不同添加剂对再生骨料混凝土物理性能的影响

2020-01-16张玉廷李文星

水利科技与经济 2019年12期

张玉廷，李文星

(1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038； 2.邯郸市水利水电勘测设计院，河北邯郸 056000)

0 引言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，简称RAC)是将砖块或混凝土骨料等建筑废弃物按一定配合比重新组合加工而成的混凝土。再生骨料混凝土的价值在于利用建筑废弃材料循环再利用，达到绿色环保的效果。多孔混凝土是一种由粗骨料为骨架，水泥、水和外加剂拌制的新型环保混凝土材料。与传统混凝土相比，其具有透水性好、透气性强、节省原料等优点，多用于城市道路护坡、中央隔离带护坡、河道护堤等工程中，其良好的透水性减轻了城市排水系统的压力，同时提高了对雨水的涵养能力。

众多学者基于再生骨料或多孔混凝土进行了大量的研究。崔正龙等研究了不同强度等级的再生骨料混凝土强度和碳化规律，给出了原生混凝土强度等级和再生骨料混凝土强度等级的对应关系[1]。王玉梅针对多孔再生骨料混凝土强度及透水性的研究，通过改变混凝土再生骨料取代率、水灰比、目标孔隙率，探究多孔再生骨料混凝土的强度和透水性最佳选择[2]。边亚东采用5种单一粒径的再生粗骨料配制无砂多孔混凝土，得出透水系数随着再生粗骨料粒径和目标孔隙率的增大而增加[3]。高丹盈通过研究再生砖骨料(RBA)取代率、混杂纤维掺量、纤维种类对混凝土抗压强度和弹性模量的影响，提出了考虑 RBA压碎指标和取代率、纤维种类和掺量等因素影响的HF/RBAC抗压强度和弹性模量的计算方法[4]。李金泽通过不同水胶比实验，重点探究了聚丙烯纤维对再生骨料抗冻性能的规律，实验表明聚丙烯纤维产量的较优配比[5]。勾承成研究了再生骨料(RA)掺入量下，丙烯纤维(PPF)的掺入对试件梁裂缝的生成发展情况、屈服荷载、极限承载力、跨中挠度的影响[6]。张晓华总结了国内外再生骨料混凝土现状及发展趋势[7]。

本文以华北地区为背景，通过正交实验，研究不同掺量的聚丙希腈纤维、塑钢纤维、硅灰、胶粉对再生骨料多孔混凝土抗冻性、抗压强度、劈裂强度的影响，通过比较各因素各水平的均差和极差，找出适合华北地区再生骨料多孔混凝土的最优配比，得出了聚丙烯腈纤维在冻融循环下对再生骨料混凝土的抗冻性的影响。

1 实验方法

1.1 原材料及配合比

本实验采用的水泥为太行牌 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用的是河南省侯钢Ⅱ级粉煤灰，再生骨料是由建筑垃圾破碎加工形成。粗骨料的基本性能见表1，其主要成分为水泥石骨料(约占73.28%)、砖瓦骨料(约占26.72%，其中瓷砖约占1.72%)。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，纤维采用的是聚丙烯腈纤维和塑钢纤维。聚丙烯腈纤维是一种人造纤维，外观呈金黄色，塑钢纤维呈波浪形，长度为 30 mm，等效直径 0.6 mm；硅灰采用的是本地某品牌硅灰，颜色为灰色。胶粉采用的是山东京久建筑科技有限公司生产的冷水速溶901环保胶粉，外观为白色粉状，pH值7～9。拌和用水和养护用水均采用当地自来用水，混凝土材料配合比见表2。

表1 再生骨料的基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of recycled aggregate

1.2 试验方法

再生骨料多孔混凝土的制备与传统混凝土的浇筑方法不同，黄剑鹏[8]提出了“造壳法”更适合多孔混凝土的浇筑。本实验采用“造壳法”，首先在再生骨料中加入预拌水，开始搅拌直到再生骨料表面湿润，加入水泥、纤维等掺和料，使骨料周围包裹上水泥浆壳，再加入剩余的拌和水搅拌2 min后开始装入模具，分层振捣压平，使混凝土的结构更密实。为保证试块成型完好，2天后拆模，放在标准养护室养护，28天后取出进行标准实验。

通过正交实验设计在有效较少实验次数情况下还具有均匀分散、整齐可比特点，本文研究聚丙烯纤维、塑钢纤维、硅灰、胶粉4个因素对再生骨料多孔混凝土的抗冻性影响，每个因素分3个水平。试验所取因素与水平见表3，正交实验表选用L9(34)。

2 主要仪器测定标准

由于再生骨料多孔混凝土在国内没有标准的抗冻等级测定方法，故本试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB-T 50082-2009)的要求测定，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,标准养护28 d后开始快速冻融循环。每次冻融循环在3～4 h内完成，冻结时间与溶解时间基本相同。由于再生骨料多孔混凝土抗冻性能较差，因此本次试验每5次冻融循环将试件盒内试件上下颠倒一次，以保证盒内试件受冻均匀，并对试件的破坏情况进行检测。每5次冻融循环测一次试件的质量损失，抗冻等级按照质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定。再生骨料混凝土抗压强度及劈裂强度测定方法按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)对立方体混凝土试块测定，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，标准养护28 d。见图1。

