PVA和再生骨料对混凝土基本特性的影响

郭 丽， 李香兰， 王小玲， 李 琪

(江西科技学院城市建设学院，江西 南昌 330098)

0 引 言

利用工业副产品和废弃物，如铁渣[1]、橡胶[2]和塑料[3]等，来生产混凝土可以有效地降低自然资源的消耗；同样地，对废弃混凝土进行再生利用也非常有利于自然环境和资源的保护[4]。

废旧混凝土的数量巨大，应用前景十分广阔，但利用再生骨料生产的混凝土具有强度低、耐久性差等缺点[5-7]。为此，许多学者利用不同的外加剂和外掺料对再生骨料混凝土的性能进行改善。例如，盛朝晖[8]等利用钢纤维和粉煤灰对再生骨料混凝土进行改性，通过力学性能测试证明了掺入钢纤维能提高再生骨料混凝土的强度，且在掺入钢纤维时，可以适当提高再生粗骨料的掺量；但掺入煤灰后，试样强度则出现了降低。沈万岳[9]等利用聚合物对再生骨料渗透性混凝土进行改性，力学和透水性测试结果表明聚合物改性再生骨料渗透性混凝土能够满足工程要求。何文昌[10]等、罗素蓉[11]等以及Neethu[12]等利用钢纤维制备了再生骨料混凝土并进行了抗压、劈裂抗拉和抗折测试，结果表明钢纤维能够提高再生骨料混凝土的强度、刚度和起裂韧度。Majhi[13]等利用高炉矿渣对再生骨料混凝土进行改性，通过力学测试证明高炉矿渣提高了再生骨料混凝土的强度和工作性能。

综上可知，添加纤维材料和矿物掺合料是对再生混凝土进行改性的主要方式。相比于其他类型纤维，聚乙烯醇（PVA）纤维具有重量轻、强度高、价格低廉等优势，且目前关于利用PVA对再生骨料混凝土进行改性的研究较少。因此，本文利用PVA对不同再生骨料含量的混凝土进行改性，并对PVA和再生骨料对混凝土基本性能的影响规律进行分析研究。

1 实 验

1.1 试验材料

本研究使用P.O.42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其相对密度和比表面积分别为3.15和290 m2/kg。混凝土XRF化学成分分析结果见表1。

表1 水泥的化学成分 %

天然细骨料为河砂，天然粗骨料为破碎的大理石，通过筛分分为5～10 mm和10～20 mm两种粒组。再生粗骨料是通过对废弃混凝土进行破碎、清洗和筛分后获得的，其粒径范围为5～20 mm。各种骨料的具体物理参数见表2。

表2 天然骨料和再生骨料的物理特性

PVA纤维的直径为38 µm，长度8 mm，纵横比（即纤维长度与直径之比）等于210，抗拉强度1 600 MPa，相对密度为1.3。

1.2 试样配合比与样品制备

再生骨料(recycled aggregate, RG)分别按0%、25%、50%、75%和100%的比例替代天然粗骨料，PVA纤维则按照体积分数分别为0、0.25%、0.5%、1%的比例掺入进行混凝土制备。根据PVA掺量的不同将试样分为四个组，其中组1的PVA纤维掺量为0；组2的PVA纤维掺量为0.25%；组3的PVA纤维掺量为0.5%；组4的PVA纤维掺量为1%。加上对照组CN，一共17种试样。试样分组和单位体积混凝土中材料的含量见表3。

进行试样制备时，根据表3进行材料称量和混合，按照水灰比0.4加水搅拌后倒入模具并样进行震动密实。接着将试样连同模具一起放入标准养护条件（温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度不小于 95%）下养护。24 h之后，进行脱模并继续放到标准养护室进行养护，直到测试为止。

表3 样本编号以及单位体积试样的配合比

1.3 实验方法

在养护28 d之后，依据GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]，利用RMT -201岩石与混凝土力学试验机对混凝土的密度、抗压强度和劈裂抗拉强度进行测试。抗压强度试样是边长为150 mm标准立方体，劈裂抗拉强试样是ϕ150 mm×300 mm圆柱形试样。参照标准方法，抗压试验的加载速度为0.5 MPa/s，劈裂抗拉试验的加载速度为0.05 MPa/s。

2 试验结果

2.1 密度

试样密度随着RG含量的变化规律如图1所示。由图1知，随着RG含量增加，所有试样密度均逐渐降低，且PVA含量越高，试样密度越低。例如，PVA=0时，密度降低率范围为 0.8%～5.3%；当PVA=1%时，密度降低率范围达到了2.8%～8.3%。结合表2再生骨料基本特性可知，这一现象可能的原因是再生骨料密度小于天然骨料且PVA纤维密度也很小，因此再生骨料和PVA越多试样密度越低。

图1 密度随着再生骨料的变化规律

试样的密度随着PVA含量变化的规律如图2所示。当RG ≤75%时，试样的密度随着PVA含量的增加先增加，在PVA=0.25%时达到最大值，之后逐渐降低；但当RG=100%时，试样的密度随着PVA的增加单调下降。虽然在添加体积比为0.25%的PVA会一定程度提高密度，但是试样的密度仍然低于对照组。

