多因素對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能發(fā)展趨勢的影響*

鄭傳磊，王晉浩，金寶宏,2，周素蓉，李淑翔，趙亞娣

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)院, 銀川 750021)

0 引 言

當(dāng)前，中國商品混凝土年用量約為4×109t[1]。配置4×109t混凝土需要使用石子(1.8～2.2)×109t，砂1.2×109t左右。中國在經(jīng)過大量基礎(chǔ)工程建設(shè)后，國內(nèi)砂石資源無論從儲(chǔ)量、質(zhì)量還是可持續(xù)發(fā)展角度來看，都不能滿足當(dāng)今工程建設(shè)需要[2]。為解決建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展與砂石資源短缺之間的矛盾，為砂石尋找新的替代物是當(dāng)前需要解決的問題之一。

廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分等工序處理制成的再生骨料可以應(yīng)用于拌制再生混凝土，由于再生骨料品質(zhì)較差，再生混凝土的基本性能均弱于普通混凝土[3-5]。為增強(qiáng)再生混凝土的性能，使其盡可能最大限度的滿足生產(chǎn)建設(shè)需要，可對再生混凝土進(jìn)行強(qiáng)化處理。常見強(qiáng)化處理方式有摻加纖維、改性及改變礦物摻和料摻量等[6-8]。Oliver[6]對鋼纖維在再生混凝土中的分布進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維在混凝土中的摻量、分布及角度等都將影響力學(xué)性能。曹鑫鋮[7]使用水泥漿對再生骨料進(jìn)行包漿改性處理，利用水泥和粉煤灰水化反應(yīng)生成的C-S-H和C-A-H等物質(zhì)修補(bǔ)再生骨料的孔隙裂縫，改善骨料品質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)從根本上縮小再生混凝土與普通混凝土在基本性能上的差異。李恒[8]將不同摻量的粉煤灰和硅灰摻入再生混凝土中，結(jié)果表明，復(fù)摻粉煤灰和硅灰可顯著增強(qiáng)再生混凝土的力學(xué)性能。

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量逐年遞增，同時(shí)也產(chǎn)生了數(shù)量巨大的廢料鋼渣。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，煉鋼時(shí)鋼渣產(chǎn)生量占據(jù)粗鋼的14%～20%[9]。相關(guān)研究表明，鋼渣具有強(qiáng)度高、耐磨性好、表面粗糙多棱角等特點(diǎn)[10-11]，如能將鋼渣使用在混凝土中將對混凝土的性能起到良好的增強(qiáng)作用[12-14]。

本文將鋼渣砂和再生粗骨料作為砂石的替代物，并為增強(qiáng)混凝土的性能引用微波加熱改性工藝及摻入一定量的聚丙烯纖維，按照自密實(shí)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)詳細(xì)分析微波加熱改性次數(shù)、再生粗骨料替代率、鋼渣砂替代率及聚丙烯纖維摻量對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能發(fā)展趨勢的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

水泥為寧夏賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其初凝和終凝時(shí)間分別為142和198 min，3和28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.2和48.7 MPa。粉煤灰為寧夏錦泰公司生產(chǎn)的Ⅰ級灰，細(xì)度、比表面積、燒矢量和需水量比分別為5.1(>45 μm)、510 m2/kg、1.83%和94%。減水劑為北京慕湖公司產(chǎn)品，減水率約為20%。試驗(yàn)用水為城市自來水。

石子為銀川市蘭山砂石廠生產(chǎn)的碎石，粒徑5～20 mm。砂為銀川市蘭山砂石廠人工水洗中砂。鋼渣砂為銀川市附近鋼鐵廠的顆粒狀鋼渣廢料。再生粗骨料為C30強(qiáng)度的廢棄路面板混凝土經(jīng)處理得到的碎石，粒徑5～20 mm。聚丙烯纖維為上海影佳公司產(chǎn)品，纖維外觀為Y型束裝單絲纖維，長度為9 mm，直徑為20 μm，密度為900 kg/m3，抗裂強(qiáng)度為400 MPa。粗細(xì)骨料和聚丙烯纖維外觀如圖1所示。

