PVA和再生骨料對(duì)混凝土基本特性的影響

郭 麗， 李香蘭， 王小玲， 李 琪

(江西科技學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330098)

0 引 言

利用工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，如鐵渣[1]、橡膠[2]和塑料[3]等，來(lái)生產(chǎn)混凝土可以有效地降低自然資源的消耗；同樣地，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行再生利用也非常有利于自然環(huán)境和資源的保護(hù)[4]。

廢舊混凝土的數(shù)量巨大，應(yīng)用前景十分廣闊，但利用再生骨料生產(chǎn)的混凝土具有強(qiáng)度低、耐久性差等缺點(diǎn)[5-7]。為此，許多學(xué)者利用不同的外加劑和外摻料對(duì)再生骨料混凝土的性能進(jìn)行改善。例如，盛朝暉[8]等利用鋼纖維和粉煤灰對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行改性，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試證明了摻入鋼纖維能提高再生骨料混凝土的強(qiáng)度，且在摻入鋼纖維時(shí)，可以適當(dāng)提高再生粗骨料的摻量；但摻入煤灰后，試樣強(qiáng)度則出現(xiàn)了降低。沈萬(wàn)岳[9]等利用聚合物對(duì)再生骨料滲透性混凝土進(jìn)行改性，力學(xué)和透水性測(cè)試結(jié)果表明聚合物改性再生骨料滲透性混凝土能夠滿足工程要求。何文昌[10]等、羅素蓉[11]等以及Neethu[12]等利用鋼纖維制備了再生骨料混凝土并進(jìn)行了抗壓、劈裂抗拉和抗折測(cè)試，結(jié)果表明鋼纖維能夠提高再生骨料混凝土的強(qiáng)度、剛度和起裂韌度。Majhi[13]等利用高爐礦渣對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行改性，通過(guò)力學(xué)測(cè)試證明高爐礦渣提高了再生骨料混凝土的強(qiáng)度和工作性能。

綜上可知，添加纖維材料和礦物摻合料是對(duì)再生混凝土進(jìn)行改性的主要方式。相比于其他類型纖維，聚乙烯醇（PVA）纖維具有重量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，且目前關(guān)于利用PVA對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行改性的研究較少。因此，本文利用PVA對(duì)不同再生骨料含量的混凝土進(jìn)行改性，并對(duì)PVA和再生骨料對(duì)混凝土基本性能的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究使用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其相對(duì)密度和比表面積分別為3.15和290 m2/kg?；炷罼RF化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

天然細(xì)骨料為河砂，天然粗骨料為破碎的大理石，通過(guò)篩分分為5～10 mm和10～20 mm兩種粒組。再生粗骨料是通過(guò)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行破碎、清洗和篩分后獲得的，其粒徑范圍為5～20 mm。各種骨料的具體物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 天然骨料和再生骨料的物理特性

PVA纖維的直徑為38 μm，長(zhǎng)度8 mm，縱橫比（即纖維長(zhǎng)度與直徑之比）等于210，抗拉強(qiáng)度1 600 MPa，相對(duì)密度為1.3。

1.2 試樣配合比與樣品制備

再生骨料(recycled aggregate, RG)分別按0%、25%、50%、75%和100%的比例替代天然粗骨料，PVA纖維則按照體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.25%、0.5%、1%的比例摻入進(jìn)行混凝土制備。根據(jù)PVA摻量的不同將試樣分為四個(gè)組，其中組1的PVA纖維摻量為0；組2的PVA纖維摻量為0.25%；組3的PVA纖維摻量為0.5%；組4的PVA纖維摻量為1%。加上對(duì)照組CN，一共17種試樣。試樣分組和單位體積混凝土中材料的含量見(jiàn)表3。

進(jìn)行試樣制備時(shí)，根據(jù)表3進(jìn)行材料稱量和混合，按照水灰比0.4加水?dāng)嚢韬蟮谷肽＞卟舆M(jìn)行震動(dòng)密實(shí)。接著將試樣連同模具一起放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度不小于 95%）下養(yǎng)護(hù)。24 h之后，進(jìn)行脫模并繼續(xù)放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直到測(cè)試為止。