3 试验结果及分析方法

再生骨料多孔混凝土在冻融初期，试件外观无明显变化，随着冻融次数的增加，部分骨料周围水泥浆体开始剥落。继续进行冻融循环，在冻融循环达到峰值50%时，试件边缘出现骨料脱落，质量损失率开始快速增长，表明试块进入破坏加速阶段。在冻融循环达到100%时，试件端部和边缘骨料大量脱落，试件中部裸露骨料几乎无浆体包裹，质量损失率超过极限设定范围，试件完全破坏，破坏后见图2。再生骨料多孔混凝土孔隙大，水分极易侵入混凝土内部，造成水在冻融下的张力极易破坏试块内部的水泥浆体，所以冻融循环次数明显低于普通混凝土。与天然碎石相比，再生骨料本身抗压强度小，内部均有一定的损伤，导致再生骨料多孔混凝土抗压强度和抗劈裂强度低。

在正交试验中，通常使用极差分析法对多因素多水平的试验结果进行分析，通过极差分析结果可以直观地排列出影响因素的主次。本试验采用极差分析方法进行分析，主要研究A聚丙烯腈纤维、B塑胶纤维、C硅灰及D胶粉4种添加剂对再生骨料抗压强度、冻融循环次数和劈裂强度的影响及其最佳掺量(图3)，并且通过分析各因素各水平的均差找出影响再生骨料多孔混凝土的最优组合，通过极差找出最优组合下影响再生骨料多孔混凝土的主次因素。

图2 冻融循环结果图Fig.2 The result of freeze-thaw cycle

图3 极差和均差变化图Fig.3 The change chart of Range and Relief

由图3可以看出，考察A因素(聚丙烯纤维)对冻融循环次数进行的3组实验中(A1，A2，A3)，B，C，D各个水平都只出现了一次，B，C，D之间无交互作用，所以B，C，D各水平的组合对实验指标无影响，因此对于A1，A2，A3三组实验条件是一样的。假若A因素对再生骨料多孔混凝土的抗冻性无影响，那么A1，A2，A3各个水平下再生骨料多孔混凝土试块的抗冻融循环次数应该是一样，即均差相等。但从图3(a)中可以明显看出，A因素下各个水平的均差显然不相等，这是由于A因素水平不同造成的A1，A2，A3水平下的均差不同，即A2试块冻融循环次数明显高于A1，A3试块，A2水平为最优水平。同理，从图3(a)中可以直观得出，B，C，D各因素在抗冻融循环次数指标下的最优水平分别为B2C2D1，故聚丙烯纤维、塑钢纤维、硅灰、胶粉在在抗冻融循环指标下的最优组合为A2B2C2D1。从图3(b)极差中可以得出，影响再生骨料多孔混凝土冻融循环的主次顺序为B-C-D-A,及塑钢纤维-聚丙烯腈纤维-胶粉-硅灰，塑钢纤维是影响再生骨料多孔混凝土冻融循环的主要因素。

从图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)上可以分别得出，再生骨料多孔混凝土抗压强度的最优组合为A2B3C2D2,主次顺序为B-C-D-A,即塑钢纤维-硅灰-胶粉-聚丙烯腈纤维，塑钢纤维是影响再生骨料多孔混凝土的主要因素；抗劈裂强度的最优组合为A2B2C3D2,主次顺序为A-B-D-C，即聚丙烯腈纤维-塑钢纤维-胶粉-硅灰，聚丙烯腈纤维是影响混凝土抗劈裂强度的主要因素。

因此，从图3可以得出以下结论：

1) 塑钢纤维在掺量0.2%时，抗冻融循环次数达到最大值，明显高于另外两组水平。塑钢纤维具有一定的韧性和强度，在试件冻融循环过程中分担了一部分水的冻融张力，从而提高了冻融循环次数；聚丙烯腈纤维和胶粉次之，硅灰依靠增加混凝土密实性来提高混凝土性能，但多孔混凝土孔隙较大硅灰则对再生骨料多孔混凝土的冻融循环次数作用不多。

2) 掺入塑钢纤维对再生骨料植生混凝土的的抗压强度有明显的提升效果。塑钢纤维在混凝土中纵横分布，形成空间网架结构，水泥包裹塑钢纤维类似具有“钢筋混凝土”特性，塑钢纤维充当“钢筋”，大幅度提高了再生骨料多孔混凝土的强度。硅灰增加了试块的密实性，也提高了再生骨料多孔混凝土的强度。

3) 劈裂强度反映混凝土的抗拉能力，在1%时聚丙烯腈纤维提高试件的抗拉能力最好。聚丙烯腈纤维具有较强的抗拉能力，与混凝土中浆体包裹，能有效提高抗拉强度，但掺量过多(1.5%)时反而降低了抗拉强度。

4) 以华北地区气候特点为研究背景，主要考虑冻融循环对再生骨料多孔混凝土的影响，选取冻融循环次数最大的组合作为再生骨料多孔混凝土的最优配合比，即1%的聚丙烯腈纤维、0.2%的塑钢纤维、10%的硅灰和4%的胶粉。