鋼纖維再生混凝土碳化深度影響因素研究

楊 瀟

[中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161]

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)水泥混凝土為脆性材料，抗拉抗折強(qiáng)度較低[1]。近年來，發(fā)達(dá)國家對混凝土路面局部修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究，雖然提出了一些修復(fù)方法，包括：復(fù)合修補(bǔ)劑、特種水泥、纖維混凝土等。但是仍存在一定局限性，其中最為有效的方法為采用纖維材料增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度。目前，國內(nèi)外用于修復(fù)路面的纖維混凝土主要包括3類：鋼纖維、碳纖維和合成纖維[2-4]。其中，針對鋼纖維再生混凝土配合比設(shè)計的研究還較少。尹詩欽[5]等提出了以再生混凝土的吸水性能為主要參數(shù)的設(shè)計方法，鋼纖維體積率每增加1%，砂率增加1.6%；高丹盈[6]等提出“等效水泥體積”的配合比設(shè)計方法，通過試驗驗證了該方法設(shè)計的再生混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和塌落度與天然混凝土相似。周靜海[7]對鋼纖維再生混凝土抗壓性能進(jìn)行研究，表明在鋼纖維的作用下，顯著提高再生混凝土開裂后的抗壓性能，受鋼纖維的影響，試件的最大裂縫寬度變化不明顯。本文以鋼纖維再生混凝土作為研究對象，通過正交試驗設(shè)計試件的配合比，對不同配合比試件工作性能進(jìn)行分析，通過碳化試驗對鋼纖維再生混凝土碳化深度的影響因素進(jìn)行研究，為混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

試驗儀器包括：WAW-4000B型電液伺服壓力試驗機(jī)(珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司)；DHG-9240A型干燥箱(深圳市愛特爾電子科技有限公司)；XT350型混凝土切割機(jī)(濟(jì)寧市信通機(jī)械設(shè)備有限公司)；CCB-70型碳化試驗箱(上海榮計達(dá)實驗儀器有限公司)；605A-01型電子游標(biāo)卡尺(哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司)。

1.2 試驗材料

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥(山東省恒華水泥有限公司)；再生粗骨料取自當(dāng)?shù)厣唐坊炷猎嚇?；?xì)骨料屬于中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.72，洛陽砂石廠生產(chǎn)；天然粗骨料為石灰石碎石，洛陽砂石廠生產(chǎn)；鋼纖維為剪切型波紋型，天津遠(yuǎn)大鋼鐵公司生產(chǎn)；水為生活飲用水；聚羧酸鹽高效減水劑，襄陽嘉源建材有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方案

按文獻(xiàn)[8]方法計算再生混凝土配合比，在拌和的混凝土中均勻分布不同比例的鋼纖維，然后將鋼纖維混凝土澆注到試模中，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，然后將石蠟涂抹于試件表面，通過碳化試驗箱對其進(jìn)行碳化試驗，并測試不同碳化齡期的碳化深度。碳化試驗采用150 mm×150 mm×350 mm的棱柱體試件，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期時開始進(jìn)行碳化試驗，測定標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下的3 d、7 d、14 d和28 d時的碳化深度。

2 鋼纖維再生混凝土配合比研究

2.1 正交實驗分析

選定鋼纖維體積率、再生粗骨料取代率、水膠比作為配合比試驗中的影響參數(shù)，對不同因素條件下混凝土強(qiáng)度及工作性能進(jìn)行研究。每個參數(shù)選取3個水平，根據(jù)正交試驗方法，得到9組不同的配合比的鋼纖維再生混凝土立方體試塊，測定試件的塌落度、抗劈拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度。鋼纖維再生混凝土正交試驗方案如表1所示。

表1 鋼纖維再生混凝土正交試驗方案Table 1 Orthogonal test scheme of steel fiber recycled concrete因素水膠比(A)再生骨料取代率(B)/%鋼纖維體積率(C)/%10.40020.46501.230.541001.8

2.2 塌落度分析

3種不同水平條件下各因素對塌落度的影響，如圖1所示，主要由于單方用水量保持不變，隨著水膠比的增大塌落度先增大后減小；水膠比較大時，水泥漿量減小，導(dǎo)致塌落度隨著水膠比先增后減。隨著再生骨料取代率和鋼纖維體積率的增加塌落度不斷減小。

圖1 各因素對塌落度的影響Figure 1 Effects of various factors on collapse degree

各因素對塌落度的方差、極差分析計算結(jié)果見表2。

由表2可知，再生骨料取代率的極差值最大達(dá)到18.22；鋼纖維體積率的極差值為13.27；水膠比的極差僅為4.95，表明單方用水量不變時，水膠比對塌落度影響較小。隨著再生骨料取代率的增加，塌落度會迅速減小，在混凝土攪拌過程中再生骨料會吸取部分自由水，對其工作性能產(chǎn)生影響。隨鋼纖維體積率的增大試件的塌落度明顯減小，極差為13.27，F(xiàn)比值為18.41，主要由于提高鋼纖維的用量，降低了拌合物的流動性。因此，為了提高鋼纖維再生混凝土的工作性能，對用水量計算時需同時考慮鋼纖維體積率與再生骨料取代率的影響。

