摻鋼纖維和礦渣的高性能再生混凝土性能研究

熊輝，劉洪輝 編譯

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616； 2.西安公路研究院)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)建筑垃圾及拆卸廢棄物數(shù)量逐年增加，其中很大一部分廢棄物來(lái)自于廢棄混凝土結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年僅在歐盟各國(guó)就能產(chǎn)生3.2億～3.8億t建筑垃圾材料。采用再生混凝土骨料替代天然骨料，不僅可以節(jié)約資源，而且可以保護(hù)環(huán)境。

與天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土的性能較低，往往導(dǎo)致混凝土的物理、力學(xué)和耐久性能下降。然而，在再生骨料混凝土中摻入礦物摻合料，可使混凝土的性能與天然骨料混凝土(NAC)相當(dāng)。近年來(lái)，由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，礦物摻合料的使用大幅增加。較常見(jiàn)的礦物摻合料包括硅粉、粉煤灰和磨碎的粒狀高爐爐渣(GGBS)等。將GGBS摻入到混凝土中可以降低混凝土的空隙率，改變混凝土的性能，進(jìn)而改善混凝土的耐久性。

為此，該文針對(duì)摻鋼纖維和礦渣的高性能再生混凝土性能進(jìn)行研究，系統(tǒng)分析其對(duì)再生混凝土性能的影響規(guī)律，針對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、吸水率、電阻率和收縮性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

水泥采用ASTM 1型硅酸鹽水泥，比表面積300 m2/kg；礦渣比表面積474 m2/kg。兩種膠凝材料的化學(xué)成分和物理性能見(jiàn)表1。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成和物理性能

1.1.2 骨料

天然骨料由粗骨料和細(xì)骨料組成，質(zhì)量比為1∶1，其中粗骨料為公稱最大粒徑19 mm的碎石，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為3.4的砂土。

再生混凝土粗骨料有兩種，分別來(lái)自于抗壓強(qiáng)度為40和80 MPa的混凝土，記為R40和R80。為了獲得與天然粗骨料相似的級(jí)配曲線和最大骨料尺寸，碾碎后對(duì)再生粗骨料進(jìn)行了篩選。

天然骨料和再生骨料的粒徑分布見(jiàn)表2，其物理性能見(jiàn)表3。由表3可知：天然粗骨料比再生粗骨料密度高，吸水率低。其中，再生混凝土骨料附加砂漿的含量采用鹽酸溶出法測(cè)定。

表2 集料級(jí)配

表3 天然和再生混凝土骨料的物理特性

1.1.3 減水劑

超增塑劑(減水劑)采用羧酸110M，其最高減水率達(dá)26%，推薦摻量為0.8%～1.2%。

1.1.4 鋼纖維

鋼纖維采用雙鉤端鋼纖維，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 鋼纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了20個(gè)試驗(yàn)方案，分為4個(gè)組：A、B、C、D，每組包括5種試驗(yàn)方案。針對(duì)B組和D組，用30%的磨細(xì)高爐礦渣(GGBS30)代替水泥膠結(jié)料，在C和D兩組的高性能混凝土中摻加1%鋼纖維。不同方案配合比中，膠結(jié)料摻量均為500 kg/m3，有效水膠比為0.3。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C39進(jìn)行，其試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試其7、28和90 d的抗壓強(qiáng)度。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C496進(jìn)行，試件尺寸為φ10 cm×20 cm的圓柱體，將試件養(yǎng)生至28 d后，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其劈裂抗拉強(qiáng)度。

彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)BS EN 14651進(jìn)行，試件尺寸為15 cm×15 cm×60 cm的長(zhǎng)方體，將試件養(yǎng)生至28 d后，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其彎拉強(qiáng)度。

1.3.2 吸水率

吸水率試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C642進(jìn)行，試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm的立方體，將試件養(yǎng)生7 d后，分別測(cè)試試件干燥前后的質(zhì)量差，以此作為指標(biāo)評(píng)價(jià)混凝土的吸水率。

