钢-聚丙烯混掺纤维对再生水工混凝土力学性能的影响

2022-11-26王宗海

东北水利水电 2022年6期

王宗海

（喀左县水利局，辽宁朝阳 122300）

1 研究背景

混凝土的生产需要大量的骨料，而天然砂石作为传统混凝土的骨料来源，近年来的开采量迅速增加，部分地区的资源趋于枯竭。同时，天然骨料的大量开采也会给生态环境造成十分严重的破坏[1]。因此，寻找天然骨料的替代品已经成为十分紧迫的任务。另一方面，随着城镇化建设的不断推进，我国每年都会产生大量的建筑垃圾。如果对这些建筑垃圾采用传统的填埋或堆放的方式进行处理，不仅会占用大量的土地资源，同时也会破坏周边的生态环境[2]。在这一背景下，再生骨料混凝土逐渐进入人们的视野。显然，利用建筑垃圾制作的再生骨料全部或部分替代天然骨料，不仅可以实现建筑垃圾的无害化处理和资源化利用，还可以节省混凝土的制作成本，具有十分广阔的发展前景[3]。但水利工程对混凝土的强度和抗裂性及抗渗性方面有较高的要求，鉴于再生混凝土往往具有强度低、韧性不足的缺陷[4]，在实际工程应用中往往需要在其中掺加一定的纤维等加强材料，以改善和提高再生混凝土的物理和力学性能。从当前的研究来看，主要针对单掺一种纤维展开，而针对混掺纤维的研究不多。基于此，此次研究通过室内试验的方式，选择钢纤维和聚丙烯纤维两种常用的纤维进行复掺试验，以探求其对混凝土力学性能的影响，为相关工程应用提供支持和借鉴。

2 材料与方法

2.1 试验材料

水泥作为混凝土中必不可少的胶凝材料，其强度等级和质量会对混凝土的力学性质产生直接影响。此次试验中选择的是锦州北方水泥厂出品的P.O42.5A 普通硅酸盐水泥。经测定，其细度模数为7.0%；初凝时间为210 min，终凝时间为280 min；28 d抗压强度为45.2 MPa，抗折强度为8.9 MPa。

试验中的骨料分为天然骨料和再生骨料[5]。其中天然细骨料为普通河沙，其粒径范围为0.15～4.75 mm；天然粗骨料为人工石灰岩碎石，其表观密度为2 772 kg/m3，压碎指标为6.5%。试验中，再生骨料主要是粗骨料，由设计强度为C30 的废弃混凝土经破碎机破碎获取，为4.75～26.50 mm连续级配。其堆积密度为1 380 kg/m3，含泥量为0.6%，压碎指标为12%。结合相关工程经验和研究成果，试验中按照天然粗骨料和再生骨料比为1∶1的比例进行混掺，作为试验中的粗骨料。

试验用纤维为钢纤维和聚丙烯纤维。其中，钢纤维选择的是河北衡水广正有限公司生产的波浪形钢纤维。其长度为38 mm，弹性模量为200 GPa，抗拉强度为1 250 MPa。聚丙烯纤维由上海臣启化工科技有限公司生产，其抗拉强度为1 550 MPa，弹性模量为36 GPa，密度为0.89 g/cm3。

试验用水为普通自来水，试验用减水剂为德州启明化工有限公司出品的聚羟酸高效减水剂，其推荐掺量为0.2%。

2.2 试验方案

试验中以《水工混凝土配合比设计规范》中的C30普通混凝土配合比为基础，确定试验配合比[6]。其中，水泥、水、砂、粗骨料的每立方米用量分别为350，175，837，1 020 kg。在试验中，纤维掺加量以体积比进行设计和研究。将钢纤维和聚丙烯纤维以单掺的方式分别以0.2%，0.4%和0.6%的掺加比例掺加进再生混凝土，以不掺加纤维的普通再生混凝土作为对照方案，共获得7 种单掺试验方案。将钢纤维和聚丙烯纤维以4∶1（比例1）、2∶1（比例2）、1∶1（比例3）、1∶2（比例4）、1∶4（比例5）等5 种不同比例，且总掺加率仍旧为0.2%、0.4%和0.6%，共获得15 种不同的混掺试验方案。对上述22 种试验方案进行力学性能试验，探讨混掺纤维对再生混凝土力学性能的影响。

2.3 试验方法

此次试验中，试件的抗压强度和劈裂抗拉强度使用的是150 mm×150 mm×150 mm的标准尺寸试件；抗折强度采用的是100 mm×100 mm×400 mm的非标准试件[7]。在试验过程中，按照设计的配合比称量混凝土的制作材料，将水泥、细骨料和粗骨料倒入搅拌机中搅拌2 min，再逐步撒入钢纤维并搅拌3 min，在均匀混合之后再撒入聚丙烯纤维搅拌5 min，之后加入水和减水剂再搅拌3 min。将制作好的混凝土装入试模，在振动台上振动1 min 成型，将成型的试件静置24 h 后拆模并编号，然后放入标准养护室养护至28 d 龄期。

