纖維納米再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王 娣陳自豪戚國峰元成方，*

（1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州共圖建設(shè)工程檢測有限公司，鄭州 450001）

0 引言

我國城市化建設(shè)的步伐不斷加快，由此產(chǎn)生的建筑垃圾也不斷增加，這使得我國面臨著環(huán)境污染、資源缺乏等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。對建筑垃圾資源化利用是減少環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)廢棄物再利用的有效方法［1］，將廢棄混凝土、燒結(jié)磚等建筑垃圾進(jìn)行加工制備再生骨料混凝土。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料混凝土的界面過渡區(qū)是受力薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)初始裂縫［2］。同時(shí)，再生骨料在破碎過程中內(nèi)部會產(chǎn)生許多細(xì)小裂縫，更易產(chǎn)生集中應(yīng)力，使其承載力和傳力能力下降［3］。由此可見，需要通過預(yù)處理解決再生骨料混凝土性能缺陷問題。研究表明，納米二氧化硅活性高，粒徑小，分散性能良好，可均勻分布在混凝土基體中與Ca（OH）2晶體反應(yīng)生成C-S-H凝膠，填充骨料內(nèi)部的微細(xì)孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)，提高再生骨料混凝土的密實(shí)性和抗壓強(qiáng)度［4-6］。同時(shí)，納米二氧化硅能夠在混凝土中發(fā)生一系列反應(yīng)，修復(fù)再生骨料表面的老舊砂漿，對界面過渡區(qū)以及新砂漿具有強(qiáng)化作用，從而提高再生混凝土的力學(xué)性能［7］。纖維材料可在混凝土基體中起到橋聯(lián)作用，有利于基體的抗裂，延緩混凝土中微裂縫的形成和開展［8-9］。聚乙烯醇（PVA）纖維和聚丙烯（PP）纖維是較為常用的兩種工程纖維，其材性優(yōu)異，能夠改善混凝土的力學(xué)性能［10-13］。同時(shí)，由于該類纖維熔點(diǎn)低，還可提高混凝土高溫環(huán)境下抵抗剝落的能力以及混凝土的耐久性能［14］。綜上所述，采用PVA纖維、PP纖維及納米SiO2對再生骨料混凝土進(jìn)行改性，具有較好研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用日本生產(chǎn)單絲聚乙烯醇纖維（PVA纖維）和國產(chǎn)單絲聚丙烯纖維（PP纖維），材料性能見表1；利用鄭州市某工程檢測公司強(qiáng)度等級C30—C50的廢棄混凝土試塊、市內(nèi)房屋拆遷所得強(qiáng)度等級MU10—MU20的廢棄燒結(jié)磚制備再生混凝土和再生磚骨料，再生骨料的技術(shù)指標(biāo)見表2；天然骨料為4.75～19.0 mm連續(xù)級配碎石、細(xì)度模數(shù)2.6的中砂；水泥為鄭州地區(qū)生產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥；外加劑采用FDN-1型高性能減水劑，減水率26.5%；試驗(yàn)拌合水和養(yǎng)護(hù)水為鄭州市普通自來水；采用浙江宇達(dá)化工生產(chǎn)NS-30型納米硅溶膠，技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 纖維的材料性能Table 1 Material properties of fiber

表2 再生骨料的技術(shù)指標(biāo)［15］Table 2 Technical indicators of recycled aggregate

表3 NS-30型納米硅溶膠技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of NS-30 nano silica sol

1.2 再生骨料改性

將廢棄混凝土和廢棄磚塊進(jìn)行破碎、篩分獲取滿足要求的再生骨料。加入自來水對納米硅溶膠進(jìn)行稀釋并攪拌，得到不同質(zhì)量濃度的納米硅溶膠溶液，將混合再生骨料進(jìn)行浸泡（圖1）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［16］，綜合考慮時(shí)間和成本因素，采用濃度2%的硅溶膠溶液浸泡2天的機(jī)制對再生骨料的改性效果較好。再生骨料改性前后的技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 再生骨料改性前后的相關(guān)物理性能Table 4 Related physical properties of recycled aggregate before and after modification

圖1 再生骨料的改性Fig.1 Modification of recycled aggregate

納米硅溶膠有效降低了再生骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)。同時(shí)，骨料表面的納米SiO2顆粒不僅能夠填充骨料孔隙，提高了密實(shí)度，還可參與水泥水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，進(jìn)一步填充基體孔隙，改善再生混凝土的整體性，提高再生混凝土的力學(xué)性能。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C50的普通混凝土，然后將天然骨料由改性處理后的磚砼體積比為3∶7的混合再生骨料全部取代，同時(shí)將不同摻量的PVA纖維或PP纖維加入混凝土中，制備纖維納米再生骨料混凝土，配合比如表5所示。

表5 纖維納米再生骨料混凝土配合比Table 5 Mix ratio of fiber nano recycled concrete

1.4 試驗(yàn)方法

依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進(jìn)行混凝土流動性測試。依據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13—2009）［17］規(guī)定的干拌法制備纖維納米再生混凝土，以防止纖維結(jié)團(tuán)。依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2016）［18］進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

纖維納米再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Mechanical performance test results