圖1 粗細(xì)骨料和聚丙烯纖維

1.2 微波加熱改性再生粗骨料

再生骨料由于界面過渡區(qū)附著大量舊水泥砂漿，導(dǎo)致其與混凝土其他成分之間的粘結(jié)力較弱。眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，再生骨料與混凝土其它成分之間的粘結(jié)力強(qiáng)弱是影響再生混凝土性能強(qiáng)弱的重要因素，因而減少再生骨料舊砂漿的含量對增強(qiáng)再生混凝土的性能具有非常顯著的作用[15-17]。

涼州區(qū)水利工程質(zhì)量監(jiān)督與安全管理站代表政府行使質(zhì)量監(jiān)督責(zé)任，由于專職質(zhì)量監(jiān)督人員少，而工程面廣分散，導(dǎo)致對質(zhì)量監(jiān)督工作深入程度不夠，在一定程度上削弱了質(zhì)量監(jiān)督的規(guī)范化管理；同時(shí)，由于檢測儀器和設(shè)備配置不足，也給質(zhì)量監(jiān)督工作帶來了一定困難。

本試驗(yàn)在攪拌混凝土之前對再生粗骨料進(jìn)行微波加熱改性處理，以期減少再生粗骨料界面過渡區(qū)舊砂漿的含量，提高再生粗骨料的品質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)再生混凝土力學(xué)性能的目的。測得粗骨料基本特征如表1所示。

表2 粗骨料基本特性

石子和砂漿均為介電材料，但兩者的電磁特性存在較大不同。當(dāng)再生骨料受到微波瞬時(shí)加熱時(shí)，表面砂漿的溫度將迅速升高，而內(nèi)部石子升溫較慢，從而使石子表面產(chǎn)生一定的內(nèi)外溫度應(yīng)力差。在高溫狀態(tài)下，砂漿中的C-S-H凝膠會(huì)大量脫水，Ca(OH)2也會(huì)分解成穩(wěn)定性較弱的CaO，此時(shí)砂漿強(qiáng)度較弱，當(dāng)受到內(nèi)外溫度應(yīng)力差作用時(shí)容易從石子表面破碎脫落。將加熱后的再生骨料置于水中晃動(dòng)冷卻時(shí)，砂漿由于降溫迅速，在石子表面會(huì)產(chǎn)生二次內(nèi)外溫度應(yīng)力差，從而加速砂漿的脫落。

試驗(yàn)使用的微波加熱改性儀器是家用機(jī)械式微波爐，微波功率700 W。試驗(yàn)流程參見參考文獻(xiàn)[18-20]，具體實(shí)施流程如下所示：

(1)將浸水后的再生粗骨料用微波爐專用塑料盒盛著放入微波爐，加熱5 min；

(2)加熱結(jié)束后，將骨料取出，置于網(wǎng)眼密集的篩網(wǎng)內(nèi)浸水晃動(dòng)冷卻1 min；

(3)重復(fù)步驟(1)和(2)至設(shè)計(jì)次數(shù)后，將骨料置于陰涼處晾36 h左右，盡快用于拌制混凝土。

1.3 浸水處理鋼渣砂

由于考慮到鋼渣砂內(nèi)部的游離MgO、CaO和RO相等活性物質(zhì)與水接觸時(shí)，發(fā)生水化反應(yīng)使鋼渣砂體積發(fā)生膨脹，導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞性開裂，影響使用鋼渣的混凝土建筑的穩(wěn)定性及使用壽命，試驗(yàn)前對鋼渣砂進(jìn)行為期14 d的浸水陳化處理，以期減少鋼渣砂膨脹對混凝土造成的破壞性作用[21]。鋼渣砂浸水14 d后，晾于陰涼處36 h左右，盡快用于拌制混凝土。測得細(xì)骨料基本特征如表2所示。

表2 細(xì)骨料基本特性

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

按照自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，設(shè)計(jì)填充性能SF3級[22]。采用L16(45)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，具體因素水平見表3所示，表4為基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土配合比。經(jīng)過多次試拌，最終確定用水量為202 kg/m3、水膠比為0.41、粉煤灰替代率為25%、砂率49%、減水劑摻量為0.05%～0.20%。再生粗骨料和鋼渣砂按等質(zhì)量替代石子和砂, 聚丙烯纖維按體積分?jǐn)?shù)摻入。共設(shè)計(jì)16組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制作6個(gè)100 mm×100 mm×100 mm和3個(gè)100 mm×100 mm×400 mm尺寸的試件，用來測試混凝土的抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

