈裂強(qiáng)度提高影響較小。

3) 適合華北地區(qū)的再生骨料多孔混凝土抗凍性最優(yōu)組合為1%的聚丙烯腈纖維、0.2%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉；抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)組合為1%的聚丙烯腈纖維、0.3%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉。