鋼-聚丙烯混摻纖維對再生水工混凝土力學性能的影響

王宗海

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300）

1 研究背景

混凝土的生產(chǎn)需要大量的骨料，而天然砂石作為傳統(tǒng)混凝土的骨料來源，近年來的開采量迅速增加，部分地區(qū)的資源趨于枯竭。同時，天然骨料的大量開采也會給生態(tài)環(huán)境造成十分嚴重的破壞[1]。因此，尋找天然骨料的替代品已經(jīng)成為十分緊迫的任務。另一方面，隨著城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，我國每年都會產(chǎn)生大量的建筑垃圾。如果對這些建筑垃圾采用傳統(tǒng)的填埋或堆放的方式進行處理，不僅會占用大量的土地資源，同時也會破壞周邊的生態(tài)環(huán)境[2]。在這一背景下，再生骨料混凝土逐漸進入人們的視野。顯然，利用建筑垃圾制作的再生骨料全部或部分替代天然骨料，不僅可以實現(xiàn)建筑垃圾的無害化處理和資源化利用，還可以節(jié)省混凝土的制作成本，具有十分廣闊的發(fā)展前景[3]。但水利工程對混凝土的強度和抗裂性及抗?jié)B性方面有較高的要求，鑒于再生混凝土往往具有強度低、韌性不足的缺陷[4]，在實際工程應用中往往需要在其中摻加一定的纖維等加強材料，以改善和提高再生混凝土的物理和力學性能。從當前的研究來看，主要針對單摻一種纖維展開，而針對混摻纖維的研究不多。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，選擇鋼纖維和聚丙烯纖維兩種常用的纖維進行復摻試驗，以探求其對混凝土力學性能的影響，為相關(guān)工程應用提供支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

水泥作為混凝土中必不可少的膠凝材料，其強度等級和質(zhì)量會對混凝土的力學性質(zhì)產(chǎn)生直接影響。此次試驗中選擇的是錦州北方水泥廠出品的P.O42.5A 普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測定，其細度模數(shù)為7.0%；初凝時間為210 min，終凝時間為280 min；28 d抗壓強度為45.2 MPa，抗折強度為8.9 MPa。

試驗中的骨料分為天然骨料和再生骨料[5]。其中天然細骨料為普通河沙，其粒徑范圍為0.15～4.75 mm；天然粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2 772 kg/m3，壓碎指標為6.5%。試驗中，再生骨料主要是粗骨料，由設計強度為C30 的廢棄混凝土經(jīng)破碎機破碎獲取，為4.75～26.50 mm連續(xù)級配。其堆積密度為1 380 kg/m3，含泥量為0.6%，壓碎指標為12%。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗和研究成果，試驗中按照天然粗骨料和再生骨料比為1∶1的比例進行混摻，作為試驗中的粗骨料。

試驗用纖維為鋼纖維和聚丙烯纖維。其中，鋼纖維選擇的是河北衡水廣正有限公司生產(chǎn)的波浪形鋼纖維。其長度為38 mm，彈性模量為200 GPa，抗拉強度為1 250 MPa。聚丙烯纖維由上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)，其抗拉強度為1 550 MPa，彈性模量為36 GPa，密度為0.89 g/cm3。

試驗用水為普通自來水，試驗用減水劑為德州啟明化工有限公司出品的聚羥酸高效減水劑，其推薦摻量為0.2%。

2.2 試驗方案

試驗中以《水工混凝土配合比設計規(guī)范》中的C30普通混凝土配合比為基礎，確定試驗配合比[6]。其中，水泥、水、砂、粗骨料的每立方米用量分別為350，175，837，1 020 kg。在試驗中，纖維摻加量以體積比進行設計和研究。將鋼纖維和聚丙烯纖維以單摻的方式分別以0.2%，0.4%和0.6%的摻加比例摻加進再生混凝土，以不摻加纖維的普通再生混凝土作為對照方案，共獲得7 種單摻試驗方案。將鋼纖維和聚丙烯纖維以4∶1（比例1）、2∶1（比例2）、1∶1（比例3）、1∶2（比例4）、1∶4（比例5）等5 種不同比例，且總摻加率仍舊為0.2%、0.4%和0.6%，共獲得15 種不同的混摻試驗方案。對上述22 種試驗方案進行力學性能試驗，探討混摻纖維對再生混凝土力學性能的影響。

2.3 試驗方法

此次試驗中，試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度使用的是150 mm×150 mm×150 mm的標準尺寸試件；抗折強度采用的是100 mm×100 mm×400 mm的非標準試件[7]。在試驗過程中，按照設計的配合比稱量混凝土的制作材料，將水泥、細骨料和粗骨料倒入攪拌機中攪拌2 min，再逐步撒入鋼纖維并攪拌3 min，在均勻混合之后再撒入聚丙烯纖維攪拌5 min，之后加入水和減水劑再攪拌3 min。將制作好的混凝土裝入試模，在振動臺上振動1 min 成型，將成型的試件靜置24 h 后拆模并編號，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d 齡期。

