多因素对自密实混凝土力学性能发展趋势的影响*

郑传磊，王晋浩，金宝宏,2，周素蓉，李淑翔，赵亚娣

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021; 2.宁夏大学 新华学院, 银川 750021)

0 引 言

当前，中国商品混凝土年用量约为4×109t[1]。配置4×109t混凝土需要使用石子(1.8～2.2)×109t，砂1.2×109t左右。中国在经过大量基础工程建设后，国内砂石资源无论从储量、质量还是可持续发展角度来看，都不能满足当今工程建设需要[2]。为解决建筑行业可持续发展与砂石资源短缺之间的矛盾，为砂石寻找新的替代物是当前需要解决的问题之一。

废弃混凝土经破碎、筛分等工序处理制成的再生骨料可以应用于拌制再生混凝土，由于再生骨料品质较差，再生混凝土的基本性能均弱于普通混凝土[3-5]。为增强再生混凝土的性能，使其尽可能最大限度的满足生产建设需要，可对再生混凝土进行强化处理。常见强化处理方式有掺加纤维、改性及改变矿物掺和料掺量等[6-8]。Oliver[6]对钢纤维在再生混凝土中的分布进行了研究，研究发现，钢纤维在混凝土中的掺量、分布及角度等都将影响力学性能。曹鑫铖[7]使用水泥浆对再生骨料进行包浆改性处理，利用水泥和粉煤灰水化反应生成的C-S-H和C-A-H等物质修补再生骨料的孔隙裂缝，改善骨料品质，从而实现从根本上缩小再生混凝土与普通混凝土在基本性能上的差异。李恒[8]将不同掺量的粉煤灰和硅灰掺入再生混凝土中，结果表明，复掺粉煤灰和硅灰可显著增强再生混凝土的力学性能。

随着中国经济的发展，国内钢铁产量逐年递增，同时也产生了数量巨大的废料钢渣。根据相关数据统计，炼钢时钢渣产生量占据粗钢的14%～20%[9]。相关研究表明，钢渣具有强度高、耐磨性好、表面粗糙多棱角等特点[10-11]，如能将钢渣使用在混凝土中将对混凝土的性能起到良好的增强作用[12-14]。

本文将钢渣砂和再生粗骨料作为砂石的替代物，并为增强混凝土的性能引用微波加热改性工艺及掺入一定量的聚丙烯纤维，按照自密实混凝土进行配合比设计，通过设计四因素四水平正交试验详细分析微波加热改性次数、再生粗骨料替代率、钢渣砂替代率及聚丙烯纤维掺量对自密实混凝土力学性能发展趋势的影响。

1 实 验

1.1 实验原材料

水泥为宁夏赛马牌42.5R普通硅酸盐水泥，其初凝和终凝时间分别为142和198 min，3和28 d抗压强度分别为28.2和48.7 MPa。粉煤灰为宁夏锦泰公司生产的Ⅰ级灰，细度、比表面积、烧矢量和需水量比分别为5.1(>45 μm)、510 m2/kg、1.83%和94%。减水剂为北京慕湖公司产品，减水率约为20%。试验用水为城市自来水。

石子为银川市兰山砂石厂生产的碎石，粒径5～20 mm。砂为银川市兰山砂石厂人工水洗中砂。钢渣砂为银川市附近钢铁厂的颗粒状钢渣废料。再生粗骨料为C30强度的废弃路面板混凝土经处理得到的碎石，粒径5～20 mm。聚丙烯纤维为上海影佳公司产品，纤维外观为Y型束装单丝纤维，长度为9 mm，直径为20 μm，密度为900 kg/m3，抗裂强度为400 MPa。粗细骨料和聚丙烯纤维外观如图1所示。

图1 粗细骨料和聚丙烯纤维

1.2 微波加热改性再生粗骨料

再生骨料由于界面过渡区附着大量旧水泥砂浆，导致其与混凝土其他成分之间的粘结力较弱。众多国内外学者的研究表明，再生骨料与混凝土其它成分之间的粘结力强弱是影响再生混凝土性能强弱的重要因素，因而减少再生骨料旧砂浆的含量对增强再生混凝土的性能具有非常显著的作用[15-17]。

凉州区水利工程质量监督与安全管理站代表政府行使质量监督责任，由于专职质量监督人员少，而工程面广分散，导致对质量监督工作深入程度不够，在一定程度上削弱了质量监督的规范化管理；同时，由于检测仪器和设备配置不足，也给质量监督工作带来了一定困难。

本试验在搅拌混凝土之前对再生粗骨料进行微波加热改性处理，以期减少再生粗骨料界面过渡区旧砂浆的含量，提高再生粗骨料的品质，最终实现增强再生混凝土力学性能的目的。测得粗骨料基本特征如表1所示。

