聚丙烯纖維再生骨料混凝土抗凍性能研究

李金澤，孟云芳，3，李 瑞，賀普春（.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川7500；.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川7500；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川7500）

聚丙烯纖維再生骨料混凝土抗凍性能研究

李金澤1，孟云芳1，3，李 瑞2，賀普春1
（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021）

為響應(yīng)國(guó)家“十二五”發(fā)展綱要，節(jié)約能耗 ，開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保型混凝土，二次利用廢棄物，即再生骨料。通過(guò)正交設(shè)計(jì)研究不同水膠比、再生粗骨料、粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維摻量等因素在不同水平下對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及工作性的影響，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選組對(duì)比試驗(yàn)，確定了混凝土的最優(yōu)配合比，并進(jìn)行了抗凍融試驗(yàn)。研究結(jié)果表明幾種組分復(fù)摻達(dá)到最佳比例時(shí)，混凝土強(qiáng)度和抗凍性顯著改善。研究結(jié)果為再生骨料的大量應(yīng)用和進(jìn)一步研究提供了數(shù)據(jù)支持。

再生骨料；混凝土；正交試驗(yàn)；抗凍性

隨著城市化水平的提高 ，城市建設(shè)進(jìn)一步加快，我國(guó)建筑的平均壽命不到30 a，這使得建筑垃圾大量產(chǎn)生 ，建筑垃圾已占到垃圾總量的三到四成。作為建筑垃圾之一的廢棄混凝土，簡(jiǎn)單的填埋處理，不僅占用了有限的土地資源，還要花費(fèi)一定的財(cái)力物力。廢棄混凝土的二次利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研究了好多年，并且已經(jīng)取得了一定的成果。再生骨料是由廢棄混凝土破碎而來(lái)，大量利用廢棄混凝土是保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇［1］。本文通過(guò)硅灰、聚丙烯纖維復(fù)摻來(lái)改善再生骨料的天然缺陷，提高再生骨料混凝土的抗凍性能，為再生骨料混凝土在干旱寒冷地區(qū)的應(yīng)用發(fā)展做了一些探索。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥:試驗(yàn)用的水泥來(lái)自于寧夏賽馬水泥廠 ，型號(hào)為PO32.5R，實(shí)測(cè)強(qiáng)度為39.01 MPa，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合《普通硅酸鹽水泥》［2］（GB175-2007）標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

（2）粗骨料:試驗(yàn)所用的粗骨料分為再生骨料和天然骨料。天然骨料用的是人工碎石，粒徑為4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～16.00 mm、16.00 mm ～25.00 mm三種顆粒級(jí)配 ，表觀密度為 2 690 kg/m3，堆積密度為1 430 kg/m3，吸水率為0.47%，壓碎指標(biāo)為9.64%。試驗(yàn)所用再生骨料由實(shí)驗(yàn)室廢棄的強(qiáng)度等級(jí)為C25～C40混凝土經(jīng)人工破碎而來(lái)，過(guò)篩調(diào)整為連續(xù)顆粒級(jí)配，粒徑為4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～16.00 mm、16.00 mm～25.00 mm三種顆粒級(jí)配，表觀密度為2 520 kg/m3，堆積密度為1 380 kg/m3，吸水率為 3.55%，壓碎指標(biāo)為14.53%［3］。

（3）粉煤灰:試驗(yàn)用的粉煤灰采購(gòu)于寧夏銀川熱電廠，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》［4］（GB1596-2005）要求，見(jiàn)表1。

表1粉煤灰的物理性能

（4）細(xì)骨料:本次試驗(yàn)采用的天然細(xì)骨料取材于寧夏鎮(zhèn)北堡產(chǎn)的人工水洗山砂，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 445 kg/m3，吸水率為0.8%，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

（5）硅灰:本次試驗(yàn)所用的硅灰來(lái)自于新疆哈密八一鐵合金有限公司，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

（6）聚丙烯纖維:選擇北京國(guó)豪化工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，其物理性能見(jiàn)表2。

表2聚丙烯纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)

2 再生骨料混凝土正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

再生骨料混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，水泥選用PO32.5R級(jí)水泥。根據(jù)施工要求的拌合物稠度和已知的粗骨料的種類及最大粒徑，確定混凝土的用水量為185 kg/m3。因素水平如表3，養(yǎng)護(hù)方法選擇標(biāo)養(yǎng)。砂率取固定值0.36。

表3正交試驗(yàn)因素水平表

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

將成型的試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)得的抗壓強(qiáng)度如表4所示。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 極差分析對(duì)抗壓強(qiáng)度做極差分析，結(jié)果列于表5。在上表中因素A（水膠比）對(duì)應(yīng)的值表示水平一下的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的平均值，R的值表示同因素不同水平下K的差值的絕對(duì)值中的最大值，該值越大 ，反映了該因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響就越大［5］。