混凝土試件的抗壓性能、劈裂抗拉性能及抗折性能測試使用2 000 kN液壓伺服壓力試驗機，試驗數(shù)據(jù)利用電腦自動采集[8]。試驗中，每種試驗方案試驗3個試件，以試驗結(jié)果的均值作為最終結(jié)果。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖1 所示的再生混凝土抗壓強度隨纖維摻量的變化曲線。由圖1 可以看出，單摻聚丙烯纖維可以顯著提高再生混凝土的抗壓強度，且與鋼纖維相比存在比較明顯的對比優(yōu)勢。同時，其最佳摻量為0.2%，與未摻加纖維的普通再生混凝土相比，其抗壓強度提高了約9.22%，再增加摻量效果反而降低；鋼纖維的最佳摻量為0.4%，但其對抗壓強度的提升作用較為有限。

對混摻方案的試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制出如圖2 所示的不同混摻比例下試件抗壓強度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖2 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的抗壓強度，原因是兩種不同性質(zhì)的纖維可以更好改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抑制不同性質(zhì)裂縫的發(fā)展，從而提高其抗壓強度。從不同纖維摻加比例來看，在比例1、比例3 和比例5 條件下，再生混凝土試件的抗壓強度隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動增大的變化趨勢，只有在纖維摻量較大的情況下，才有提高混凝土抗壓強度的顯著效果。在比例2 和比例3 條件下，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出穩(wěn)步增大的變化特點。其中，比例2 也需要較大的摻量方可獲得顯著效果，當摻量小于0.4%時效果并不明顯?？傮w來看，在相同總摻量的情況下，比例3 不僅可以獲得最大的抗壓強度，且較小摻量即可獲得顯著效果，當總摻量大于0.4%時，作用效果并不明顯。

3.2 劈裂抗拉強度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖3 所示的再生混凝土劈裂抗拉強度隨纖維摻量的變化曲線。由圖3 可以看出，再生混凝土中摻加纖維可以顯著提高其劈裂抗拉強度。從摻量的影響來看，試件的劈裂抗拉強度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加之后緩慢減小的變化特點，當纖維摻量為0.2%時的劈裂抗拉強度最大。兩種纖維相比，單摻聚丙烯纖維在提高再生混凝土劈裂抗拉強度方面具有一定的對比優(yōu)勢。

對混摻方案的試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制出如圖4 所示的不同混摻比例下試件劈裂抗拉強度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖4 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉強度，原因與抗拉強度類似。從具體的變化趨勢來看，隨著總摻量的增大，不同纖維比例下的再生混凝土抗拉強度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，說明單方面提高纖維摻量并不能獲得良好的劈裂抗拉強度改善效果，原因是過多的纖維摻入會影響混凝土內(nèi)部的密實度及纖維的均勻分布，不利于劈裂抗拉強度的提高。從具體結(jié)果來看，當比例3 在總摻量為4%時的劈裂抗拉強度最大，為最優(yōu)摻加比例和摻加量。

3.3 抗折強度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖5 所示的再生混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線。由圖5 可以看出，抗折強度和劈裂抗拉強度類似，隨著纖維摻量的增加，試件的抗折強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，纖維摻量在0.4%時抗折強度達到最大。總之，在再生混凝土中摻入纖維有利于提高混凝土的抗折強度；從兩種纖維的對比來看，聚丙烯纖維的效果更佳。

對混摻方案的試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制出如圖6 所示的不同混摻比例下試件抗折強度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖6 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉強度。從具體的變化趨勢來看，除比例5 混凝土的抗折強度呈現(xiàn)穩(wěn)步增大的變化特點之外，其余纖維摻加比例下的再生混凝土抗折強度均隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，且總摻量為0.4%時的抗折強度最大。從不同纖維摻加比例的對比來看，比例3 在總摻量為0.4%時的抗折強度最大，為最優(yōu)比例設計方案。

4 結(jié)論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討了混摻鋼纖維和聚丙烯纖維對再生混凝土力學性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）在再生混凝土中摻加纖維可以有效提升其抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度；與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在提升再生混凝土力學性能方面的效果更佳。

2）復摻纖維和單摻纖維相比，在提高再生混凝土力學性能方面的作用更為明顯，具有一定的工程應用價值。

3）從實驗結(jié)果來看，當鋼纖維和聚丙烯纖維的體積摻量為1∶1、總摻量為0.4%時，提高再生混凝土力學性能的作用最佳，推薦在工程設計中選用。