聚丙烯纖維對再生混凝土力學(xué)及收縮性能影響研究

李 娜,劉艷華,張 忠

(1.煙臺市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局房產(chǎn)經(jīng)營與物業(yè)服務(wù)中心，山東 煙臺 264001；2.聊城市公路工程總公司，山東 聊城 252000)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，致使建筑廢棄物的數(shù)量逐年增多，不僅占用了大量的土地資源，還給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染[1]。再生混凝土是通過廢棄混凝土塊、水泥、砂等拌合而成的新型環(huán)保建筑材料，不僅能實現(xiàn)資源再生利用，還有利于自然環(huán)境的保護(hù)[2-3]。由于再生混凝土集料具有強(qiáng)度低、空隙率高、吸水性大等缺點，致使其在某些工程領(lǐng)域限制了應(yīng)用，因此如何提升再生混凝土的使用性能已成為當(dāng)下研究者的重點關(guān)注課題[4-7]。由文獻(xiàn)[8-11]可知，在普通混凝土中摻入一定聚丙烯纖維能有效增強(qiáng)混凝土的綜合性能。基于此，本文以1%摻量的聚丙烯纖維作為外摻料，針對再生粗骨料替代率為30%、50%的混凝土進(jìn)行力學(xué)性能與收縮性能對比評價分析，探索聚丙烯纖維對再生混凝土性能的影響，將對再生混凝土綜合使用性能的提升具有重要意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

a.水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，通過現(xiàn)場試驗檢測，確定各項性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Cement technical performance indicators項目密度/(g·cm-3)比表面積/(cm2·g-1)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%初凝時間/min終凝時間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa3 d28 d3 d28 d技術(shù)指標(biāo)———≥45≤600≥22.0≥42.5≥4.0≥6.5檢測結(jié)果3.13 96025.77516527.552.56.38.6

b.骨料：采用粒徑為4.75～19 mm的連續(xù)級配的天然碎石和再生粗骨料。其中不同粒徑骨料的配制比例均分別為4.75～9.5 mm為35%，9.5～19 mm為65%。再生骨料由C30舊水泥混凝土路面通過機(jī)械破碎而成，然后用不同孔徑的方孔篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。各類骨料的物理性能如表2所示，再生粗骨料與天然粗骨料的性能相差不大。

c.聚丙烯纖維：選用長度為25 mm，直徑為0.8 mm的聚丙烯纖維(PPF)，其中長徑比為31，密度為6.9 g /cm3，抗拉強(qiáng)度為2 200 N/mm2。

d.減水劑：早強(qiáng)型聚羧酸系減水劑，減水率為26%。

表2 骨料的性能Table 2 Aggregate properties骨料粒徑/mm表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%壓碎值/%天然粗骨料4.75～192.531.480.330.619.6再生粗骨料4.75～192.461.420.411.3811.6天然砂—2.631.520.87——

1.2 配合比設(shè)計

試驗中參照普通纖維混凝土配合比設(shè)計流程，試驗共設(shè)計了6組不同聚丙烯纖維外摻料和再生粗骨料的混凝土試塊，編號R0P0、R30P0、R50P0代表聚丙烯纖維外摻料為0，再生粗骨料替代率分別為0%、30%，50%的試塊；編號R0P1、R30P1、R50P1代表聚丙烯纖維外摻料為1%，再生粗骨料替代率分別為0%、30%，50%的試塊，水膠比取0.34，再生混凝土配合比設(shè)計如表3所示。

1.3 試驗方法

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081-2002)》、《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程(JTGE30-2005)》和《水工混凝土試驗規(guī)程(SL352-2016)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土測試，其中抗壓強(qiáng)度采用邊長10 cm的立方體試塊，分別測試出成型試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、28和90 d齡期的抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度采用10 cm×10 cm×40 cm的長方體試塊，待試塊至28 d齡期后再測試抗折強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度采用邊長為15 cm的立方體試塊，分別測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28 d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度；吸水率試驗采用邊長為10 cm的立方體試塊，通過測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d齡期下試塊在干燥前后的質(zhì)量差來評價混凝土吸水率；收縮試驗采用10 cm×10 cm×40 cm的長方體試塊，將成型試塊置入干縮室內(nèi)，再利用位移傳感器測試混凝土試塊在7、14、28、60和90 d齡期時的長度。

表3 混凝土配合比設(shè)計單位Table 3 Design unit of concrete mix ratio編號水泥/(kg·m-3)粗骨料/(kg·m-3)天然再生砂/(kg·m-3)水/(kg·m-3)纖維摻量/%R0P0400105207401360R30P04007363167401360R50P04005265267401360R0P1400105207301361R30P14007363167301361R50P14005265267301361

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

通過對不同混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，得到不同類型再生混凝土在7、28、90 d齡期時的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同齡期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線

由圖1可知，隨著齡期的增長，未摻入聚丙烯纖維再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均呈逐漸增大變化趨勢，且隨著再生粗骨料摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸減小，其中再生粗骨料摻量由0增至30%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度減幅比較明顯，當(dāng)摻量繼續(xù)增至50%時，抗壓強(qiáng)度減幅相對較??；摻入1%聚丙烯纖維后，不同混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均有明顯的增大，其中當(dāng)齡期增長時各混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大變化，而當(dāng)再生粗骨料摻量增大時其抗壓強(qiáng)度也均逐漸減小。當(dāng)再生粗骨料為30%時，不同齡期未摻纖維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度分別為34.8、48.2、58.1 MPa，而摻入聚丙烯纖維的混凝土試塊則分別為40.3、56.7、70.3 MPa，各齡期分別提高了15.8%、17.6%、21%，表明聚丙烯纖維對再生混凝土后期抗壓強(qiáng)度的改善效果更為顯著。另外，摻入聚丙烯纖維的混凝土試塊在各齡期的抗壓強(qiáng)度均比未摻纖維的混凝土要大，說明聚丙烯纖維能夠促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊密，因此有效提升了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

