聚丙烯纖維混合再生骨料混凝土力學(xué)性能研究

元成方， 魏逸然， 李 爽

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518061)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，新建筑的施工和既有建筑的拆除過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，同時(shí)也消耗著大量的自然資源，由此帶來(lái)了嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。將建筑廢棄物中體量最大的混凝土和磚進(jìn)行資源化利用是解決這一問(wèn)題的重要途徑。實(shí)際工程中，廢棄混凝土和廢磚通常以一定的比例共存，對(duì)二者進(jìn)行分揀具有一定難度，且增加了成本，這與再生骨料的廉價(jià)易得性相違背。因此，開(kāi)展再生磚骨料及再生混凝土骨料的性能研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

較之普通混凝土，再生骨料混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性和力學(xué)性能都較差[3-5]。而將工程纖維摻入再生骨料混凝土后，其具有阻裂、增強(qiáng)、增韌的效果，是改善再生骨料混凝土自身性能的重要途徑[6-11]。其中，聚丙烯單絲纖維具有比重小、化學(xué)穩(wěn)定性高、分散性好且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于此，本文基于聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)和X射線斷層掃描(XCT)試驗(yàn)，深入研究分析纖維對(duì)再生骨料混凝土受壓、受拉性能的影響規(guī)律與機(jī)理，豐富和發(fā)展再生混凝土有關(guān)研究和工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：河南孟電集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為369 m2/kg。細(xì)骨料：天然中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2.65 g/cm3。粗骨料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2.72 g/cm3。外加劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%。拌合用水：普通自來(lái)水。某市城中村拆遷廢棄的建筑垃圾作為廢棄燒結(jié)磚來(lái)源。經(jīng)測(cè)定，廢棄燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度為MU10～MU25。用顎式破碎機(jī)將廢棄燒結(jié)磚破碎，再經(jīng)過(guò)篩分后得到粒徑為連續(xù)級(jí)配的再生磚骨料。廢棄混凝土來(lái)自某檢測(cè)站廢棄的強(qiáng)度為C30～C40的商品混凝土試塊，用顎式破碎機(jī)將廢棄混凝土破碎，再經(jīng)過(guò)篩分后得到粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配再生混凝土骨料。再生骨料的外觀形狀如圖1所示，材料技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。采用的聚丙烯纖維為束狀單絲，纖維主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 再生骨料外觀形狀Figure 1 Recycled aggregate appearance

表1 再生骨料技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of recycled aggregate

1.2 配合比設(shè)計(jì)

再生骨料100%取代天然骨料，其中再生磚骨料和再生混凝土骨料的體積比為1∶1，聚丙烯纖維體積率分別為0、0.07%、0.10%、0.13%、0.20%。聚丙烯纖維再生骨料混凝土配合比(體積比，以水的體積為1)如表3所示。

表2 聚丙烯纖維的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of polypropylene fiber

表3 聚丙烯纖維再生骨料混凝土配合比Table 3 Polypropylene fiber recycled aggregate concrete mix proportion

1.3 混凝土制備

聚丙烯纖維再生骨料混凝土的制備依據(jù)CECS 13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]。采用干拌法制備混凝土，強(qiáng)制式攪拌，振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，以防止纖維結(jié)團(tuán)。振實(shí)成型后，抹平混凝土表面，24 h后脫模、編號(hào)，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定的方法進(jìn)行。立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，共4組，每組3塊，試驗(yàn)設(shè)備為YAW-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)；混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊，共4組，每組3塊，試驗(yàn)設(shè)備為WDW-100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程及形態(tài)分析

聚丙烯纖維再生骨料混凝土試件受荷破壞后的表面狀態(tài)和裂縫形態(tài)如圖2所示。當(dāng)混凝土基體受壓時(shí)，由于聚丙烯纖維的約束，受力裂縫的發(fā)展和延伸受到抑制，使得混凝土的變形能力有所提高，達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土基體裂而不碎，試塊保持完整(見(jiàn)圖2)。

圖2 抗壓試驗(yàn)Figure 2 compressive test

在抗折試驗(yàn)中，加載初期，試件表面未見(jiàn)裂縫。隨著荷載的持續(xù)增加，試件跨中底面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，細(xì)微裂縫開(kāi)始沿試件側(cè)表面向上緩慢延伸并加寬，直至試件沿跨中折斷破壞，斷面可見(jiàn)被拔斷的纖維(見(jiàn)圖3)。

圖3 抗折試驗(yàn)Figure 3 Flexural test

在劈裂抗拉試驗(yàn)中，隨著荷載的不斷增大，微裂縫在試件側(cè)表面逐漸出現(xiàn)并向試件上下兩端延伸，試件中部逐漸形成一條垂直主裂縫及若干細(xì)小裂縫，直至主裂縫上下貫通(見(jiàn)圖4)。與未摻纖維的再生骨料混凝土相比，纖維再生骨料混凝土試件從出現(xiàn)微裂縫到裂縫增寬直至開(kāi)裂破壞的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這表明纖維提高了再生骨料混凝土的受拉性能。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)時(shí)變化如圖5所示。