1.3.3 比電阻率

采用交流阻抗法測(cè)定比電阻率，頻率設(shè)定為1.0 kHz，電容設(shè)定為1.0 MΩ。試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm。首先將試件養(yǎng)生至規(guī)定齡期(7、28和90 d)，然后在試件表面干燥情況下對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，求得其電阻率。

1.3.4 收縮

參照規(guī)范ASTM C157對(duì)棱柱試樣進(jìn)行自由收縮試驗(yàn)。試件尺寸為7.5 cm×7.5 cm×28.5 cm，首先將試件在相應(yīng)模具內(nèi)保濕24 h，用塑料板覆蓋，之后進(jìn)行脫模。將試件從模具內(nèi)取出，并放入石灰飽和水中浸泡30 min，然后將試件從石灰水中取出，用濕布擦拭，并立即用比長(zhǎng)儀測(cè)得其初始值。養(yǎng)生環(huán)境為相對(duì)濕度50%、溫度為22 ℃，養(yǎng)生齡期為4、7、14、28、56、112、224和448 d后進(jìn)行連續(xù)讀數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同混合料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1、2可知：無(wú)論是再生骨料混凝土還是纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土，其抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增長(zhǎng)而增大；與天然骨料混凝土相比，采用抗壓強(qiáng)度為80 MPa的混凝土做再生骨料后，其強(qiáng)度有所提高，而采用抗壓強(qiáng)度為40 MPa的混凝土做再生骨料后，其抗壓強(qiáng)度有所下降。與再生骨料混凝土相比，當(dāng)摻加鋼纖維后，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高。

圖1 再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由圖1可知：當(dāng)采用30%的礦渣等量替代水泥后，與對(duì)照組相比，其7、28 d的抗壓強(qiáng)度有所下降，而90 d的抗壓強(qiáng)度有所提高。由圖2可知：對(duì)于纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土，當(dāng)采用30%的礦渣等量替代水泥后，與對(duì)照組相比，其7 d的抗壓強(qiáng)度有所下降，而28、90 d的抗壓強(qiáng)度基本不變。

無(wú)論是再生骨料混凝土還是纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土，當(dāng)采用抗壓強(qiáng)度為80 MPa的混凝土做再生骨料，并替代50%天然骨料后，其抗壓強(qiáng)度值最大。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度

不同混合料的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度如圖3、4所示。

由圖3可知：無(wú)論是再生骨料混凝土還是纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土，當(dāng)采用30%的磨細(xì)高爐礦渣等量替代水泥后，其劈裂抗拉強(qiáng)度均會(huì)提高。與再生骨料混凝土相比，摻加1%鋼纖維后，可顯著提高混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度。與天然骨料混凝土相比，摻加1%鋼纖維后，其劈裂抗拉強(qiáng)度可提高46%左右，最高可提高50%以上。圖4中彎拉強(qiáng)度亦表現(xiàn)出相似的規(guī)律。

2.3 吸水率

對(duì)再生骨料混凝土在摻加礦渣與鋼纖維前后的吸水率進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：在混凝土中加入礦渣，可以顯著降低其吸水率。在天然骨料混凝土中摻加30%礦渣，可以使混合物的吸水率降低12%。這可能是由于礦渣能夠改善水泥基體的微觀結(jié)構(gòu)，減小孔隙尺寸，并中斷孔隙的連接。除了礦渣的火山灰活性外，由于礦渣粒徑小，其填充效應(yīng)也可能會(huì)降低吸水率。

圖4 再生骨料混凝土的28 d彎拉強(qiáng)度

圖5 再生骨料混凝土28 d吸水率

纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土的研究結(jié)果表明：纖維的加入對(duì)混凝土的吸水率有顯著影響，加入1%的鋼纖維可使混凝土吸水率降低29%，含1%鋼纖維的再生骨料混凝土的吸水率比不摻鋼纖維的再生骨料混凝土的吸水率降低23%。結(jié)果表明：纖維的加入限制了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成和擴(kuò)展，從而可以降低了其滲透性。