表4 基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土配合比/kg·m-3

1.5 混凝土試件制作

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土的正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到四因素對混凝土壓拉折的極差及方差分析結(jié)果如表6和7所示。表6中四因素對混凝土壓拉折的極差均大于空白列的極差，故試驗(yàn)結(jié)果可信[23]。圖2為四因素對混凝土壓拉折的影響圖。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 極差分析

圖2 各因素對混凝土抗壓(a)、劈拉(b)及彎折強(qiáng)度(c)的影響

2.1.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

從表6極差分析表可以看出，四因素對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋轰撛疤娲?再生粗骨料替代率>微波加熱改性次數(shù)>聚丙烯纖維摻量，其中鋼渣砂和再生粗骨料替代率對抗壓強(qiáng)度帶來的變化最為明顯。從表7方差分析表可以看出，鋼渣砂替代率對抗壓強(qiáng)度帶來的影響最為顯著，再生粗骨料替代率次之，微波加熱改性次數(shù)和聚丙烯纖維摻量是非顯著因素，該分析結(jié)果與極差分析表一致。

表7 方差分析

由圖2(a)可以看出，隨著鋼渣砂替代率的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大，鋼渣砂替代率從0增至45%，抗壓強(qiáng)度提高9.44%，說明適當(dāng)使用鋼渣砂替代天然砂可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。鋼渣砂同天然砂相比孔隙率較小，界面過度區(qū)更粗糙，摻入混凝土中能顯著改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度[24]。

在圖2(a)中，隨著再生粗骨料替代率的增大，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增加的變化規(guī)律，其中在50%替代率時(shí)抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最低值。再生骨料自身品質(zhì)不如天然骨料，吸水率及壓碎指標(biāo)大于天然骨料，其表面和內(nèi)部都存在著較多微裂縫。當(dāng)再生混凝土受到外力作用時(shí)，易從再生骨料界面過渡區(qū)或直接貫穿骨料產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致其強(qiáng)度較低[15-17]。再生粗骨料替代率從50%增至70%時(shí)，混凝土強(qiáng)度有一個(gè)增長的過程，主要原因有：(1)再生骨料吸水率較大，再生骨料大量吸水致使混凝土實(shí)際水膠比降低，根據(jù)其他學(xué)者的研究表明，水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的最重要因素之一，水膠比越小則混凝土強(qiáng)度越大[25-26]，70%替代率時(shí)水膠比降低帶來的強(qiáng)度增強(qiáng)大于再生骨料品質(zhì)劣勢造成的強(qiáng)度減弱，讓混凝土強(qiáng)度得到增長；(2)本試驗(yàn)使用的粉煤灰摻量較高，且為Ⅰ級灰，研究表明較細(xì)粉煤灰的摻入對再生骨料的孔隙及裂縫存在一定修復(fù)作用，從而使混凝土強(qiáng)度得到一定增長[27]；(3)微波加熱改性去除了再生骨料表面部分舊砂漿，改善了再生骨料界面過渡區(qū)狀況，提升了再生骨料的品質(zhì)；(4)再生骨料相較天然骨料，其表面更加粗糙，能與混凝土其它成分之間產(chǎn)生更大的粘結(jié)力，從而使混凝土強(qiáng)度得到增強(qiáng)[28]。

由圖2(a)可知，微波加熱改性次數(shù)和摻入聚丙烯纖維可以增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度，但是效果不顯著。隨著微波加熱改性次數(shù)的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度得到一定增強(qiáng)。考慮到微波加熱改性對提升再生混凝土強(qiáng)度效果不顯著和實(shí)施工序耗時(shí)費(fèi)力等原因，微波加熱改性次數(shù)將立足于工業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)問題，綜合衡量得出最佳改性次數(shù)。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度先增長后減小，在摻量為0.10%時(shí)達(dá)到峰值，摻量為0.15%時(shí)抗壓強(qiáng)度降低，整體變化區(qū)間在5%以內(nèi)。當(dāng)聚丙烯纖維摻量<0.10%時(shí)，聚丙烯纖維能在混凝土中較均勻分布，形成穩(wěn)固的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外力作用時(shí)能延緩裂縫的產(chǎn)生，從而使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，在宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度的增加。當(dāng)摻量>0.10%時(shí)，過多的聚丙烯纖維在攪拌時(shí)較難均勻分散，容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。結(jié)團(tuán)狀態(tài)下水泥漿液無法充分的包裹纖維，此時(shí)混凝土內(nèi)部易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，從而降低纖維的有效利用率，使得抗壓強(qiáng)度不升反降[29-30]。