通過對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后的各混凝土試塊進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測試，得到不同類型再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同再生混凝土28 d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)圖2可知，未摻聚丙烯纖維再生混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著再生粗骨料摻量的增加呈逐漸減小變化趨勢，其中再生粗骨料摻量為0%時，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為4.61 MPa，而摻入30%、50%再生粗骨料混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為4.37、4.13 MPa，其劈裂抗拉強(qiáng)度降幅分別為5.5%、11.6%；摻入聚丙烯纖維后再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均有明顯的增強(qiáng)，當(dāng)再生粗骨料摻量的增大，劈裂抗拉強(qiáng)度呈先減后增變化，不同摻量的再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別為6.87、6.5、6.53 MPa，較未摻纖維混凝土試塊分別提高了49%、48.9%和58.1%，原因是聚丙烯纖維屬于剛性纖維，具有較高的抗拉強(qiáng)度，在再生混凝土混合料中能夠起到阻止裂縫擴(kuò)展作用，因此聚丙烯纖維摻入可有效提升再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.3 抗折強(qiáng)度

通過對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后的混凝土試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試，得到不同類型再生混凝土的抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同再生混凝土28 d齡期的抗折強(qiáng)度

由圖3可知，隨著再生粗骨料摻量的增大，未摻聚丙烯纖維再生混凝土試塊的抗折強(qiáng)度逐漸減小，其中再生粗骨料摻量為0%時，混凝土的抗折強(qiáng)度為7.25 MPa，而摻入30%、50%再生粗骨料混凝土試塊的抗折強(qiáng)度分別為7.16、6.94 MPa，其抗折強(qiáng)度降幅分別為1.3%、4.5%，表明再生粗骨料摻量對抗折強(qiáng)度影響較??；摻入聚丙烯纖維的再生混凝土抗折強(qiáng)度均有顯著提升，且隨著再生粗骨料摻量的增大，抗折強(qiáng)度逐漸減小，不同再生粗骨料摻量的混凝土抗折強(qiáng)度分別為10.34、9.89、8.7 MPa，較未摻纖維混凝土試塊分別提高了42.6%、38%和25.4%，原因是聚丙烯纖維具有較高的彈性模量，在混合料中能夠起到增韌阻裂功能，大大提升了混凝土的延性，故聚丙烯纖維摻入可有效提升再生混凝土的抗折強(qiáng)度。

2.4 吸水率

通過對7 d齡期后的再生混凝土試塊進(jìn)行吸水率試驗，得到不同類型再生混凝土的吸水率結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同再生混凝土7 d齡期的吸水率

根據(jù)圖4可知，隨著再生粗骨料摻量的增大，未摻或摻入聚丙烯纖維的再生混凝土試塊吸水率均呈逐漸增大變化趨勢，但摻入聚丙烯纖維的混凝土吸水率出現(xiàn)明顯降低，各再生粗骨料摻量的混凝土吸水率降幅分別為31.2%、24.5%、15.8%，說明聚丙烯纖維能對吸水率產(chǎn)生明顯影響，其原因是聚丙烯纖維摻入不僅能夠有效限制混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，同時也能控制裂縫的擴(kuò)展，故可有效降低再生混凝土的滲透性。

2.5 干燥收縮性能

通過對再生粗骨料取代率為30%的兩種配合比再生混凝土試塊進(jìn)行收縮試驗，分別得到7、14、28、60、90 d齡期時的收縮率變化曲線如圖5所示。

圖5 不同齡期再生混凝土的收縮率變化曲線

由圖5可以看出，隨著齡期的增長，未摻或摻入聚丙烯纖維再生混凝土的收縮率逐漸增大；摻入聚丙烯纖維后再生混凝土的收縮率出現(xiàn)明顯的降低，其中在各齡期的收縮率降幅分別為20%、22.3%、11.5%、10.2%、10.1%，說明聚丙烯纖維對改善再生混凝土收縮性能效果明顯，原因是聚丙烯纖維不僅能有效抑制混合料由干燥收縮產(chǎn)生的裂紋，同時也能限制裂紋的擴(kuò)展，因此可有效降低再生混凝土的收縮率。

3 結(jié)語

a.隨著齡期的增長，未摻或摻入聚丙烯纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸增大；隨著再生粗骨料摻量的增大，未摻或摻入聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸減?。痪郾├w維有效提升了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。

b.隨著再生粗骨料摻量的增加，未摻聚丙烯纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小，而摻入聚丙烯纖維后再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈先減小后增大；聚丙烯纖維的摻入能有效提升劈裂抗拉強(qiáng)度。

c.隨著再生粗骨料摻量的增大，未摻或摻入聚丙烯纖維再生混凝土的抗折強(qiáng)度均逐漸減小，但再生粗骨料摻量對再生混凝土抗折強(qiáng)度影響較小，而聚丙烯纖維對抗折強(qiáng)度有明顯的提升。

d.未摻或摻入聚丙烯纖維的再生混凝土試塊吸水率均隨著再生粗骨料摻量的增大逐漸增大，但摻入聚丙烯纖維的混凝土吸水率出現(xiàn)明顯降低，故聚丙烯纖維能增強(qiáng)再生混凝土的滲透性能。

e.隨著齡期的增長，未摻或摻入聚丙烯纖維再生混凝土的收縮率均逐漸增大；摻入聚丙烯纖維后再生混凝土的收縮率出現(xiàn)明顯的降低，因此聚丙烯纖維可有效降低再生混凝土的收縮率。