表2 試件塌落度分析Table 2 Analysis of collapse degree of specimens因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)224.754.9549.502.97B2255.8218.22511.5330.49C2156.8213.27315.3318.41誤差28.323.2716.53—

2.3 劈拉強(qiáng)度分析

3種不同水平時各因素對劈拉強(qiáng)度的影響，如圖2所示?？梢钥闯鲈黾铀z比，試件的劈拉強(qiáng)度明顯降低；隨鋼纖維體積率的增加，試件的劈拉強(qiáng)度有所提高；劈拉強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加先增加后減小。

圖2 各因素對劈拉強(qiáng)度的影響Figure 2 Effects of various factors on splitting tensile strength

各因素對劈拉強(qiáng)度的方差、極差分析計算結(jié)果見表3。

由表3可知，3種影響因素中，再生骨料的取代率對劈拉強(qiáng)度的影響最小，極差僅為0.53；水膠比對劈拉強(qiáng)度的影響次之，鋼纖維體積率對劈拉強(qiáng)度的影響較為顯著，極差達(dá)到2.47。水灰比對劈拉強(qiáng)度影響的顯著程度明顯小于鋼纖維體積率，主要由于鋼纖維加入再生混凝土中阻裂增韌效果較好，有效阻止基體裂紋的擴(kuò)展，使再生混凝土的劈拉強(qiáng)度得到顯著提高。

表3 劈拉強(qiáng)度結(jié)果分析Table 3 Analysis of splitting tensile strength因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)21.141.182.296.69B20.240.530.481.40C24.582.479.1826.93誤差20.170.860.34—

2.4 抗壓強(qiáng)度分析

3種不同水平條件下，各因素對抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示?？梢钥闯鲈黾愉摾w維體積率，試件的抗壓強(qiáng)度基本保持不變；抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加先增加后下降；增加水膠比，試件的劈拉強(qiáng)度明顯降低；再生骨料取代率為50%時，拌合物的密實性有所增加，混凝土粗骨料的顆粒級配更好，使得試件強(qiáng)度有較大程度的提高。改變鋼纖維體積率和水膠比，抗壓強(qiáng)度的變化趨勢與鋼纖維天然混凝土比較接近。

圖3 各因素對抗壓強(qiáng)度的影響Figure 3 Effects of various factors on compressive strength

各因素對抗壓強(qiáng)度的方差、極差分析計算結(jié)果見表4。

由表4可知，鋼纖維體積率極差為1.32，F(xiàn)比值為0.13，對抗壓強(qiáng)度影響最??；再生骨料取代率對抗壓強(qiáng)度的影響較小，極差為4.21，F(xiàn)比值為1.13；水膠比極差最大為9.81，且F比值大于F0.1的臨界值，是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。

表4 試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析Table 4 Analysis of compressive strength of specimens因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)2129.209.81258.5910.99B213.384.2126.781.13C21.551.323.110.13誤差211.663.7323.33—

3 鋼纖維再生混凝土抗碳化性能研究

3.1 碳化試驗

鋼纖維再生混凝土碳化性能受到鋼纖維、再生骨料的影響比較復(fù)雜。通過碳化試驗分析鋼纖維體積率、再生骨料取代率、抗壓強(qiáng)度對抗碳化性能研究。不同配合比條件下鋼纖維再生混凝土材料性能指標(biāo)，見表5。

表5 鋼纖維再生混凝土材料性能指標(biāo)Table 5 Performance indicators of steel fiber recycled con-crete material試件編號劈拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa塌落度/mmF1.2R50C304.8435.0556.56F1.2R50C455.6347.2759.59F1.2R50C606.7962.9262.62F1.2R0C455.6645.8564.64F1.2R30C455.5946.4658.58F1.2R100C455.4047.6753.53F0R50C452.8045.3565.65F0.6R50C454.1546.0662.62F1.8R50C457.0948.5855.55F2.4R50C457.6950.4049.49注:表5中試件編號以F1.2R50C45為例,表示鋼纖維體積率為1.2%,再生骨料取代率為50%,抗壓強(qiáng)度C45。

碳化深度隨抗壓強(qiáng)度的增加而減小，隨碳化時間的增加而增大。試件各齡期碳化深度試驗值，見表6。

表6 試件不同碳化齡期試驗值Table 6 Test values of different carbonation ages for speci-mens試件編號不同齡期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.7132.7133.9205.475F1.2R50C451.2972.1482.9114.079F1.2R50C600.9311.5052.1193.039F1.2R0C451.5152.1293.0004.029F1.2R30C451.3372.1482.8414.010F1.2R100C451.2081.9502.7823.901F0R50C451.4552.4063.0894.425F0.6R50C451.3662.0893.0204.277F1.8R50C451.1981.8222.5843.653F2.4R50C451.2571.9212.7233.851

