聚乙烯纖維對(duì)再生混凝土性能的影響

梁 靖，劉勝兵，鄭宇航

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

當(dāng)前，我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生了許多建筑垃圾，其經(jīng)過破碎、清洗和分級(jí)并取代部分或全部天然骨料拌制的混凝土稱為再生混凝土（recycled concrete，RC）［1-2］。然而，由于再生骨料內(nèi)部存在微裂縫以及表面殘留有砂漿，致使RC 易開裂，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低［3-4］。

許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，纖維混凝土的抗壓性能和抗拉性能良好，纖維可以抑制混凝土微裂紋的擴(kuò)展，因此將纖維摻入RC 中可以拓展RC 的應(yīng)用范圍［5-6］。Gao 等［7］發(fā)現(xiàn)纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土類似，但抗折性能和韌性改善顯著。Hossain 等［8］發(fā)現(xiàn)纖維可提高RC 的延性，橡膠可增強(qiáng)其能量吸收能力。Aslani 等［9］發(fā)現(xiàn)纖維對(duì)再生骨料自密實(shí)混凝土的工作性能有負(fù)面影響但仍能提高力學(xué)性能并減少開裂。李曉路［10］通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，RC 的力學(xué)性能改善效果較好。全曉旖等［11］研究發(fā)現(xiàn)RC 抗壓強(qiáng)度受不同玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)的影響較大。元成方等［12］和周聰?shù)龋?3］發(fā)現(xiàn)RC 中摻入聚丙烯纖維會(huì)降低其抗壓性能，增強(qiáng)抗拉性能。綜上可知，纖維再生混凝土是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，然而在RC 中摻入高強(qiáng)高模量聚乙烯纖維（polyethylene fiber，PF）方面的研究較少。PF 具有良好的親水性和較高的抗拉強(qiáng)度，可以阻止混凝土微裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展。本試驗(yàn)采用再生粗骨料取代部分天然粗骨料，其質(zhì)量取代率為50%，分析PF 的體積分?jǐn)?shù)對(duì)聚乙烯纖維再生混凝土（polyethylene fiber recycled concrete，PFRC）坍落度、抗壓性能和抗拉性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥：P.O42.5 級(jí)水泥；水：武漢市自來水；天然粗骨料：4.25～25 mm 的人工碎石；再生粗骨料：某建筑工地破碎的廢棄混凝土，粗骨料基本性能見表1；天然細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)2.85 的普通河砂；PF（深圳特力新材料科技有限公司），性能指標(biāo)見表2；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%以上。

表1 粗骨料的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of coarse aggregate

表2 PF 的主要性能指標(biāo)Tab.2 Main performance indexes of PF

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制備4 組設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30 的RC，其中PF體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.1%、0.2%和0.3%。RC 的基準(zhǔn)配合比如下：水灰比為0.45，用水量為178 kg/m3，水泥用量為395 kg/m3，天然細(xì)骨料用量為667 kg/m3，天然粗骨料用量為568 kg/m3，再生粗骨料用量為568 kg/m3，減水劑用量為4.1 kg/m3。

1.3 試件制作及試驗(yàn)方法

攪拌時(shí)采用濕拌與撒入纖維的方法，預(yù)防纖維結(jié)團(tuán)。首先將再生骨料與附加水倒入攪拌機(jī)進(jìn)行拌合1～2 min，接著倒入天然骨料、砂石和膠凝材料拌合1 min，最后加水和減水劑的混合液并同時(shí)撒入纖維進(jìn)行濕拌2～3 min，最后入模并振搗成型。每組制備6 個(gè)立方體試塊（抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均采用非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊100 mm×100 mm×100 mm），待24 h 后便可將試塊拆模，放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

坍落度試驗(yàn)按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］規(guī)定進(jìn)行測試，立方體抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］采用SYE-2000A 壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度

PFRC 坍落度試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果見圖1。纖維體積分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%和0.3%時(shí)，PFRC 坍落度較對(duì)比試件分別降低了6.4%、13.6%和18.2%。試驗(yàn)中可以看出新拌的PFRC 比RC 更黏稠，由于PF 是親水性的合成纖維，對(duì)水的吸附能力較強(qiáng)，因此纖維表面需要水泥漿體包裹，從而使混凝土基體中水泥漿體數(shù)量相對(duì)減少，且PFRC 的內(nèi)部空隙逐漸被填實(shí)，使PFRC 孔隙率和流動(dòng)性下降，導(dǎo)致新拌PFRC 的坍落度降低?？梢赃m當(dāng)提高減水劑用量，增強(qiáng)其流動(dòng)性；或者將再生骨料進(jìn)行泡水預(yù)處理，可以減少其在拌合時(shí)對(duì)拌合水的吸附性，從而提高PFRC 的坍落度，改善其工作性能。

圖1 PFRC 坍落度試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果：（a）試驗(yàn)現(xiàn)象，（b）試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 PFRC phenomenon and results of slump test：（a）test phenomenon，（b）test results

2.2 破壞形態(tài)

未摻纖維的RC 進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，隨著荷載不斷增大，試件裂縫逐步擴(kuò)展，到達(dá)極限荷載后，試件突然破裂并伴隨著混凝土塊脫落，表現(xiàn)為脆性破壞。摻入PF 后，隨著荷載不斷增加，PFRC 產(chǎn)生許多微裂紋，到達(dá)極限荷載后，裂縫繼續(xù)增大但試塊裂而不碎，試塊相對(duì)較完整，脆性明顯改善。破壞形態(tài)見圖2（a）。

