聚丙烯纤维对再生混凝土抗压强度的影响研究

秦荷成　杨荣婷　叶水斌　谢静

摘要：文章通过聚丙烯纤维再生混凝土抗压试验，研究聚丙烯纤维掺入再生混凝土后对其抗压强度的影响。试验结果表明：随着聚丙烯纤维掺量的增加，再生混凝土抗压强度增大；聚丙烯纤维掺量应在1.0～1.5 kg/m3为宜；当再生骨料替代率在25%～100%时，再生混凝土的轴心抗压强度会随着骨料替代率的增加而逐渐减小，而当骨料替代率在0～25%时，对再生混凝土的轴心抗压强度影响不大；掺入聚丙烯纤维后，再生混凝土拌和物的保水性会有所增加，且坍落度减少。

关键词：再生混凝土；聚丙烯纤维；抗压强度；试验

0引言

目前，再生混凝土的应用还不是很普遍，这是因为再生混凝土容易开裂，特别是其强度较普通混凝土低，同时在工程实际施工中，也没有对再生混凝土进行充分的观察研究，其应用在我国仍然缺乏试验分析和系统研究，各种研究资料也不完善。

如果能够提高再生混凝土的抗压强度，那么再生混凝土的应用将来会越来越受重视［1-2］。在实际工程中，如果能够有效利用再生混凝土，不但能节省垃圾处理费用，还能减轻对环境的污染，特别是还能解决因混凝土废弃物处理困难而引起的一系列负面环境问题。

随着时代的发展，把聚丙烯纤维掺入再生混凝土中以提高混凝土强度的方式将会越来越受到关注［3］。但在以往研究中，采用劈拉试验所反映出来的混凝土抗压强度并不是很准确。鉴于此，本文主要通过聚丙烯纤维再生混凝土抗压试验，研究将聚丙烯纤维掺入再生混凝土后对混凝土抗压强度产生的影响。

1 试验材料

1.1 胶凝材料——水泥

水泥属于典型的水硬性胶原材料［4］，在选择水泥的时候应考虑到以下两个原则：（1）使用普通硅酸盐水泥；（2）水泥检测必须符合国家标准要求。本试验采用广西古庙牌普通硅酸盐水泥（强度等级42.5）。

1.2 聚丙烯纤维

聚丙烯是一种结构规整的结晶性聚合物［5］，同时也是一种热塑性塑料，主要是由丙稀聚合而成的高分子化合物［6］，乳白色，无嗅无味，无毒，质量轻。本试验中，采用的聚丙烯纤维各项性能指标都符合规范要求。

1.3 试验用水

取水原则：凡饮用水均可使用。本次试验采用南宁市的城市自来水。

1.4 粗细骨料

混凝土所用的细骨料砂通常可以分为天然砂、人工砂两大类［7-8］。本试验采用南宁某公司生产的中砂。经检测，该砂符合国家标准用砂的要求，检验结果为Ⅱ区中砂。其性能指标、颗粒级配见表1。粗骨料大致可以分为碎石和卵石。本试验中的粗骨料采用南宁本地产的碎石。

1.5 再生粗骨料

本次试验中所采用的再生骨料主要是来源于广西建设职业技术学院建筑材料试验室的废弃混凝土试块，其混凝土原始强度为C35，所用粗骨料为碎石。

2 试验配合比的确定

进行混凝土配合比设计时，应满足设计强度等级以及施工和易性的要求，尽量做到经济合理［9］。

本试验以C30混凝土抗压强度为根据进行配合比设计，计算配制强度fcu，o，得出相应的水灰比，从而确定混凝土的配合比及每立方米混凝土的材料用量。C30强度等级混凝土砂率取33%，按照再生混凝土配合比设计方法，得出各强度等级再生混凝土的基准配合比见表3，按照以上配合比配制的混凝土性能可以满足试验所需要的坍落度和强度等级要求。

3 聚丙烯纤维对再生混凝土抗压强度影响的试验研究

3.1 试验方案

这次试验共采用5种试验方案（见表4），按试验方案的顺序编号分别为A、B、C、D、E。试验方案中，一共做了3组试件，再将聚丙烯纤维掺入每组试件中，掺入量依次为：0.0 kg/m3、0.6 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3，并利用试验所得数据来证明聚丙烯纤维掺量对再生混凝土抗压强度的影响和规律。

3.2 制作试件

按照规范的要求，所使用的试件模型尺寸［10］规格分别为150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。为方便脱模，在混凝土还没有拌制之前，需要用一薄层矿物油涂在试模的内表面，使其光滑。然后，在模型中加入再生混凝土，该再生混凝土全部采用机械进行拌制［11-12］，同时把试件放在振动台上，振捣密实后放置一段时间，再抹平成型试件的表面；用不透水的薄膜覆盖在试件的表面，再将试件放置于相对湿度为95％、温度为20±2 ℃的标准条件养护室进行养护。试件脱模要在室内环境下（20±5 ℃）静置24 h后才能进行。