表2 粗骨料基本特性

石子和砂浆均为介电材料，但两者的电磁特性存在较大不同。当再生骨料受到微波瞬时加热时，表面砂浆的温度将迅速升高，而内部石子升温较慢，从而使石子表面产生一定的内外温度应力差。在高温状态下，砂浆中的C-S-H凝胶会大量脱水，Ca(OH)2也会分解成稳定性较弱的CaO，此时砂浆强度较弱，当受到内外温度应力差作用时容易从石子表面破碎脱落。将加热后的再生骨料置于水中晃动冷却时，砂浆由于降温迅速，在石子表面会产生二次内外温度应力差，从而加速砂浆的脱落。

试验使用的微波加热改性仪器是家用机械式微波炉，微波功率700 W。试验流程参见参考文献[18-20]，具体实施流程如下所示：

(1)将浸水后的再生粗骨料用微波炉专用塑料盒盛着放入微波炉，加热5 min；

(2)加热结束后，将骨料取出，置于网眼密集的筛网内浸水晃动冷却1 min；

(3)重复步骤(1)和(2)至设计次数后，将骨料置于阴凉处晾36 h左右，尽快用于拌制混凝土。

1.3 浸水处理钢渣砂

由于考虑到钢渣砂内部的游离MgO、CaO和RO相等活性物质与水接触时，发生水化反应使钢渣砂体积发生膨胀，导致混凝土发生破坏性开裂，影响使用钢渣的混凝土建筑的稳定性及使用寿命，试验前对钢渣砂进行为期14 d的浸水陈化处理，以期减少钢渣砂膨胀对混凝土造成的破坏性作用[21]。钢渣砂浸水14 d后，晾于阴凉处36 h左右，尽快用于拌制混凝土。测得细骨料基本特征如表2所示。

表2 细骨料基本特性

1.4 试验方案设计

按照自密实混凝土设计配合比，设计强度C30，设计填充性能SF3级[22]。采用L16(45)正交表设计试验，具体因素水平见表3所示，表4为基准自密实混凝土配合比。经过多次试拌，最终确定用水量为202 kg/m3、水胶比为0.41、粉煤灰替代率为25%、砂率49%、减水剂掺量为0.05%～0.20%。再生粗骨料和钢渣砂按等质量替代石子和砂, 聚丙烯纤维按体积分数掺入。共设计16组试验，每组试验制作6个100 mm×100 mm×100 mm和3个100 mm×100 mm×400 mm尺寸的试件，用来测试混凝土的抗压、劈拉及弯折强度。

表3 正交试验因素水平表

表4 基准自密实混凝土配合比/kg·m-3

1.5 混凝土试件制作

2 结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

混凝土的正交试验结果如表5所示。通过对试验结果进行分析，得到四因素对混凝土压拉折的极差及方差分析结果如表6和7所示。表6中四因素对混凝土压拉折的极差均大于空白列的极差，故试验结果可信[23]。图2为四因素对混凝土压拉折的影响图。

表5 正交试验结果

表6 极差分析

图2 各因素对混凝土抗压(a)、劈拉(b)及弯折强度(c)的影响

2.1.1 混凝土抗压强度

从表6极差分析表可以看出，四因素对混凝土抗压强度的影响次序为：钢渣砂替代率>再生粗骨料替代率>微波加热改性次数>聚丙烯纤维掺量，其中钢渣砂和再生粗骨料替代率对抗压强度带来的变化最为明显。从表7方差分析表可以看出，钢渣砂替代率对抗压强度带来的影响最为显著，再生粗骨料替代率次之，微波加热改性次数和聚丙烯纤维掺量是非显著因素，该分析结果与极差分析表一致。

表7 方差分析

由图2(a)可以看出，随着钢渣砂替代率的增加，混凝土抗压强度持续增大，钢渣砂替代率从0增至45%，抗压强度提高9.44%，说明适当使用钢渣砂替代天然砂可以增强混凝土的抗压强度。钢渣砂同天然砂相比孔隙率较小，界面过度区更粗糙，掺入混凝土中能显著改善混凝土的界面结构，增强混凝土的强度[24]。

在图2(a)中，随着再生粗骨料替代率的增大，抗压强度呈现出先减小后增加的变化规律，其中在50%替代率时抗压强度出现最低值。再生骨料自身品质不如天然骨料，吸水率及压碎指标大于天然骨料，其表面和内部都存在着较多微裂缝。当再生混凝土受到外力作用时，易从再生骨料界面过渡区或直接贯穿骨料产生裂缝，导致其强度较低[15-17]。再生粗骨料替代率从50%增至70%时，混凝土强度有一个增长的过程，主要原因有：(1)再生骨料吸水率较大，再生骨料大量吸水致使混凝土实际水胶比降低，根据其他学者的研究表明，水胶比是影响混凝土强度的最重要因素之一，水胶比越小则混凝土强度越大[25-26]，70%替代率时水胶比降低带来的强度增强大于再生骨料品质劣势造成的强度减弱，让混凝土强度得到增长；(2)本试验使用的粉煤灰掺量较高，且为Ⅰ级灰，研究表明较细粉煤灰的掺入对再生骨料的孔隙及裂缝存在一定修复作用，从而使混凝土强度得到一定增长[27]；(3)微波加热改性去除了再生骨料表面部分旧砂浆，改善了再生骨料界面过渡区状况，提升了再生骨料的品质；(4)再生骨料相较天然骨料，其表面更加粗糙，能与混凝土其它成分之间产生更大的粘结力，从而使混凝土强度得到增强[28]。