PFRC 進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)，隨著荷載逐步增大，試件微裂縫逐漸擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，試塊并未劈裂為2 塊，呈現(xiàn)塑性破壞，其破壞形態(tài)見圖2（b）。主要是因?yàn)镻F 能對(duì)PFRC 基體中的裂縫起到“橋架作用”，阻止微裂紋的擴(kuò)展，承擔(dān)混凝土由于開裂釋放的部分應(yīng)力，能夠充分發(fā)揮PF 的延性特性。而RC 進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度，試件沿破裂面斷開直接劈裂為2 塊，斷裂面較為平整，脆性特征顯著。

圖2 PFRC 破壞形態(tài)：（a）抗壓強(qiáng)度，（b）劈拉強(qiáng)度Fig.2 Damage form of PFRC：（a）compressive strength，（b）splitting tensile strength

2.3 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

為了研究PFRC 力學(xué)性能與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，可用增強(qiáng)系數(shù)來分析纖維的作用，如式（1）所示：

式中：f為PFRC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度、f1為RC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。β為增強(qiáng)系數(shù)。當(dāng)β＞1.0 時(shí)，纖維對(duì)PFRC 力學(xué)性能產(chǎn)生正效應(yīng)，當(dāng)β＜1.0 時(shí)，纖維對(duì)PFRC 力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

PFRC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度如表3所示。

表3 PFRC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength and split tensile strength of PFRC

增強(qiáng)系數(shù)與PF 體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3（a）所示。當(dāng)PF 的體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)達(dá)最大值。PF 的體積分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2% 和0.3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較對(duì)比試件分別提高了5.5%、10.3%和4.8%。原因主要是纖維體積分?jǐn)?shù)越大，PFRC 坍落度下降，基體薄弱界面增加，薄弱界面最先產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致PFRC 抗壓強(qiáng)度降低。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，PF 對(duì)PFRC 抗壓性能的影響并不明顯，主要是因?yàn)镻F 的彈性模量偏低所致。

劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，PFRC 劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)越顯著，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2% 和0.3%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度較對(duì)比試件分別提高了6.9%、16.1%和22.5%。且隨著纖維摻量的增加，其抗拉性能改善效果更顯著。

混凝土的拉壓比可以表征其脆性性能，拉壓比愈小，混凝土的脆性越大。由圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，PFRC 的拉壓比隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，纖維體積分?jǐn)?shù)增加到0.3%時(shí)，PFRC 的拉壓比最大，較基準(zhǔn)RC 提高了16.9%。PF 可提升PFRC 的黏結(jié)力，阻止其內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，使PFRC 拉壓比逐漸增大，說明PF 能改善再生混凝土的脆性，使之由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

圖3 增強(qiáng)系數(shù)和拉壓比與聚乙烯纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系：（a）增強(qiáng)系數(shù)，（b）拉壓比Fig.3 Relationship between enhancement factor and tension-compression ratio and volume fraction of polyethylene fiber：（a）enhancement factor，（b）tension-compression ratio

2.4 纖維作用機(jī)理

根據(jù)纖維間距理論可知，復(fù)合材料與纖維間距有關(guān)，外荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力使復(fù)合材料因內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生損傷。因此，可通過改善復(fù)合材料內(nèi)部缺陷增強(qiáng)其韌性。將纖維均勻摻入混凝土中，當(dāng)產(chǎn)生的裂紋長度大于纖維間距時(shí)，纖維則會(huì)制約裂紋的擴(kuò)展，裂紋則在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生較小影響的狹小孔洞。

PF 的親水性較好，可附著較多的水化產(chǎn)物，纖維表面可牢牢地鎖住水分，降低水分的流失。因此，PFRC 水化反應(yīng)更加充分并可減少裂紋的產(chǎn)生，抗裂性能相應(yīng)提高。PFRC 受力的過程中，當(dāng)外力逐漸增大至試件抗裂強(qiáng)度時(shí)，試件出現(xiàn)裂紋，纖維便橫跨裂紋承受外力，從而抑制裂紋的持續(xù)發(fā)展。

PFRC 受壓時(shí)，PF 能延緩混凝土裂紋的擴(kuò)展，新裂紋出現(xiàn)時(shí)，PF 再次起到阻裂作用，如此反復(fù)，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多微裂紋且發(fā)展途徑變得曲折，使試塊裂而不碎，從而起到增韌、阻裂的效果。此外，PF 增強(qiáng)PFRC 的抗裂性能主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：①當(dāng)PFRC 硬化收縮時(shí)，PF 抑制了其收縮變形，從而減少因收縮變形產(chǎn)生的裂紋；②當(dāng)試件承受外荷載時(shí)，PF 能夠抑制混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中和尖端效應(yīng)，在微裂紋出現(xiàn)和微裂縫發(fā)展初期，起到黏結(jié)作用，有效地阻止裂縫的發(fā)展。同時(shí)，當(dāng)微裂縫不斷擴(kuò)大，PF 則會(huì)被拔出，此過程消耗大量的能量，增強(qiáng)了PFRC 的韌性。

3 結(jié) 論

本文研究了PF 體積分?jǐn)?shù)對(duì)PFRC 坍落度、抗壓性能和抗拉性能的影響規(guī)律與作用機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）隨著PF 體積分?jǐn)?shù)的增加，PFRC 坍落度逐漸降低，摻入體積分?jǐn)?shù)為0.3%的PF 時(shí)，坍落度較對(duì)比試件降低幅度最大（18.2%）。

（2）PF 對(duì)PFRC 立方體抗壓強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用，當(dāng)PF 纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度提升幅度最大（10.3%）。

（3）PF 具有較好的阻裂作用。在一定范圍內(nèi)，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，PFRC 的劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度越大，當(dāng)PF 體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比較對(duì)比試件分別提高了22.5%、16.9%。