混凝土试件的抗压性能、劈裂抗拉性能及抗折性能测试使用2 000 kN液压伺服压力试验机，试验数据利用电脑自动采集[8]。试验中，每种试验方案试验3个试件，以试验结果的均值作为最终结果。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

根据单掺纤维方案的试验数据，整理绘制出如图1 所示的再生混凝土抗压强度随纤维掺量的变化曲线。由图1 可以看出，单掺聚丙烯纤维可以显著提高再生混凝土的抗压强度，且与钢纤维相比存在比较明显的对比优势。同时，其最佳掺量为0.2%，与未掺加纤维的普通再生混凝土相比，其抗压强度提高了约9.22%，再增加掺量效果反而降低；钢纤维的最佳掺量为0.4%，但其对抗压强度的提升作用较为有限。

对混掺方案的试验数据进行整理，绘制出如图2 所示的不同混掺比例下试件抗压强度随纤维总掺量的变化曲线。由图2 可以看出，混掺纤维与单掺纤维相比，可以更有效提升再生混凝土的抗压强度，原因是两种不同性质的纤维可以更好改善混凝土内部结构，抑制不同性质裂缝的发展，从而提高其抗压强度。从不同纤维掺加比例来看，在比例1、比例3 和比例5 条件下，再生混凝土试件的抗压强度随着纤维总掺量的增加呈现出波动增大的变化趋势，只有在纤维掺量较大的情况下，才有提高混凝土抗压强度的显著效果。在比例2 和比例3 条件下，混凝土的抗压强度呈现出稳步增大的变化特点。其中，比例2 也需要较大的掺量方可获得显著效果，当掺量小于0.4%时效果并不明显。总体来看，在相同总掺量的情况下，比例3 不仅可以获得最大的抗压强度，且较小掺量即可获得显著效果，当总掺量大于0.4%时，作用效果并不明显。

3.2 劈裂抗拉强度

根据单掺纤维方案的试验数据，整理绘制出如图3 所示的再生混凝土劈裂抗拉强度随纤维掺量的变化曲线。由图3 可以看出，再生混凝土中掺加纤维可以显著提高其劈裂抗拉强度。从掺量的影响来看，试件的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增加呈现出先迅速增加之后缓慢减小的变化特点，当纤维掺量为0.2%时的劈裂抗拉强度最大。两种纤维相比，单掺聚丙烯纤维在提高再生混凝土劈裂抗拉强度方面具有一定的对比优势。

对混掺方案的试验数据进行整理，绘制出如图4 所示的不同混掺比例下试件劈裂抗拉强度随纤维总掺量的变化曲线。由图4 可以看出，混掺纤维与单掺纤维相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉强度，原因与抗拉强度类似。从具体的变化趋势来看，随着总掺量的增大，不同纤维比例下的再生混凝土抗拉强度均呈现出先增大后减小的变化趋势，说明单方面提高纤维掺量并不能获得良好的劈裂抗拉强度改善效果，原因是过多的纤维掺入会影响混凝土内部的密实度及纤维的均匀分布，不利于劈裂抗拉强度的提高。从具体结果来看，当比例3 在总掺量为4%时的劈裂抗拉强度最大，为最优掺加比例和掺加量。

3.3 抗折强度

根据单掺纤维方案的试验数据，整理绘制出如图5 所示的再生混凝土抗折强度随纤维掺量的变化曲线。由图5 可以看出，抗折强度和劈裂抗拉强度类似，随着纤维掺量的增加，试件的抗折强度呈现出先增大后减小的变化趋势，纤维掺量在0.4%时抗折强度达到最大。总之，在再生混凝土中掺入纤维有利于提高混凝土的抗折强度；从两种纤维的对比来看，聚丙烯纤维的效果更佳。

对混掺方案的试验数据进行整理，绘制出如图6 所示的不同混掺比例下试件抗折强度随纤维总掺量的变化曲线。由图6 可以看出，混掺纤维与单掺纤维相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉强度。从具体的变化趋势来看，除比例5 混凝土的抗折强度呈现稳步增大的变化特点之外，其余纤维掺加比例下的再生混凝土抗折强度均随着纤维总掺量的增加呈现出先增大后减小的变化特征，且总掺量为0.4%时的抗折强度最大。从不同纤维掺加比例的对比来看，比例3 在总掺量为0.4%时的抗折强度最大，为最优比例设计方案。