第13號(hào)試塊抗壓強(qiáng)度為50.43 MPa，抗壓強(qiáng)度最大，相應(yīng)的試驗(yàn)條件為:A2B1C3D2E1。通過(guò)表5極差分析，因素主次順序?yàn)?A＞B＞C＞D＞E，各因素優(yōu)化水平為A3B1C1D3E2。

3.2.2 方差分析對(duì)抗壓強(qiáng)度做方差分析，結(jié)果列于表6。

表4 混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表5 混凝土28 d 正交試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度極差分析表

表6 混凝土28 d 正交試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度方差分析表

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，由表6分析可得，除了因素A水膠比對(duì)在生骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度有一定影響外，其他各因素均不顯著，得到的影響主次順序?yàn)?A→B→C→D→E，與極差分析所得到的主次順序一致。

3.3 正交試驗(yàn)的最優(yōu)配合比優(yōu)選（綜合平衡法）

根據(jù)以上分析可知，在不同的考核指標(biāo)下，優(yōu)選出的最優(yōu)配合比也不完全相同，現(xiàn)將各指標(biāo)的分析結(jié)果列于表7中，再采用綜合平衡法，進(jìn)行最終最優(yōu)配合比的確定。所謂綜合平衡法，就是針對(duì)正交試驗(yàn)中的多指標(biāo)的直觀分析，把各個(gè)指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合平衡，根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整，最后尋求最優(yōu)的配合比。

表7正交試驗(yàn)最優(yōu)配比優(yōu)選對(duì)比

（1）因素A水膠比:在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)因素A為第一水平時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但工作性較差；因素A為第二水平時(shí)，混凝土力學(xué)性能能達(dá)到配置要求，且具有良好的工作性。因素A為第三水平時(shí)，混凝土力學(xué)性能較低。所以選擇水膠比A2為宜。

（2）因素B粉煤灰:在標(biāo)養(yǎng)條件下，隨著粉煤灰量的增加，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，在不影響混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況下盡可能的多用粉煤灰，可以提高混凝土的經(jīng)濟(jì)性和工作性 ，故選擇粉煤灰B3為宜［7］。

（3）因素C再生骨料取代率:由直觀分析和極差分析可知，隨著再生骨料取代率為20%、40%、60%，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為46.098 MPa、44.710 MPa、43.970 MPa，混凝土隨著再生骨料取代率的增加，混凝土的強(qiáng)度逐漸降低［8-9］，但幅度較小，為了提高再生骨料利用率，再生骨料取代率宜選擇水平C3。

（4）因素D硅灰:由直觀分析和極差分析可知，隨著硅灰用量的增多，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度提高，但是混凝土的成本隨著硅灰用量的增多而增加［10］。故選擇D2為宜。

（5）因素E纖維:由方差分析可知，聚丙烯纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不是很大 ，當(dāng)摻量為E2時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗凍抗裂等性能［11-14］。所以纖維的摻量宜選擇水平為E2（0.9 kg/m3）。

結(jié)合分析結(jié)論，并兼顧經(jīng)濟(jì)性，綜合考核指標(biāo)，最后確定混凝土最優(yōu)配合比，配置出工作性能良好強(qiáng)度較高的混凝土，確定混凝土的最優(yōu)配合比為: A2B3C3D2E2。為了進(jìn)一步研究再生骨料混凝土耐久性能，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中優(yōu)選出的優(yōu)配合比與普通混凝土及全再生粗骨料混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，考察優(yōu)選結(jié)果的合理性。試驗(yàn)安排如表8。

表8對(duì)比試驗(yàn)表

以上各配合比單方用量如表9所示。

表9 優(yōu)選組對(duì)比試驗(yàn)單方材料用量表　　單位:kg/m3

3.4 優(yōu)選組對(duì)比試驗(yàn)

優(yōu)選組對(duì)比試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度及力學(xué)性能對(duì)比如表10所示。

表10試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

坍落度試驗(yàn)表明:按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)再生骨料混凝土，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土拌合物的塌落度大幅降低。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明:三組試驗(yàn)強(qiáng)度值均符合C30強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)要求，其中Z組（全再生骨料組）抗壓強(qiáng)度最低。Y組接近于J組。

4 抗凍性能分析

4.1 試驗(yàn)方法

目前，我國(guó)混凝土抗凍性常用的試驗(yàn)方法主要是按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》［15］（GB/T50082-2009）中規(guī)定的分為慢凍法和快凍法兩種。