表3 樣本編號(hào)以及單位體積試樣的配合比

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在養(yǎng)護(hù)28 d之后，依據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]，利用RMT -201巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土的密度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試樣是邊長(zhǎng)為150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體，劈裂抗拉強(qiáng)試樣是?150 mm×300 mm圓柱形試樣。參照標(biāo)準(zhǔn)方法，抗壓試驗(yàn)的加載速度為0.5 MPa/s，劈裂抗拉試驗(yàn)的加載速度為0.05 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 密度

試樣密度隨著RG含量的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1知，隨著RG含量增加，所有試樣密度均逐漸降低，且PVA含量越高，試樣密度越低。例如，PVA=0時(shí)，密度降低率范圍為 0.8%～5.3%；當(dāng)PVA=1%時(shí)，密度降低率范圍達(dá)到了2.8%～8.3%。結(jié)合表2再生骨料基本特性可知，這一現(xiàn)象可能的原因是再生骨料密度小于天然骨料且PVA纖維密度也很小，因此再生骨料和PVA越多試樣密度越低。

圖1 密度隨著再生骨料的變化規(guī)律

試樣的密度隨著PVA含量變化的規(guī)律如圖2所示。當(dāng)RG ≤75%時(shí)，試樣的密度隨著PVA含量的增加先增加，在PVA=0.25%時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸降低；但當(dāng)RG=100%時(shí)，試樣的密度隨著PVA的增加單調(diào)下降。雖然在添加體積比為0.25%的PVA會(huì)一定程度提高密度，但是試樣的密度仍然低于對(duì)照組。

圖2 密度隨著PVA的變化規(guī)律

2.2 抗壓強(qiáng)度

試樣的抗壓強(qiáng)度隨著RG含量的變化規(guī)律如圖3所示。當(dāng)PVA摻量≤0.25%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料的增加逐漸降低；且在再生骨料用量相同的條件下，PVA摻量越低，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低；例如，PVA=0時(shí)，RG替代率為25%、50%、75%和100%的試樣的抗壓強(qiáng)度降低率分別17.5%、21.5%、34%和39.5%；PVA=0.25%時(shí)，對(duì)應(yīng)RG替代率下試樣的抗壓強(qiáng)度降低率分別為6.1%、17.5%、27.3%和33.1%。但當(dāng)PVA摻量≥0.5%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度均隨著RG的增加先增加后降低，在RG=25%時(shí)強(qiáng)度最高；這表明在當(dāng)RG ≤50%時(shí)，添加0.5%或者1%的PVA可以改善再生骨料混凝土的力學(xué)特性；而當(dāng)RG≥50%時(shí)，PVA對(duì)再生骨料混凝土強(qiáng)度的改善效果降低。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料的變化規(guī)律

PVA含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖4所示。試樣的抗壓強(qiáng)度隨著PVA摻量的增加逐漸增加，在PVA=0.5%時(shí)達(dá)到最大值；但當(dāng)PVA摻量進(jìn)一步增加時(shí)除了RG=25%外，其他試樣的強(qiáng)度逐漸下降。同時(shí)，當(dāng)RG≤50%，PVA≥0.5%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度大于對(duì)照組試樣；在當(dāng)RG≥50%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度均小于對(duì)照組。再次說(shuō)明利用高強(qiáng)度的PVA可以有效改善再生骨料混凝土的力學(xué)特性，但RG的替代比不能高于50%。

圖4 抗壓強(qiáng)度隨著PVA的變化規(guī)律

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。與對(duì)照組CN相比，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著再生骨料的增加先增后減，且PVA含量越高，試樣的峰值抗拉強(qiáng)度越高，其中PVA=1%和RG=50%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到了3.65 MPa，較對(duì)照組增加了40.9%；當(dāng)PAV=0.25%和0.5%時(shí)，再生骨料混凝土在RG=75%時(shí)達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度；此時(shí)，PAV=0.25%和0.5%的試樣抗拉強(qiáng)度較對(duì)照組分別增加了26.3%和12.4%。但當(dāng)再生骨料增加到100%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度均小于對(duì)照組。