2.4 比電阻率

對(duì)不同齡期下的再生骨料混凝土進(jìn)行電阻率測(cè)試，以評(píng)價(jià)混合料內(nèi)鋼筋的抗腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同齡期再生骨料混凝土的比電阻率

由圖6可知：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，再生骨料混凝土的比電阻率比天然骨料混凝土的電阻率略有提高，R40-50和R80-50的90 d齡期比電阻率分別比其在7 d齡期時(shí)的電阻率提高138%和151%；而天然骨料混凝土的增幅為128%。其原因可能是受養(yǎng)護(hù)水分的影響以及額外C-S-H的形成，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，減少了毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。

在混凝土中加入礦渣可以顯著提高混合料的比電阻率，特別是在養(yǎng)護(hù)后期(28、90 d)。在養(yǎng)護(hù)齡期為7、28和90 d時(shí)，在普通混凝土中加入礦渣后，其比電阻率分別提高56%、115%和132%。在再生骨料混凝土中加入鋼纖維后，其比電阻率顯著下降。當(dāng)養(yǎng)生齡期為7、28和90 d時(shí)，R40-100-S1混合物的比電阻率分別比天然骨料混凝土降低89%、86%和84%。這可能是由于鋼纖維的導(dǎo)電性大大降低了混凝土的電阻。

2.5 干燥收縮性能

干燥條件下的收縮試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。再生骨料混凝土在56和448 d的相對(duì)收縮率如圖9所示。

由圖7～9可知：與天然骨料混凝土相比，摻加再生骨料后混凝土的收縮應(yīng)變均增大；再生骨料摻量越大，其收縮率越高。當(dāng)采用30%礦渣取代水泥后，混凝土在養(yǎng)生56 d后，其收縮應(yīng)變降低11%以上。在混凝土中摻加1%鋼纖維后，混凝土的收縮應(yīng)變顯著減小，表明纖維能有效抑制干燥收縮引起的裂紋擴(kuò)展。與天然再生骨料相比，鋼纖維在再生骨料混凝土中的抑制抗裂能力更優(yōu)，在養(yǎng)生齡期為448 d時(shí)，鋼纖維增強(qiáng)天然骨料混凝土相對(duì)收縮率降低10%，而鋼纖維再生骨料混凝土的收縮率可降低15%左右。

圖7 再生骨料混凝土在干燥條件下的收縮率

圖8 纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土在干燥條件下的收縮率

3 結(jié)論

研究了鋼纖維和礦渣對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)、不同再生料摻量的高性能混凝土的力學(xué)性能和耐久性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 在高性能混凝土中摻加RCA，會(huì)對(duì)混凝土的耐久性能產(chǎn)生不利影響，采用R40的再生混凝土骨料100%取代天然骨料，可使混凝土的吸水率和收縮率分別提高57%和68%，混凝土比電阻率下降49%。

(2) 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，與天然骨料混凝土(NAC)相比，摻加50%R40和R80的再生骨料混凝土比電阻率顯著增大，在7～90 d內(nèi)，其電阻率分別提高了138%和151%，而NAC混凝土的電阻率提高了128%。

(3) 在混凝土中用30%GGBS取代水泥對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大，而GGBS的加入使混凝土的吸水率和收縮率降低，混凝土的比電阻率顯著提高。

(4) 在再生骨料混凝土中加入1%鋼纖維可使劈裂抗拉強(qiáng)度提高60%，28 d彎拉強(qiáng)度提高88%。

(5) 隨著鋼纖維的加入，NAC的吸水率、收縮率和比電阻率在28 d時(shí)分別下降了29%、10%和77%，而再生骨料混凝土的吸水率、收縮率和比電阻率分別下降了23%、15%和86%。