由圖5(a)可知，各組纖維再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律基本一致，即前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)緩慢。聚丙烯纖維摻量對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不顯著。纖維摻量為0.6 kg/m3時(shí)，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，而FR-9、FR-12、FR-18 3組纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別下降了6.4%、7.8%、16.0%。由圖5(b)可知，較之基準(zhǔn)混凝土，F(xiàn)R-6、FR-9、FR-12、FR-18 4組纖維混凝土28 d抗折強(qiáng)度分別提高了2.2%、8.89%、13.3%、4.44%。在本文的試驗(yàn)條件下，纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，纖維對(duì)再生骨料混凝土彎拉性能的改善效果最佳，抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到5.1 MPa。由圖5(c)可知，聚丙烯纖維對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉性能的提高效果較為顯著，4組纖維混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別增長(zhǎng)了14.4%、19.2%、27.9%、15.7%。同樣，纖維摻量1.2 kg/m3時(shí)，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高最多，可達(dá)2.93 MPa。力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與試件的受荷破壞特征相吻合。

圖4 劈裂試驗(yàn)Figure 4 Split test

表4 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Concrete mechanical properties test results

圖5 力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)時(shí)變化Figure 5 Time-dependent changes in mechanical indicators

3 基于XCT試驗(yàn)的纖維作用機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)概況

混合再生骨料和纖維的摻入增加了混凝土成分的復(fù)雜性及力學(xué)性能的不確定性，其宏觀性能所呈現(xiàn)的特性正體現(xiàn)了其微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅從宏觀層次進(jìn)行測(cè)試分析并不充分。通過(guò)X射線斷層掃描(XCT)試驗(yàn)，可對(duì)纖維混凝土的組分進(jìn)行定量分析，從微觀層面闡釋聚丙烯纖維的作用機(jī)理。選取編號(hào)FR-18的試塊進(jìn)行鉆芯取樣，制得φ16 mm×16 mm的圓柱體試樣。采用美國(guó)Xradia公司Micro XCT-400型X射線三維重構(gòu)顯微鏡進(jìn)行測(cè)試分析。

3.2 XCT結(jié)果分析

采用X射線微型計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Micro-XCT)對(duì)試樣進(jìn)行掃描，獲取試樣橫截面的一系列二維平面圖形，再利用Avizo圖形處理軟件進(jìn)行三維模型重構(gòu)，如圖6所示。

圖6 再生骨料混凝土XCT分析Figure 6 XCT analysis of recycled aggregate concrete

通過(guò)二維切片的灰度變化來(lái)分析試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組分，進(jìn)行成分分析、提取和三維重構(gòu)。試樣中再生磚骨料、再生混凝土骨料、聚丙烯纖維、孔隙的三維分布如圖7所示。

圖7 各組分的三維分布Figure 7 Three-dimensional distribution of each component

由圖7可知，聚丙烯纖維在水泥基體中分散良好，纖維相互交叉且亂向分散，無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，纖維、再生骨料、水泥基體形成了多相復(fù)合體。三維亂向均勻分布的纖維在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)再生骨料起支撐作用，在很大程度上阻止了混凝土拌合物的離析，減少了混凝土的表面泌水，從而抑制了再生骨料混凝土的塑性收縮和干燥收縮。此外，聚丙烯纖維在混凝土中具有微細(xì)筋的作用，它削弱了再生混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中及尖端效應(yīng)，在混凝土受荷開(kāi)裂的過(guò)程中承受拉應(yīng)力，起到黏結(jié)作用，抑制了裂縫的發(fā)展。需要注意的是，纖維摻量的變化會(huì)引起纖維間距的改變，影響界面應(yīng)力的傳遞及微裂縫的發(fā)展變化，進(jìn)而影響再生混凝土的力學(xué)性能。此外，再生骨料中存在較多孔隙，纖維密集的區(qū)域，孔隙有所增加，這在一定程度上降低混凝土的密實(shí)度，影響混凝土的強(qiáng)度。聚丙烯纖維的作用機(jī)理較好地解釋了纖維摻量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

XCT分析結(jié)果表明:聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能具有正負(fù)兩方面的效應(yīng)，因此，在使用時(shí)需要考慮纖維的合理?yè)搅浚垣@得更加優(yōu)異的性能。

4 結(jié)論

基于聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)和XCT試驗(yàn)，深入研究纖維對(duì)再生混凝土受壓、受拉性能的影響規(guī)律與機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)聚丙烯纖維摻量對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不顯著，纖維摻量為0.6 kg/m3時(shí)，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，之后，隨著纖維摻量的增加，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低。

(2)聚丙烯纖維提高了再生骨料混凝土的受拉性能，纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，纖維對(duì)再生骨料混凝土彎拉性能和劈裂抗拉性能的改善效果最佳。

(3)XCT分析結(jié)果表明，聚丙烯纖維對(duì)再生骨料混凝土的力學(xué)性能具有正負(fù)兩方面的效應(yīng)，因此，在使用時(shí)需要考慮纖維的合理?yè)搅浚垣@得更加優(yōu)異的性能。在本文試驗(yàn)條件下，聚丙烯纖維較為合理的摻量為0.6～1.2 kg/m3，在此范圍內(nèi)，再生骨料混凝土可獲得較好的力學(xué)性能。