圖5 抗拉強(qiáng)度隨著再生骨料含量的變化規(guī)律

PVA對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖6所示。隨著PVA摻量的增加所有試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度都有所增加。其中RG=25%、RG=75%和RG=100%的試樣的抗拉強(qiáng)度隨著PVA含量的增加呈現(xiàn)一定程度的波動(dòng)；在PVA=0.25%時(shí)達(dá)到波峰，在PVA=0.5%時(shí)達(dá)到波谷；之后又逐漸上升。RG=100%的試樣在PVA=0.25%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值；RG=25%和RG=75%的試樣抗拉強(qiáng)度最大值則出現(xiàn)在PVA=1%時(shí)，相比于對(duì)照分別增加了10%和24.7%。而RG=50%的試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度則隨著PVA含量的增加單調(diào)增加，當(dāng)PVA=1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度較對(duì)照組提高了40.9%。進(jìn)一步證明摻入PVA能夠改善再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.4 彈性模量

彈性模量隨著RG含量的變化規(guī)律如圖7所示。不含PVA時(shí)，試樣的彈性模量隨著RG的增加單調(diào)下降；而摻入PVA后，試樣的彈性模量隨著再生骨料的增加先增加后減??；其中，在PVA=1%時(shí)，添加25%的RG后，混凝土試樣的彈性模量從2.52 GPa增加到3.2 GPa；當(dāng)RG摻量增加到100%時(shí)，試樣的彈性模量降低到了2.4 GPa；PVA=0.25%的試樣也是在RG=25%時(shí)達(dá)到最大值；而PVA=0.5%的試樣則是在RG=50%時(shí)才達(dá)到峰值，之后迅速下降。由此可知再生骨料的最優(yōu)摻量為25%～50%。

圖7 再生骨料含量對(duì)彈性模量的影響規(guī)律

PVA對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響見(jiàn)圖8。與抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著PVA含量變化的規(guī)律類似，隨著PVA摻量的增加，再生骨料混凝土的彈性模量整體上呈上升的趨勢(shì)并伴隨著一定程度的波動(dòng)。但當(dāng)RG摻量不同時(shí)，彈性模量-PVA曲線的波峰的位置與抗拉強(qiáng)度-PVA曲線和抗壓強(qiáng)度-PVA曲線的波峰位置不盡相同。例如，抗壓強(qiáng)度的波峰主要出現(xiàn)在PVA=0.5%；抗拉強(qiáng)度的波峰主要出現(xiàn)在PVA=0.25%和PVA=1%；而在PVA=0.25%、PVA=0.5%和PVA=1%處都出現(xiàn)了彈性模量曲線的波峰。同時(shí)，在PVA≥0.25%，RG≤50%及PVA=1%，RG=75%兩種狀態(tài)下再生骨料混凝土的彈性模量高于對(duì)照組試樣，這可能是由于分散于混凝土內(nèi)部的PVA通過(guò)纖維橋接作用增強(qiáng)了混凝土的整體性；且PVA的數(shù)量越高，對(duì)混凝土整體性提高的效果越好，從而一定程度地彌補(bǔ)了RG摻入對(duì)混凝土彈性模量的負(fù)面作用。

圖8 PVA 含量對(duì)彈性模量的影響規(guī)律

2.5 超聲波速測(cè)試

超聲波速測(cè)試是一種常用的測(cè)試混凝土完整性和強(qiáng)度的手段；波速越大則代表著混凝土的完整性越高，強(qiáng)度也相應(yīng)較高。再生骨料混凝土內(nèi)超聲波速的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。圖9為不同再生骨料含量下的超聲波速，由該圖可知，所有試樣的超聲波傳播速度均隨著RG摻量的增加而逐漸降低，且都低于對(duì)照組試樣的超聲波傳播速度。這表明RG的摻入會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)的波速傳播產(chǎn)生不利影響；也間接證明了RG的摻入會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)特性產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖9 再生骨料對(duì)超聲波速的影響規(guī)律

再生骨料混凝土的超聲波速隨著PVA含量的變化規(guī)律如圖10所示。不同于PVA對(duì)抗壓強(qiáng)、劈裂抗拉強(qiáng)度以及彈性模量的影響規(guī)律，除了RG=25%的試樣，再生骨料混凝土內(nèi)的超聲波傳播速度隨著PVA含量的增加單調(diào)下降；且所有改性試樣的波速均低于對(duì)照組。這表明雖然添加PVA可以明顯提高再生骨料混凝土力學(xué)特性，但添加PVA不利于超聲脈沖的傳播。這一現(xiàn)象可能是由于PVA的添加可以提高混凝土整體性進(jìn)而提高混凝土的強(qiáng)度；而PVA的添加也會(huì)降低混凝土的密度，如圖2所示，使得超聲波速不斷下降。