本試驗(yàn)采用快凍法 ，每25次凍融循環(huán)，利用混凝土動(dòng)彈模量測(cè)定儀來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量混凝土的動(dòng)彈性模量，以測(cè)得的動(dòng)彈性模量計(jì)算得到的相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［16］。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件成型:試驗(yàn)共三組，材料用量配合比及單方用量見(jiàn)表8、表9，試件模型尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，每組3個(gè)試件，原材料與力學(xué)性能試驗(yàn)所用的原材料一致，標(biāo)準(zhǔn)方法成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

4.3 對(duì)比組數(shù)據(jù)

一般情況下，混凝土受到反復(fù)凍融作用后，由于內(nèi)部開(kāi)裂和表面剝落而導(dǎo)致質(zhì)量和動(dòng)彈性模量下降，且其質(zhì)量和動(dòng)彈性模量下降程度是決定該混凝土抗凍融性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中每隔25次凍融后進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量下降程度，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11凍融試驗(yàn)動(dòng)彈性模量結(jié)果

為了更好地比較三組混凝土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律，根據(jù)表11的數(shù)據(jù)繪出相對(duì)動(dòng)彈性模量下降趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 相對(duì)動(dòng)彈性模量下降趨勢(shì)圖

4.4 結(jié)果分析

由表11和圖1可看出，三組混凝土隨著凍融次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量都呈下降趨勢(shì)。在前75次凍融循環(huán)中，三組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降趨勢(shì)都較緩。從第75次凍融循環(huán)之后，Z組（全再生骨料組）的相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇下降，到125次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為52.26%，低于破壞值60%，已經(jīng)破壞。J組和Y組從第125次凍融循環(huán)之后，相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降趨勢(shì)變快 ，在第200次凍融循環(huán)之后，J組、Y組的相對(duì)動(dòng)彈性模量為61.82%、54.7%，表明Y組已經(jīng)破壞，J組接近破壞。綜上，Z組抗凍性能最差，Y組接近J組的抗凍性能，并且遠(yuǎn)高于Z組。

5 結(jié) 論

（1）制備的混凝土再生骨料取代率越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越低，但是下降幅度不是很大，再生骨料的摻量從20%、40%到60%的混凝土強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）由正交試驗(yàn)分析可得，配比A2B3C3D2E2的再生骨料混凝土最優(yōu) ，水膠比0.43，粉煤灰摻量20%，再生骨料取代率60%，硅灰摻量4%，聚丙烯纖維摻量0.9 kg/m3，砂率0.36，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.12 MPa，滿足95%的強(qiáng)度保證率，其工作性、力學(xué)性能及抗凍性良好。

（3）按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)用再生骨料取代天然骨料的混凝土的配合比 ，如不增加單位用水量，隨著再生骨料取代率的提高，其工作性能不斷降低。

（4）混凝土的抗凍性試驗(yàn)表明:標(biāo)養(yǎng)條件下，三組混凝土抗凍性大小順序?yàn)镴＞Y＞Z。其中Y組抗凍性能非常接近J組，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Z組（全再生粗骨料組）。再生骨料取代率為60%時(shí)，復(fù)摻硅灰、聚丙烯纖維可以明顯改善再生骨料混凝土的抗凍性能。

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Study on the Anti-frost Property of Concrete with Polypropylene Fiber and Recycled Aggregate

LI Jin-ze1，MENG Yun-fang1，3，LI Rui2，HE Pu-chun1
（1.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021，China；2.School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021，China；3.Ningxia Engineering Technology Research Center of Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation，Yinchuan，Ningxia 750021，China）

In order to reduce energy consumption，develop green and environment-friendly concrete，and recycle the waste，namely recycled aggregate，in response to the national“Twelfth Five-year”development plan，experiments were conducted to study the optimal mix ratio with recycled coarse aggregate.The effect of different water binder ratio，different amount of recycled coarse aggregate，fly ash，silica fume and polypropylene fiber on the compressive strength and performance of the concrete was studied by orthogonal experiments.According to the results of optimization tests，，the optimal mix ratio was determined and then testified by frost-resistance tests.The test results indicate that when the mixing amount of different materials reaches an optimal ratio，the strength and frost-resistance of the concrete will be greatly improved.This study will provide some statistical support for the broad application and further research of recycled aggregate.

recycled coarse aggregate；concrete；orthogonal experiment；frost-resistance

TU528.572

A

1672—1144（2015）02—0181—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.038

2014-12-22

2015-01-27

李金澤（1988—），男，陜西定邊人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣鄥^(qū)混凝土抗凍裂耐久性研究及新材料開(kāi)發(fā)。E-mail:289041130@qq.com

孟云芳（1952—），女，寧夏銀川人，教授 ，主要從事水工建筑材料、混凝土抗凍裂方向的教學(xué)科研工作。

E-mail:2979526409@qq.com