3.3 抗压强度试验方法步骤

根据规范规定的混凝土力学性能试验方法和步骤，分别测试各组试件的各项力学性能指标。基本步骤如下：

（1）试验开始前，先从养护地点取出试件，用湿布把上下承压板面及试件表面擦干净。

（2）当试件快成型时，将其安放至试验机垫板上，同时要注意试件顶面与承压面务必保持垂直。

（3）试验过程中，加荷荷载务必保持均匀连续，加荷速度控制在0.3～0.5 MPa/s。

（4）从加荷开始到试件破坏，注意观察试件，并把破坏荷载的原始数据记录下来。

4 试验结果分析

4.1 聚丙烯纤维掺量對再生混凝土立方体试件抗压强度的影响规律

4.1.1 再生混凝土立方体试件抗压强度计算公式

fcu=F/A（1）

式中：fcu——混凝土立方体抗压强度（MPa）；

F——破坏荷载（N）；

A——承压面积（mm2）。

通过以上试验，得出试验数据，加以整理并计算出算术平均值，得出的算术平均值作为该组试件的抗压强度（精确至0.1 MPa）。

计算方法：根据计算结果分析，假如所测得的3个值中的最大值或最小值与中间值的差异超过中间值的50%时，将其舍去，剩下的取平均值。

4.1.2 试验结果及分析

本次试验采用混凝土抗压强度力学试验标准方法［13］，混凝土试件为标准试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm［14］，成型后进行标准养护，然后测出试件的破坏荷载，计算其抗压强度，试验结果进一步表明了聚丙烯纤维掺量与再生混凝土立方体抗压强度的关系，见表5。

4.1.3 试验结论

由图1可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，再生混凝土抗压强度增大；当聚丙烯纤维掺量＞1.0 kg/m3后，[JP4]再生混凝土强度的增长速度变得非常缓慢。由此可见，聚丙烯纤维掺量不是越多越好，一定要适当并且合理。掺少了，对再生混凝土的强度起不到强化作用；掺多了，纤维会由于分散不均匀而结成团，这样再生混凝土强度不但得不到提高，还有可能降低。如表6所示为不同聚丙烯纤维掺量时，再生混凝土的抗压强度提高率。由表6可知，聚丙烯纤维掺量应在1.0～1.5 kg/m3为宜。从试验中，还可以看到，掺入聚丙烯纤维后，混凝土拌和物的保水性会有所增加，坍落度减少。

4.2 聚丙烯纤维掺量对再生混凝土轴心抗压强度的影响规律

轴心抗压强度计算公式：

fcp=F/A（2）

式中：fcp——再生混凝土的轴心抗压强度（MPa）。

通过以上试验，得出试验数据如表7所示，加以整理并计算出平均值，该平均值作為该组试件的抗压强度（精确0.1 MPa）。

计算方法：分析计算结果［15］，假如所测得的3个值中的最大值或最小值与中间值的差异大于中间值的15%时［16］，将其舍去，剩下的取平均值［17-18］。

本次试验采用混凝土抗压强度力学试验标准方法［19］，混凝土试件为标准试件，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm［20］，成型后进行标准养护，然后测出试件的破坏荷载［21-22］，计算其抗压强度，试验结果进一步表明了聚丙烯纤维掺量与再生混凝土轴心抗压强度的关系，见表7。

对图2、图3进行分析，可以清楚地看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，再生混凝土轴心抗压强度增大。当聚丙烯纤维掺量＞1.0 kg/m3后，混凝土轴心抗压强度增长速度变得非常缓慢。因此，聚丙烯纤维掺量应在1.0～1.5 kg/m3为宜。当掺量＞1.5 kg/m3时，再生混凝土轴心抗压强度不但得不到提高，反而降低；在再生骨料替代率一定的情况下，当掺量为1.5 kg/m3时，混凝土棱柱体试件轴心抗压强度提高34%。

再生骨料替代率对再生混凝土轴心抗压强度的影响规律：当替代率在25%～100%时，再生混凝土的轴心抗压强度会随着骨料替代率的增加而会逐渐减小；当骨料替代率在0～25%时，对再生混凝土的轴心抗压强度影响并不是很大。不管再生骨料取代率如何变化，掺聚丙烯纤维再生混凝土轴心抗压强度都有一定提高。

5 结语

（1）随着聚丙烯纤维掺量的增加，再生混凝土抗压强度增大。当聚丙烯纤维掺量＞1.0 kg/m3后，混凝土抗压强度增长速度变得非常缓慢。由此可见，聚丙烯纤维掺量不是掺得越多越好，一定要适当并且合理。掺少了，对再生混凝土的强度起不到强化作用；掺多了，纤维会由于分散不均匀而结成团。

（2）聚丙烯纤维掺量应在1.0～1.5 kg/m3为宜。当掺量＞1.5 kg/m3时，再生混凝土抗压强度不但得不到提高，反而降低；在再生骨料替代率一定的情况下，当掺量为1.5 kg/m3时，再生混凝土抗压强度提高34%。

（3）再生骨料替代率对再生混凝土轴心抗压强度的影响规律：当替代率在25%～100%时，再生混凝土的轴心抗压强度会随着骨料替代率的增加而逐渐减小；当骨料替代率在0～25%时，对再生混凝土的轴心抗压强度影响并不是很大。

（4）掺入聚丙烯纤维后，再生混凝土拌和物的保水性会有所增加、坍落度减少。

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基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“钢纤维再生混凝土在沿海公路路面工程中的应用研究”（编号：2020KY35014）

作者简介：秦荷成（1982—），硕士，副教授，高级工程师，主要从事混凝土耐久性、结构可靠性研究工作。