圖10 PVA對(duì)超聲波速的影響規(guī)律

2.6 相關(guān)性分析

通常情況下，混凝土材料的各項(xiàng)物理力學(xué)特性之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。為此，本文對(duì)試樣的物理力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行研究。

再生骨料混凝土的密度與抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)性如圖11所示。整體上二者之間具有良好的線性關(guān)系。相比之下，PVA=0.5%時(shí)，試樣密度和抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)性最弱；PVA=0.25%時(shí)，試樣密度和抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)性最強(qiáng)。

圖11 密度與抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)性

超聲波速和密度間的相關(guān)性如圖12所示。線性擬合的r2值范圍為：0.812 1～0.994 9，表明再生骨料混凝的土密度和超聲波傳播速度之間也具有較好的相關(guān)性。其中，PVA=0的試樣的密度和超聲波傳播速度間的相關(guān)性最差，此時(shí)r2=0.812 1；而PVA=1%的試樣的密度和超聲波速之間相關(guān)性最好（r2=0.994 9）。這表明，PVA的加入提高了密度和超聲波速間的相關(guān)性。

圖12 密度與超聲波速間的相關(guān)

抗壓強(qiáng)度和超聲波速間的相關(guān)性如圖13所示。r2值范圍為：0.671 8～0.944 3，表明再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和超聲波速之間具有一定程度的線性相關(guān)性。同密度和抗壓強(qiáng)度以及密度和超聲波速相關(guān)性關(guān)系，PVA=0的試樣的抗壓強(qiáng)度和超聲波速間的相關(guān)性最弱；但上述三組參數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)時(shí)的PVA摻量各不相同。這表明PVA的加入有利于提高再生骨料混凝土的密度-抗壓強(qiáng)度、密度超聲波速和超聲波速-抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)性；但影響程度不同；這可能和PVA對(duì)密度、強(qiáng)度和超聲波速的影響機(jī)理不同有關(guān)。

圖13 抗壓強(qiáng)度與超聲波速間的相關(guān)性

2.7 微觀結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了拍攝記錄，如圖14所示。

圖14 試樣端部照片

從該圖中可以看出骨料以及水泥，且骨料和水泥間的膠結(jié)較為緊密；但是無(wú)法觀察出混凝土中的纖維。為此，本文利用掃描電子顯微鏡(SEM) 對(duì)試驗(yàn)后的破壞面進(jìn)行了研究，如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)破壞面的微觀照片

由圖15（a）可以看出，試樣破壞之后，部分纖維被拉出，形成了光滑的接觸面；且纖維和水泥的接觸面出現(xiàn)了開(kāi)裂和斷裂，但也有纖維依然粘附在混凝土表面。在縮小倍數(shù)之后，可以從斷面處看出更多的纖維，如圖15（b）所示；斷面處可以觀察到許多的PVA纖維，且纖維之間相互重疊交錯(cuò)。由此可以推測(cè)，纖維在完整的混凝土內(nèi)部也是重疊交錯(cuò)分布的，交錯(cuò)分布的纖維通過(guò)橋接作用可以提高混凝土的整體性，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用PVA纖維對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行改性，通過(guò)對(duì)不同PVA纖維和再生骨料含量的混凝土試樣進(jìn)行密度、強(qiáng)度和超聲波速進(jìn)行測(cè)試獲得了以下結(jié)論：

1）隨著再生骨料摻量的增加，混凝土試樣的密度不斷降低且PVA含量越高，試樣的密度越低。

2）摻入RG會(huì)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量產(chǎn)生不利影響，PVA的摻入可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量；當(dāng)PVA=0.5%，RG=25%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量最高；當(dāng)PVA=1%，RG=50%時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度最高。由此得RG和PVA的最有摻量分別為25%～50%和0.5%，且在RG≤50%和PVA≥0.5%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均大于對(duì)照組。

3）所有試樣的超聲波傳播速都隨著再生骨料和PVA纖維的增加逐漸降低。

4）PVA改性再生骨料混凝土的密度-抗壓強(qiáng)、密度-超聲波速、抗壓強(qiáng)度-超聲波速之間有一定的線性相關(guān)性。

5）微觀分析證明纖維在混凝土內(nèi)部重疊交錯(cuò)分布，這可以有效地提高混凝土的整體性和力學(xué)性能。