摻聚丙烯纖維和礦渣的再生混凝土性能研究

方金苗， 涂勁松， 李文麗

(1.皖西學院 建筑與土木工程學院， 安徽 六安 237012； 2.安徽華裕工程咨詢有限公司， 安徽 六安 237000)

0 引 言

隨著經濟快速發展，我國建筑垃圾及拆卸廢棄物數量逐年增加[1].廢棄混凝土的隨意丟棄不僅占用大量的土地，而且造成環境污染[2]，而將舊混凝土骨料重新利用替代天然骨料，對節約資源、保護環境具有重要意義[3-4].相關研究表明，再生混凝土骨料相比天然碎石，因其空隙率高、吸水性大、強度低，在一定程度上限制了再生骨料的推廣應用[5-6].目前，科研人員通過在再生混凝土骨料中加入纖維，進而提高混凝土的力學性能[7-8].此外，也有學者對廢棄混凝土骨料用于高性能混凝土做了相關研究[9-10]，但針對纖維和礦物摻合料對于高性能再生混凝土力學性能和收縮性能的研究較少.基于此，本研究選擇聚丙烯纖維和礦渣作為外摻料，針對再生混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎拉強度、吸水率及收縮性能等進行評價，系統地分析了再生骨料摻量、外摻料摻配方式及摻量對再生混凝土路用性能的改善效果.并借助SEM掃描電鏡，研究纖維和礦渣復合改性材料對再生混凝土的微觀改性機理.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料.

水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥，其比表面積為310 m2/kg，各項技術指標如表1所示.礦渣的比表面積為486 m2/kg，其化學組成如表2所示.

表1 42.5號水泥技術指標

表2 礦渣化學組成及含量

1.1.2 集 料.

天然粗集料為公稱最大粒徑19 mm的碎石，細集料為細度模數為3.4的砂土；再生混凝土粗集料取自C30舊混凝土路面.天然集料和再生集料的物理性能如表3所示，粒徑分布如表4所示.由表中數據可知，天然粗集料比再生粗集料密度高，吸水率低.其中，再生集料附加砂漿的含量采用鹽酸溶出法測定.

表3 天然和再生混凝土集料的物理特性

表4 集料級配

1.1.3 減水劑.

減水劑采用BASF公司生產的聚羧酸減水劑，其最高減水率可達26%，推薦摻量為0.8%～1.2%.

1.1.4 聚丙烯纖維.

纖維采用聚丙烯纖維，其技術指標見表5所示.

表5 聚丙烯纖維技術指標

1.2 配合比設計

試驗中，不同混凝土的配合比方案設計如表6所示.

表6 試驗方案設計

表6中，膠凝材料用量為400 kg/m3，水灰比為0.34，砂率為0.42，再生混凝土集料替代率分別為0、30%和50%.同時，分別研究了礦渣等量替代25%水泥和摻加1%聚丙烯纖維兩種情況下，混凝土各項性能的變化規律.通過對不同組合的坍落度進行測試(見表6)，結果發現，聚丙烯纖維對混凝土塌落度影響較大，摻加聚丙烯纖維前塌落度為200 mm左右，摻加后為130 mm左右，但依然滿足高性能混凝土施工時的流動性要求.

1.3 試驗方法

1.3.1 強 度.

分別針對再生混凝土試件的抗壓強度、劈裂強度以及抗彎拉強度進行測試，其中抗壓強度的試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，試件在標準條件下養護，利用萬能試驗機分別測試其7 d、28 d和90 d的抗壓強度.劈裂抗拉強度的試件尺寸為φ10 cm×20 cm的圓柱體，將試件養護至28 d后，利用萬能試驗機測試其劈裂抗拉強度.抗彎拉強度的試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm的長方體，將試件養護至28 d后，利用萬能試驗機測試其彎拉強度.

1.3.2 吸水率.

吸水率試驗參照美國標準ASTM C642進行，試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm的立方體，將試件養護7 d后，分別測試試件干燥前后的質量差，以此作為指標，評價混凝土的吸水率.

1.3.3 收縮性能.

收縮性能參照規范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTGE30-2005)中T0566-2005的試驗方法對棱柱試樣進行自由收縮試驗.試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm，試件成型脫模后，立即放入干縮室測量其干縮性能，從移入干縮室起計算，用位移傳感器分別測量1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d時試件的長度，以此評價混凝土的收縮性能.

2 試驗結果及分析

2.1 抗壓強度

不同再生混凝土的抗壓強度結果如圖1～圖4所示.

圖1未加外摻料的再生集料混凝土抗壓強度

圖2 摻加25%礦渣的再生集料混凝土抗壓強度

圖3摻加1%纖維的再生集料混凝土抗壓強度

圖4摻加纖維和礦渣復合材料的再生集料混凝土抗壓強度

由圖1～圖4可知，所有再生集料混凝土的抗壓強度均隨著齡期的延長而增大.與未摻加礦渣的再生集料混凝土相比，使用25%的礦渣等量替代水泥后，對混凝土抗壓強度無顯著影響；當摻加1%聚丙烯纖維后，再生混凝土抗壓強度顯著提高.再生集料摻量對混凝土強度影響較大，隨著摻量的增加，其強度降低.當再生集料摻量為30%時，摻加纖維和礦渣復合材料的再生集料混凝土7 d、28 d、90 d的抗壓強度分別為39.8 MPa、55.5 MPa、71.7 MPa，與對照組相比分別提高了14%、14.9%、21.1%，由此可見，聚丙烯纖維對混凝土后期性能改善顯著.

