纖維再生混凝土材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

關(guān)曉迪，馬 迪，魏歡歡，亢佳偉，雷天奇

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048;2.西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300;3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100;4.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋與建筑學(xué)院，陜西 渭南 714099)

在工程實(shí)踐中，再生混凝土的研究和使用較好地解決了建筑垃圾處理問(wèn)題以及天然砂石資源短缺問(wèn)題[1]，然而再生混凝土的骨料強(qiáng)度低、易破碎、耐久性差等特性限制了其在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，纖維均勻分布于混凝土內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以改善再生混凝土的力學(xué)性能，因此研究纖維再生混凝土力學(xué)性能及纖維增強(qiáng)再生混凝土的機(jī)理可以推進(jìn)再生混凝土的工程應(yīng)用。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維再生混凝土的試驗(yàn)和理論研究方面研究較多。Feldman等[3]通過(guò)開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼纖維和聚丙烯纖維分別提高了改性混凝土極限強(qiáng)度、韌性。Banthia[4]通過(guò)將不同類型纖維混合加入普通強(qiáng)度混凝土中，研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土韌性的影響。孫家瑛[5]通過(guò)開展試驗(yàn)，研究了纖維混凝土的抗?jié)B性能，明晰了纖維對(duì)各齡期混凝土抗氯離子滲透性能及抗凍融循環(huán)耐久性能的影響。羅洪林等[6]、張悅[7]、雷江[8]通過(guò)研究聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用，探討了長(zhǎng)徑比對(duì)聚丙烯混凝土的力學(xué)性能的影響。佟鈺等[9]通過(guò)開展試驗(yàn)，研究了聚丙烯纖維對(duì)水泥土的增強(qiáng)增韌作用，研究結(jié)果表明聚丙烯纖維明顯地提高水泥基材料的力學(xué)性能?？紫榍宓萚10-11]通過(guò)開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混雜纖維對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能和抗沖擊性能呈現(xiàn)混雜增強(qiáng)效應(yīng)。周靜海等[12-14]通過(guò)研究廢棄纖維再生混凝土在不同再生骨料摻入量、纖維長(zhǎng)度和水灰比條件下劈裂抗拉強(qiáng)度，得到了纖維顯著增強(qiáng)了再生混凝土的強(qiáng)度和韌性的結(jié)論。上述研究成果均有益地推進(jìn)了纖維再生混凝土試驗(yàn)和理論研究方面的發(fā)展。

值得注意的是，針對(duì)纖維種類對(duì)再生混凝土材料性能的影響，以及纖維直徑、長(zhǎng)度和摻入量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響方面還缺乏系統(tǒng)的研究。基于此，本文開展了不同纖維種類對(duì)再生混凝土材料力學(xué)性能的影響，以及采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)，分析了聚丙烯纖維直徑、纖維長(zhǎng)度和質(zhì)量比對(duì)添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響。研究成果以期為纖維在再生混凝土中推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

該再生混凝土試驗(yàn)主要原料為廢磚塊、廢混凝土、水泥和不同纖維，其中廢磚塊和廢混凝土取自陜西省西安市鄠邑區(qū)余下鎮(zhèn)吳家堡村當(dāng)?shù)卮u廠提供廢磚塊和廢混凝土的破碎和篩分；水泥取自陜西省耀縣秦嶺牌P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，初凝時(shí)間130 min，終凝時(shí)間310 min，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為8.8、52.2 MPa，水泥主要化學(xué)組成見表1，顯然水泥的主要成分為堿性物質(zhì)，水解后會(huì)在混凝土中形成堿性環(huán)境；植物纖維和聚丙烯纖維在網(wǎng)上購(gòu)置，見圖1，左一為植物纖維，中間為直聚丙烯纖維，右一為曲聚丙烯纖維，纖維基本性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)中，將廢磚塊中較粗的(粒徑5 ～15 mm)作為粗骨料，將廢混凝土中較細(xì)的(粒徑5 mm以下)作為細(xì)骨料，再生粗細(xì)骨料見圖2。

表1 水泥化學(xué)組成

圖1 植物纖維與聚丙烯纖維

表2 不同纖維基本性能參數(shù)

圖2 再生骨料

1.2 試樣制備

1.3 試驗(yàn)方案

首先通過(guò)控制再生混凝土材料中纖維的種類，對(duì)比分析了纖維種類對(duì)再生混凝土材料力學(xué)性能的影響，具體的材料組成見表3；然后采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)，考察3個(gè)影響因素：聚丙烯纖維直徑、纖維長(zhǎng)度和纖維質(zhì)量比對(duì)添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響，試件編號(hào)及配合比結(jié)果見表4。試驗(yàn)測(cè)試每組試樣的力學(xué)性能，包括單軸抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，每種強(qiáng)度測(cè)試有3個(gè)試樣，取其均值作為強(qiáng)度值，分別測(cè)試其7、28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

表3 不同再生混凝土試樣的材料屬性

表4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同纖維再生混凝土的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1纖維種類對(duì)試樣的破壞形態(tài)影響分析

圖3為不同纖維再生混凝土試樣破壞形態(tài)。由圖可知：K1和K4試樣破壞程度較為嚴(yán)重，其中K1試樣邊緣破壞嚴(yán)重，K4試樣中心及下部破壞嚴(yán)重；K2和K3試樣出現(xiàn)延性破壞，試樣表面出現(xiàn)未貫通裂隙，但整體性較好，試樣基本上未發(fā)生脫落和破碎現(xiàn)象。這是由于植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土破壞，而曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土破壞。

圖3 不同纖維再生混凝土試樣破壞形態(tài)