2.2 力學(xué)性能指標(biāo)的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

纖維納米再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律如圖2所示，各組混凝土28 d強(qiáng)度指標(biāo)隨纖維摻量變化如圖3所示。

由圖2（a）與圖3可知，不同纖維摻量的納米再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均隨著齡期增長呈增加趨勢，初期強(qiáng)度增加迅速，后期強(qiáng)度平穩(wěn)緩慢增加。加入PVA纖維或PP纖維后，納米再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均小于基準(zhǔn)混凝土，這表明纖維的摻入均削弱了納米再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。PVA纖 維 摻 量 為0.3 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3時(shí)，混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度分別下降了9.8%、5.7%、9.4%和3.5%。這是由于PVA纖維與基體間的疏水性質(zhì)使得混凝土固化期間限制了水泥水化所需要的水進(jìn)入砂漿結(jié)構(gòu)中，同時(shí)易在界面過渡區(qū)形成氣泡，增加了混凝土的孔隙率［19］。摻入等量PVA纖維和PP纖維后，PVA纖維納米再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度相對更高，說明PP纖維對納米再生混凝土抗壓強(qiáng)度具有更大的削弱作用，這是因?yàn)镻VA纖維的彈性模量高于PP纖維，引入氣泡的同時(shí)，在相同應(yīng)變條件下能夠承受更大的壓力。

圖2 纖維納米再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)隨齡期變化圖Fig.2 Changes of mechanical properties of fiber nano recycled concrete with age

圖3 纖維納米再生混凝土28 d力學(xué)性能指標(biāo)隨纖維摻量變化圖Fig.3 Changes of the 28 d mechanical performance indicators of fiber nano recycled concrete with fiber content

由圖2（b）與圖3可見，各組混凝土抗折強(qiáng)度均隨齡期的增加而增大，開始時(shí)增長速度較快，一段時(shí)間后增長速度開始緩慢。隨著PVA纖維摻量增大，混凝土抗折強(qiáng)度先增大后減小，具體表現(xiàn)為摻入0.3 kg/m3的PVA纖維時(shí)，再生混凝土28 d抗折強(qiáng)度略有降低；摻入0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3的PVA纖維時(shí)，再生混凝土28 d抗折強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)組的102.1%、108.3%和104.2%，說明摻加適量的PVA纖維可以提高再生混凝土的抗折強(qiáng)度，摻量為0.9 kg/m3時(shí)的增強(qiáng)效果最為顯著。這是因?yàn)镻VA纖維與混凝土基體之間具有橋接作用，纖維能夠跨越微裂縫，使混凝土能更好地承受拉力作用，從而增強(qiáng)抗折能力。對比分析后發(fā)現(xiàn)，PVA纖維比PP纖維的增強(qiáng)效果更好。

由圖2（c）與圖3可見，隨著齡期的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度初期增長顯著，后期趨于平穩(wěn)。對比分析后發(fā)現(xiàn)，隨著PVA纖維摻量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先上升后下降；摻量為0.9 kg/m3時(shí)，齡期28天的纖維納米再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)組的106.3%。這是因?yàn)檫m量的纖維在混凝土基體中可以橋接裂縫，把混凝土內(nèi)部的集中應(yīng)力通過纖維進(jìn)行應(yīng)力重分布，在混凝土受荷開裂的過程中承受更多拉應(yīng)力，增強(qiáng)混凝土韌性［11，20］。對比分析發(fā)現(xiàn)，PP纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為PVA纖維再生混凝土的93.3%，表明彈性模量較高的PVA纖維具有比PP纖維更強(qiáng)的增韌效果，更加有利于基體的抗裂，延緩混凝土中微裂縫的形成和發(fā)展。

2.3 力學(xué)性能指標(biāo)的相關(guān)性分析

將纖維納米再生混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，纖維納米再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.923，抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.946，均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。而抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅為0.758。實(shí)際工程中，在纖維納米再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度已知的情況下，可基于上述經(jīng)驗(yàn)公式推算纖維納米再生混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，全面了解混凝土力學(xué)性能的變化情況。

圖4 聚乙烯醇纖維納米再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)關(guān)系圖Fig.4 The correlation between the mechanical performance indicators of PVA fiber nano recycled concrete

3 結(jié)論

（1）摻入PVA纖維和PP纖維均會削弱納米再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，PP纖維相比PVA纖維具有更大的削弱作用。

（2）隨著PVA纖維摻量的增加，纖維納米再生混凝土抗折強(qiáng)度先增大后減小。適量的PVA纖維可以提高其抗折強(qiáng)度，纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)的增強(qiáng)效果最為顯著。與PP纖維相比，摻入PVA纖維能達(dá)到更好的抗折性能增強(qiáng)效果。

（3）隨著PVA纖維摻量的增加，纖維納米再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先上升后下降。纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，其28 d抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。PVA纖維具有比PP纖維更強(qiáng)的增韌效果，能獲得更好的劈拉性能增強(qiáng)效果。

（4）PVA纖維納米再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間均具有良好的相關(guān)性。在抗壓強(qiáng)度已知的情況下，可基于經(jīng)驗(yàn)公式推算纖維納米再生混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。