由图2(a)可知，微波加热改性次数和掺入聚丙烯纤维可以增强混凝土抗压强度，但是效果不显著。随着微波加热改性次数的增加，混凝土抗压强度得到一定增强。考虑到微波加热改性对提升再生混凝土强度效果不显著和实施工序耗时费力等原因，微波加热改性次数将立足于工业化生产的现实问题，综合衡量得出最佳改性次数。随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土抗压强度先增长后减小，在掺量为0.10%时达到峰值，掺量为0.15%时抗压强度降低，整体变化区间在5%以内。当聚丙烯纤维掺量<0.10%时，聚丙烯纤维能在混凝土中较均匀分布，形成稳固的空间网状结构，当受到外力作用时能延缓裂缝的产生，从而使结构更加稳固，在宏观上表现为强度的增加。当掺量>0.10%时，过多的聚丙烯纤维在搅拌时较难均匀分散，容易出现结团现象。结团状态下水泥浆液无法充分的包裹纤维，此时混凝土内部易产生应力集中点，从而降低纤维的有效利用率，使得抗压强度不升反降[29-30]。

对于抗压强度，最佳配合比为10次微波加热改性、70%再生粗骨料替代率，30%钢渣砂替代率，0.10%聚丙烯纤维掺量。

2.1.2 混凝土劈拉强度

由表6和7可知，四因素对混凝土劈拉强度的影响次序为：钢渣砂替代率>再生粗骨料替代率>聚丙烯纤维掺量>微波加热改性次数，钢渣砂和再生粗骨料替代率对混凝土劈拉强度有影响，聚丙烯纤维掺量和微波循环次数影响较小。

由图2(b)可以看出，钢渣砂替代率从0增至45%，劈拉强度持续增加8.43%，说明使用钢渣砂替代部分天然砂可以增强混凝土劈拉强度。再生粗骨料替代率对劈拉强度的影响和抗压强度情况类似，都呈现先减小后增加的趋势。再生粗骨料替代率为50%时劈拉强度最低，强度变化区间在8.39%以内。掺入聚丙烯纤维和微波加热改性对增强劈拉强度有一定的作用，但增强作用没有钢渣砂和再生粗骨料明显。

对于劈拉强度，最佳配合比为10次微波加热改性、70%再生粗骨料替代率，45%钢渣砂替代率，0.10%聚丙烯纤维掺量。

2.1.3 混凝土弯折强度

由表6和7可知，四因素对混凝土弯折强度的影响次序为：钢渣砂替代率>再生粗骨料替代率>聚丙烯纤维掺量>微波加热改性次数，钢渣砂替代率对混凝土弯折强度有影响，再生粗骨料替代率、聚丙烯纤维掺量和微波循环次数影响较小。

由图2(c)可以看出，钢渣砂替代率从0增至45%，弯折强度持续增加13.33%；再生粗骨料替代率增加，弯折强度先减小后增大，变化区间在9.69%以内；聚丙烯纤维的掺入对增强弯折强度有促进作用，但当掺量超过0.10%弯折强度降低；微波加热改性对提升混凝土弯折强度有增强作用，但增强作用较小。

对于弯折强度，最佳配合比为10次微波加热改性、30%再生粗骨料替代率，45%钢渣砂替代率，0.10%聚丙烯纤维掺量。

2.2 力学性能指标换算关系分析

根据试验结果提出劈拉和弯折强度与抗压强度的新关系式6和11。关系式见表8，绘制关系图如图3所示。

表3 力学性能指标换算关系

图3 混凝土劈裂抗拉(a)和弯折强度(b)与抗压强度的关系曲线

从图3(a)可以看出，式(1)、(2)、(3)和(4)计算的混凝土劈拉强度大于本文混凝土强度，式(5)的计算强度接近本文混凝土强度，但也略微偏小。图3(b)中式(10)弯折强度偏大，式(9)强度偏小，式(7)和(8)中弯折强度与抗压强度的变化趋势存在较大差异。本文提出的式(6)和(11)与试验结果较吻合，可以用来计算自密实混凝土的劈拉和弯折强度。

3 结 论

(1)由正交试验结果分析可知，钢渣砂替代率对抗压、劈拉和弯折强度影响显著，再生粗骨料替代率对抗压、劈拉影响显著，微波加热改性次数和聚丙烯纤维掺量对自密实再生混凝土强度影响较小。利用综合平衡法可得最佳配合比为10次微波加热改性、70%再生粗骨料替代率、45%钢渣砂替代率和0.10%聚丙烯纤维掺量。

(2)微波加热改性对提升再生骨料品质存在一定促进作用，但作用不显著，且实施工序耗时费力，难以满足工业化生产要求。

(3)参照普通混凝土力学性能之间的关系式，通过非线性回归拟合得到新关系式与其他学者建立的关系式进行比较，本文提出的劈拉和弯折强度与抗压强度的新关系式与试验数据吻合较好，有一定参考价值。