3.2 抗碳化性能試驗結(jié)果分析

不同抗壓強(qiáng)度條件下，鋼纖維再生混凝土碳化深度與碳化時間的變化規(guī)律見圖4。

由圖4可知，碳化齡期小于14 d時，碳化深度隨碳化時間增加急劇增大;碳化齡期大于14 d時，碳化深度趨勢逐漸變緩。在相同碳化時間條件下，隨著試件抗壓強(qiáng)度的增加碳化深度顯著減小。主要由于抗壓強(qiáng)度較大時，水泥基體的密實度大幅度增加，進(jìn)而提高了試件的抗碳化能力。不同再生骨料取代率條件下，碳化時間對試件碳化深度的影響如圖5所示。

圖4 碳化深度隨碳化時間變化趨勢Figure 4 Trend of carbonization depth with carbonization time

圖5 碳化深度與碳化時間的關(guān)系Figure 5 The relationship between carbonization depth and carbonization time

由圖5可知，隨著再生骨料取代率的增加，4條曲線變化趨勢基本相同，4組試件在碳化深度隨時間的變化趨勢也基本一致，不同碳化時間處的碳化深度值也無明顯變化，表明試件的抗碳化能力與再生骨料取代率的關(guān)系并不明顯，主要由于4組試件的抗壓強(qiáng)度比較接近。不同鋼纖維體積率條件下，鋼纖維再生混凝土碳化深度與碳化時間的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 碳化深度與碳化時間的關(guān)系Figure 6 The relationship between carbonization depth and carbonization time

由圖6可知，隨著鋼纖維體積率的增加，碳化深度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。鋼纖維體積率為2.4%時，在混凝土基體與鋼纖維之間形成了薄弱粘結(jié)界面，容易造成纖維分布不均勻，導(dǎo)致鋼纖維再生混凝土的碳化深度有所增加。鋼纖維體積率為1.8%時，鋼纖維再生混凝土的碳化深度最小，表明該條件下試件的抗碳化能力最強(qiáng)。由于試件的抗壓強(qiáng)度在45.35～50.40 MPa之間，當(dāng)適量鋼纖維摻入再生混凝土中，增強(qiáng)了混凝土基體的密實度。同時，延遲了試件邊緣裂縫的出現(xiàn)，對再生混凝土的碳化起到了抑制作用，降低了CO2的擴(kuò)散速度，碳化速率減緩。

3.3 碳化深度計算模型

圖7 碳化深度隨的變化關(guān)系Figure 7 The relationship between the depth of carbonization and its variation

由本文試驗數(shù)據(jù)得到的碳化深度的線性回歸方程為：

(1)

式中：fcu為試件的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；t為碳化時間，d。

鋼纖維體積率在一定程度上會對碳化深度產(chǎn)生影響。由本文試驗數(shù)據(jù)得到以下經(jīng)驗式：

R2=0.96

(2)

式中：xd為碳化深度，mm；Vf為鋼纖維體積，kg/m3。

根據(jù)公式(2)得到鋼纖維再生混凝土碳化深度的預(yù)測值如表7所示，對比表6可知試件碳化深度的計算值與試驗值的吻合度較高。

表7 試件不同碳化齡期實測值Table 7 Measured values of specimens with different carbonization ages試件編號不同齡期(d)的碳化深度/mm371428試件編號不同齡期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.802.753.895.50F1.2R100C451.332.022.864.06F1.2R50C451.342.042.894.08F 0R50C451.492.273.214.53F1.2R50C601.001.532.173.07F 0.6R50C451.412.153.044.30F1.2R0C451.382.112.974.21F1.8R50C451.291.962.773.92F1.2R30C451.362.082.944.16F2.4R50C451.241.892.683.79

4 結(jié)論

通過正交試驗設(shè)計鋼纖維再生混凝土試件的配合比，并對試件的塌落度、抗壓和抗劈拉性能進(jìn)行研究。研究了再生混凝土強(qiáng)度、鋼纖維體積率、再生骨料取代率對鋼纖維再生混凝土碳化深度的影響，得出以下結(jié)論：

a.鋼纖維體積率對鋼纖維再生混凝土抗拉強(qiáng)度的影響比較明顯；再生骨料取代率、鋼纖維體積率是鋼纖維再生混凝土工作性能的主要影響因素；水膠比、再生骨料取代率是鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。

b.當(dāng)鋼纖維體積率相同、抗壓強(qiáng)度相近時，再生骨料取代率對鋼纖維再生混凝土的抗碳化性能影響甚微；隨著抗壓強(qiáng)度的增加，鋼試件的抗碳化性能顯著增強(qiáng)。

c.當(dāng)鋼纖維體積率小于1.8%時，隨著鋼纖維體積率的增加試件的抗碳化性能不斷提高；鋼纖維體積率高于1.8%時，試件抗碳化性能隨著鋼纖維體積率的增加略有降低。