图2 密度随着PVA的变化规律

2.2 抗压强度

试样的抗压强度随着RG含量的变化规律如图3所示。当PVA掺量≤0.25%时，试样的抗压强度随着再生骨料的增加逐渐降低；且在再生骨料用量相同的条件下，PVA掺量越低，混凝土的抗压强度越低；例如，PVA=0时，RG替代率为25%、50%、75%和100%的试样的抗压强度降低率分别17.5%、21.5%、34%和39.5%；PVA=0.25%时，对应RG替代率下试样的抗压强度降低率分别为6.1%、17.5%、27.3%和33.1%。但当PVA掺量≥0.5%时，试样的抗压强度均随着RG的增加先增加后降低，在RG=25%时强度最高；这表明在当RG ≤50%时，添加0.5%或者1%的PVA可以改善再生骨料混凝土的力学特性；而当RG≥50%时，PVA对再生骨料混凝土强度的改善效果降低。

图3 抗压强度随着再生骨料的变化规律

PVA含量对抗压强度的影响规律如图4所示。试样的抗压强度随着PVA掺量的增加逐渐增加，在PVA=0.5%时达到最大值；但当PVA掺量进一步增加时除了RG=25%外，其他试样的强度逐渐下降。同时，当RG≤50%，PVA≥0.5%时，再生混凝土的抗压强度大于对照组试样；在当RG≥50%时，试样的抗压强度均小于对照组。再次说明利用高强度的PVA可以有效改善再生骨料混凝土的力学特性，但RG的替代比不能高于50%。

图4 抗压强度随着PVA的变化规律

2.3 劈裂抗拉强度

试样的劈裂抗拉强度测试结果如图5所示。与对照组CN相比，试样的劈裂抗拉强度随着再生骨料的增加先增后减，且PVA含量越高，试样的峰值抗拉强度越高，其中PVA=1%和RG=50%时，试样的抗拉强度最高，达到了3.65 MPa，较对照组增加了40.9%；当PAV=0.25%和0.5%时，再生骨料混凝土在RG=75%时达到最大抗拉强度；此时，PAV=0.25%和0.5%的试样抗拉强度较对照组分别增加了26.3%和12.4%。但当再生骨料增加到100%时，试样的抗拉强度均小于对照组。

图5 抗拉强度随着再生骨料含量的变化规律

PVA对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响规律如图6所示。随着PVA掺量的增加所有试样的劈裂抗拉强度都有所增加。其中RG=25%、RG=75%和RG=100%的试样的抗拉强度随着PVA含量的增加呈现一定程度的波动；在PVA=0.25%时达到波峰，在PVA=0.5%时达到波谷；之后又逐渐上升。RG=100%的试样在PVA=0.25%时抗拉强度达到最大值；RG=25%和RG=75%的试样抗拉强度最大值则出现在PVA=1%时，相比于对照分别增加了10%和24.7%。而RG=50%的试样的劈裂抗拉强度则随着PVA含量的增加单调增加，当PVA=1%时，抗拉强度较对照组提高了40.9%。进一步证明掺入PVA能够改善再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度。

2.4 弹性模量

弹性模量随着RG含量的变化规律如图7所示。不含PVA时，试样的弹性模量随着RG的增加单调下降；而掺入PVA后，试样的弹性模量随着再生骨料的增加先增加后减小；其中，在PVA=1%时，添加25%的RG后，混凝土试样的弹性模量从2.52 GPa增加到3.2 GPa；当RG掺量增加到100%时，试样的弹性模量降低到了2.4 GPa；PVA=0.25%的试样也是在RG=25%时达到最大值；而PVA=0.5%的试样则是在RG=50%时才达到峰值，之后迅速下降。由此可知再生骨料的最优掺量为25%～50%。

图7 再生骨料含量对弹性模量的影响规律

PVA对再生骨料混凝土弹性模量的影响见图8。与抗压强度和抗拉强度随着PVA含量变化的规律类似，随着PVA掺量的增加，再生骨料混凝土的弹性模量整体上呈上升的趋势并伴随着一定程度的波动。但当RG掺量不同时，弹性模量-PVA曲线的波峰的位置与抗拉强度-PVA曲线和抗压强度-PVA曲线的波峰位置不尽相同。例如，抗压强度的波峰主要出现在PVA=0.5%；抗拉强度的波峰主要出现在PVA=0.25%和PVA=1%；而在PVA=0.25%、PVA=0.5%和PVA=1%处都出现了弹性模量曲线的波峰。同时，在PVA≥0.25%，RG≤50%及PVA=1%，RG=75%两种状态下再生骨料混凝土的弹性模量高于对照组试样，这可能是由于分散于混凝土内部的PVA通过纤维桥接作用增强了混凝土的整体性；且PVA的数量越高，对混凝土整体性提高的效果越好，从而一定程度地弥补了RG掺入对混凝土弹性模量的负面作用。