對于抗壓強(qiáng)度，最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率，30%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.1.2 混凝土劈拉強(qiáng)度

由表6和7可知，四因素對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋轰撛疤娲?再生粗骨料替代率>聚丙烯纖維摻量>微波加熱改性次數(shù)，鋼渣砂和再生粗骨料替代率對混凝土劈拉強(qiáng)度有影響，聚丙烯纖維摻量和微波循環(huán)次數(shù)影響較小。

由圖2(b)可以看出，鋼渣砂替代率從0增至45%，劈拉強(qiáng)度持續(xù)增加8.43%，說明使用鋼渣砂替代部分天然砂可以增強(qiáng)混凝土劈拉強(qiáng)度。再生粗骨料替代率對劈拉強(qiáng)度的影響和抗壓強(qiáng)度情況類似，都呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。再生粗骨料替代率為50%時(shí)劈拉強(qiáng)度最低，強(qiáng)度變化區(qū)間在8.39%以內(nèi)。摻入聚丙烯纖維和微波加熱改性對增強(qiáng)劈拉強(qiáng)度有一定的作用，但增強(qiáng)作用沒有鋼渣砂和再生粗骨料明顯。

對于劈拉強(qiáng)度，最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率，45%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.1.3 混凝土彎折強(qiáng)度

由表6和7可知，四因素對混凝土彎折強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋轰撛疤娲?再生粗骨料替代率>聚丙烯纖維摻量>微波加熱改性次數(shù)，鋼渣砂替代率對混凝土彎折強(qiáng)度有影響，再生粗骨料替代率、聚丙烯纖維摻量和微波循環(huán)次數(shù)影響較小。

由圖2(c)可以看出，鋼渣砂替代率從0增至45%，彎折強(qiáng)度持續(xù)增加13.33%；再生粗骨料替代率增加，彎折強(qiáng)度先減小后增大，變化區(qū)間在9.69%以內(nèi)；聚丙烯纖維的摻入對增強(qiáng)彎折強(qiáng)度有促進(jìn)作用，但當(dāng)摻量超過0.10%彎折強(qiáng)度降低；微波加熱改性對提升混凝土彎折強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，但增強(qiáng)作用較小。

對于彎折強(qiáng)度，最佳配合比為10次微波加熱改性、30%再生粗骨料替代率，45%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.2 力學(xué)性能指標(biāo)換算關(guān)系分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出劈拉和彎折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的新關(guān)系式6和11。關(guān)系式見表8，繪制關(guān)系圖如圖3所示。

表3 力學(xué)性能指標(biāo)換算關(guān)系

圖3 混凝土劈裂抗拉(a)和彎折強(qiáng)度(b)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

從圖3(a)可以看出，式(1)、(2)、(3)和(4)計(jì)算的混凝土劈拉強(qiáng)度大于本文混凝土強(qiáng)度，式(5)的計(jì)算強(qiáng)度接近本文混凝土強(qiáng)度，但也略微偏小。圖3(b)中式(10)彎折強(qiáng)度偏大，式(9)強(qiáng)度偏小，式(7)和(8)中彎折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢存在較大差異。本文提出的式(6)和(11)與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，可以用來計(jì)算自密實(shí)混凝土的劈拉和彎折強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)由正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，鋼渣砂替代率對抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度影響顯著，再生粗骨料替代率對抗壓、劈拉影響顯著，微波加熱改性次數(shù)和聚丙烯纖維摻量對自密實(shí)再生混凝土強(qiáng)度影響較小。利用綜合平衡法可得最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率、45%鋼渣砂替代率和0.10%聚丙烯纖維摻量。

(2)微波加熱改性對提升再生骨料品質(zhì)存在一定促進(jìn)作用，但作用不顯著，且實(shí)施工序耗時(shí)費(fèi)力，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。

(3)參照普通混凝土力學(xué)性能之間的關(guān)系式，通過非線性回歸擬合得到新關(guān)系式與其他學(xué)者建立的關(guān)系式進(jìn)行比較，本文提出的劈拉和彎折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的新關(guān)系式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，有一定參考價(jià)值。