此外，而當用30%礦渣等量替代水泥后，再生混凝土7 d和28 d抗壓強度有所下降，而90 d抗壓強度有所提升.這是因為礦渣的摻加可以提高膠凝材料的黏結性，減少裂縫出現，填充水泥基體的毛細孔，從而改善界面過渡區的性能，進而提高混凝土抗壓強度.

2.2 劈裂抗拉強度和彎拉強度

不同混合料的28 d劈裂抗拉強度和抗彎拉強度如圖5～圖8所示.

圖5 未加纖維的再生集料混凝土的28 d劈裂抗拉強度

圖6摻加1%纖維的再生集料混凝土的28d劈裂抗拉強度

圖7未加纖維的再生集料混凝土的28d抗彎拉強度

圖8摻加1%纖維的再生集料混凝土的28d抗彎拉強度

由圖5、圖6可知，隨著再生集料摻量的增加，高性能再生混凝土28 d的劈裂抗拉強度逐漸減小，再生集料摻量分別為30%和50%時，劈裂強度分別降低5.2%和10.5%.當用30%礦渣替代膠凝材料后，再生混凝土劈裂強度變化不大.而當摻加纖維后，混合料劈裂強度顯著提高，再生集料摻量分別為30%和50%時，其劈裂抗拉強度分別提高了49%和58.4%.這是因為聚丙烯纖維具有較高的抗拉強度、彈性模量和有效的錨固機理，抑制了混凝土宏觀裂縫的擴展.由圖7、圖8可知，混凝土彎拉強度表現出相似的規律.

2.3 吸水率

再生混凝土的吸水率試驗結果如圖9所示.

圖9 再生集料混凝土的28 d吸水率

由圖9可知，在混凝土中加入礦渣，可以顯著降低其吸水率.纖維的加入對混凝土的吸水率有顯著影響，加入1%的聚丙烯纖維可使混凝土吸水率降低29%，含1%纖維的再生集料混凝土的吸水率比不摻纖維的再生集料混凝土的吸水率降低23%.這可能是由于礦渣能夠改善水泥基體的微觀結構，減小孔隙尺寸，并中斷孔隙的連接，除了礦渣的火山灰活性外，由于礦渣粒徑小，其填充效應也會降低吸水率.因此，纖維的加入限制了混凝土結構裂縫的形成和擴展，從而可以降低其滲透性.

2.4 干燥收縮性能

方案配合比下再生混凝土干縮性能測試結果如圖10所示.

圖10不同方案配合比下再生集料混凝土的收縮率

由圖10可知，礦渣和聚丙烯纖維等改性材料可以顯著改善再生混凝土收縮性能，與對照組相比，摻加30%礦渣或1%聚丙烯纖維均可降低混凝土的收縮率，而礦渣和聚丙烯纖維復合改性效果最佳，再生混凝土在14 d、60 d、90 d的收縮率較對照組相比分別降低27.0%、21.2%、22.4%.這是因為纖維能有效抑制干燥收縮引起的裂紋擴展，礦渣可有效填充混凝土內部空隙，降低收縮率.

3 改善機理分析

為了分析纖維在混凝土內部的分布及其對混凝土力學及收縮性能的改善機理，以及礦渣對于混凝土的微觀填充效應，借助SEM掃描電鏡試驗，分別觀測未摻加外摻料、單獨摻加聚丙烯纖維、摻加纖維和礦渣復合改性的高性能再生混凝土的界面區間，探討纖維和礦渣復合外摻料對于混凝土的微觀改善機制.不同再生混凝土的SEM掃描圖片如圖11～圖13所示.

由圖11、圖12可知，未摻加礦物摻合料時，再生混凝土混合料表面粗糙，有孔洞.這也解釋了其混合料吸水率高，力學性能低的原因.當摻加1%聚丙烯纖維后，由于纖維在混凝土中的多維亂向分布，將混凝土黏結為堅固的整體，其抗壓強度等力學性能顯著提高.由于纖維與水泥漿體黏結為統一的整體，在一定程度上改善了混凝土內部的密實程度，阻斷外界水分的侵入通道，宏觀上表現為吸水率的降低.

圖11未加外摻料的再生混凝土掃描電鏡圖

圖12摻加聚丙烯的再生混凝土掃描電鏡圖

圖13摻加纖維和礦渣復合改性材料的再生混凝土掃描電鏡圖

由圖13可知，摻加礦渣后，由于礦渣比表面積大，在一定程度上可以促進水泥的水化，改善混凝土的內部結構，使得再生混凝土內部更加密實，宏觀上表現為力學性能和收縮性能的提高.由于礦渣活性高，水泥漿體水化更加充分，其生成物可以更大程度的填充混凝土結構，這也解釋了吸水率下降的原因.纖維和礦渣的復合改性對于再生混凝土各項性能改善顯著.

4 結 論

本研究認為：礦渣可改善再生混凝土的抗壓強度，用30%礦渣等量替代水泥后，高性能再生混凝土早期強度有所下降，而后期強度有所提升.摻加聚丙烯纖維可以顯著提高再生混凝土的劈裂拉伸強度和抗彎拉強度；礦渣作為礦物摻合料對混凝土劈裂抗拉強度和抗彎拉強度影響較小.纖維和礦渣可以顯著降低再生混凝土吸水率和收縮率，而纖維和礦渣作為復合改性材料對高性能再生混凝土的吸水率和收縮性能改善最為顯著.通過掃描電鏡對再生混凝土試樣內部微觀結構進行分析發現，摻加纖維和礦渣復合改性材料可以促進水泥漿水化程度，改善混凝土密實度，宏觀上表現為力學性能和抗收縮性能的提高，以及吸水率的下降.