2.1.2纖維種類對(duì)試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線影響分析

圖4為不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可知：養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，K2試樣的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均比K1試樣大，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，K2與K1試樣的強(qiáng)度較為接近。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，植物纖維在再生混凝土中發(fā)揮的作用逐漸減?。煌瑫r(shí)在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)K3試樣的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均大于K1試樣，K4試樣均小于K1試樣。

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.1.3纖維種類對(duì)試樣強(qiáng)度影響分析

表5為不同纖維再生混凝土的試樣強(qiáng)度。由表可知：隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，不同纖維再生混凝土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加，且前者增加幅度大于后者，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響更明顯；養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，K2、K3試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均大于K1試樣，其中抗壓強(qiáng)度分別增大8.9%和22.8%，抗拉強(qiáng)度分別增大17.7%和21.0%，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，K2試樣的抗壓、抗拉強(qiáng)度與K1試樣基本相等，K3試樣的抗壓和抗拉強(qiáng)度的增大幅度接近30%，K4試樣的抗壓和抗拉強(qiáng)度小于K1試樣。

表5 不同纖維再生混凝土的試樣強(qiáng)度

上述分析表明：直聚丙烯纖維增強(qiáng)了再生混凝土的力學(xué)性能，曲聚丙烯纖維削弱了力學(xué)性能，這可能是由于后者因?yàn)椴▌?dòng)不能較好地與水泥漿體膠結(jié)，使得未膠結(jié)部位成為薄弱點(diǎn)；植物纖維養(yǎng)護(hù)初期增強(qiáng)了再生混凝土的力學(xué)性能，而養(yǎng)護(hù)后期增強(qiáng)作用逐漸消失，這是由于再生混凝土內(nèi)部是堿環(huán)境，植物纖維在堿環(huán)境中會(huì)不斷地受到腐蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)受到破壞。

——不管別人已經(jīng)做過(guò)多少研究，每個(gè)“點(diǎn)”自己都要?jiǎng)邮置槐?；若干年后將這些“點(diǎn)”串聯(lián)起來(lái)，便是“線”，是自己構(gòu)建的“自己的解釋體系”(歷史就是這樣由不同之人構(gòu)建的能夠“自圓其說(shuō)”的解釋體系).

2.2 聚丙烯纖維再生混凝土的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1聚丙烯纖維物理特性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響分析

表6為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度。由表可知：Z3試樣的力學(xué)性能最好，28 d抗壓強(qiáng)度僅次于Z9試樣，28 d抗拉強(qiáng)度僅次于Z5、Z7試樣，表明聚丙烯纖維直徑為0.2 mm，長(zhǎng)度為40 mm，摻入質(zhì)量比為0.3%時(shí)性能較好。

表6 聚丙烯纖維物理特性對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響 單位：MPa

2.2.2纖維物理特性對(duì)抗壓強(qiáng)度的極差分析

表7為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗壓強(qiáng)度P的極差分析。由表可知：養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，摻入質(zhì)量比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，纖維長(zhǎng)度次之，纖維直徑最?。磺茵B(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，聚丙烯纖維直徑、長(zhǎng)度分別為0.2、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.1%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，聚丙烯纖維直徑、長(zhǎng)度分別為1、20 mm，摻入質(zhì)量比為0.1%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

表7 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的極差分析

2.2.3纖維物理特性對(duì)抗拉強(qiáng)度的極差分析

表8為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗拉強(qiáng)度T的極差分析。由表可知：養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，摻入質(zhì)量比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大，纖維直徑次之，纖維長(zhǎng)度最小，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，纖維長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小，表明隨著凝結(jié)硬化愈加充分，纖維長(zhǎng)度對(duì)于抗拉強(qiáng)度的改善作用愈加明顯；且養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，聚丙烯纖維直徑、長(zhǎng)度分別為0.5、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.6%時(shí)，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，聚丙烯纖維直徑、長(zhǎng)度分別為0.2 、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.3%時(shí)，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。

表8 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗拉強(qiáng)度的極差分析

2.2.4纖維物理特性對(duì)試樣強(qiáng)度的方差分析

表9為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度的方差分析。由表可知：聚丙烯纖維質(zhì)量比對(duì)抗壓和抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，纖維長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度影響顯著，纖維直徑僅對(duì)抗拉強(qiáng)度有影響。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，質(zhì)量比的影響程度最大，長(zhǎng)度次之，直徑最小，對(duì)于抗拉強(qiáng)度，長(zhǎng)度的影響程度最大，質(zhì)量比次之，直徑最小，這與極差分析的結(jié)果相吻合。表明聚丙烯纖維質(zhì)量比和長(zhǎng)度是影響再生混凝土材料強(qiáng)度的重要因素。

表9 不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度的方差分析

3 結(jié)論

a)植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土的破壞，曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土的破壞；植物纖維和直聚丙烯纖維可以增強(qiáng)再生混凝土的峰值強(qiáng)度和變形模量，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，植物纖維的增強(qiáng)效果減弱，曲聚丙烯纖維會(huì)削弱再生混凝土的峰值強(qiáng)度和變形模量。

b)對(duì)于抗壓強(qiáng)度，摻入質(zhì)量比的影響程度最大，纖維長(zhǎng)度次之，纖維直徑最小，對(duì)于抗拉強(qiáng)度，纖維長(zhǎng)度的影響程度最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小。

c)聚丙烯纖維質(zhì)量比對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，聚丙烯纖維長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度影響顯著，說(shuō)明纖維質(zhì)量比和長(zhǎng)度是影響再生混凝土材料強(qiáng)度的重要因素。