图8 PVA 含量对弹性模量的影响规律

2.5 超声波速测试

超声波速测试是一种常用的测试混凝土完整性和强度的手段；波速越大则代表着混凝土的完整性越高，强度也相应较高。再生骨料混凝土内超声波速的变化规律如图9和图10所示。图9为不同再生骨料含量下的超声波速，由该图可知，所有试样的超声波传播速度均随着RG掺量的增加而逐渐降低，且都低于对照组试样的超声波传播速度。这表明RG的掺入会对混凝土内的波速传播产生不利影响；也间接证明了RG的掺入会对混凝土的力学特性产生负面影响。

图9 再生骨料对超声波速的影响规律

再生骨料混凝土的超声波速随着PVA含量的变化规律如图10所示。不同于PVA对抗压强、劈裂抗拉强度以及弹性模量的影响规律，除了RG=25%的试样，再生骨料混凝土内的超声波传播速度随着PVA含量的增加单调下降；且所有改性试样的波速均低于对照组。这表明虽然添加PVA可以明显提高再生骨料混凝土力学特性，但添加PVA不利于超声脉冲的传播。这一现象可能是由于PVA的添加可以提高混凝土整体性进而提高混凝土的强度；而PVA的添加也会降低混凝土的密度，如图2所示，使得超声波速不断下降。

图10 PVA对超声波速的影响规律

2.6 相关性分析

通常情况下，混凝土材料的各项物理力学特性之间具有较强的相关性。为此，本文对试样的物理力学参数间的相关性进行研究。

再生骨料混凝土的密度与抗压强度间的相关性如图11所示。整体上二者之间具有良好的线性关系。相比之下，PVA=0.5%时，试样密度和抗压强度间的相关性最弱；PVA=0.25%时，试样密度和抗压强度间的相关性最强。

图11 密度与抗压强度间的相关性

超声波速和密度间的相关性如图12所示。线性拟合的r2值范围为：0.812 1～0.994 9，表明再生骨料混凝的土密度和超声波传播速度之间也具有较好的相关性。其中，PVA=0的试样的密度和超声波传播速度间的相关性最差，此时r2=0.812 1；而PVA=1%的试样的密度和超声波速之间相关性最好（r2=0.994 9）。这表明，PVA的加入提高了密度和超声波速间的相关性。

图12 密度与超声波速间的相关

抗压强度和超声波速间的相关性如图13所示。r2值范围为：0.671 8～0.944 3，表明再生骨料混凝土的抗压强度和超声波速之间具有一定程度的线性相关性。同密度和抗压强度以及密度和超声波速相关性关系，PVA=0的试样的抗压强度和超声波速间的相关性最弱；但上述三组参数相关性最强时的PVA掺量各不相同。这表明PVA的加入有利于提高再生骨料混凝土的密度-抗压强度、密度超声波速和超声波速-抗压强度间的相关性；但影响程度不同；这可能和PVA对密度、强度和超声波速的影响机理不同有关。

图13 抗压强度与超声波速间的相关性

2.7 微观结构

在试验过程中，对试样的结构面进行了拍摄记录，如图14所示。

图14 试样端部照片

从该图中可以看出骨料以及水泥，且骨料和水泥间的胶结较为紧密；但是无法观察出混凝土中的纤维。为此，本文利用扫描电子显微镜(SEM) 对试验后的破坏面进行了研究，如图15所示。

图15 试验破坏面的微观照片

由图15（a）可以看出，试样破坏之后，部分纤维被拉出，形成了光滑的接触面；且纤维和水泥的接触面出现了开裂和断裂，但也有纤维依然粘附在混凝土表面。在缩小倍数之后，可以从断面处看出更多的纤维，如图15（b）所示；断面处可以观察到许多的PVA纤维，且纤维之间相互重叠交错。由此可以推测，纤维在完整的混凝土内部也是重叠交错分布的，交错分布的纤维通过桥接作用可以提高混凝土的整体性，进而增强混凝土的抗压和抗拉强度。

3 结束语

本文利用PVA纤维对再生骨料混凝土进行改性，通过对不同PVA纤维和再生骨料含量的混凝土试样进行密度、强度和超声波速进行测试获得了以下结论：

1）随着再生骨料掺量的增加，混凝土试样的密度不断降低且PVA含量越高，试样的密度越低。

2）掺入RG会对混凝土抗压强度、抗拉强度和弹性模量产生不利影响，PVA的掺入可以提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量；当PVA=0.5%，RG=25%时，试样的抗压强度和弹性模量最高；当PVA=1%，RG=50%时试样的抗拉强度最高。由此得RG和PVA的最有掺量分别为25%～50%和0.5%，且在RG≤50%和PVA≥0.5%时试样的抗压强度、抗拉强度和弹性模量均大于对照组。

3）所有试样的超声波传播速都随着再生骨料和PVA纤维的增加逐渐降低。

4）PVA改性再生骨料混凝土的密度-抗压强、密度-超声波速、抗压强度-超声波速之间有一定的线性相关性。

5）微观分析证明纤维在混凝土内部重叠交错分布，这可以有效地提高混凝土的整体性和力学性能。