不同添加劑對再生骨料混凝土物理性能的影響

張玉廷，李文星

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.邯鄲市水利水電勘測設計院，河北 邯鄲 056000)

0 引 言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete， 簡稱RAC)是將磚塊或混凝土骨料等建筑廢棄物按一定配合比重新組合加工而成的混凝土。再生骨料混凝土的價值在于利用建筑廢棄材料循環再利用，達到綠色環保的效果。多孔混凝土是一種由粗骨料為骨架，水泥、水和外加劑拌制的新型環?；炷敛牧稀Ｅc傳統混凝土相比，其具有透水性好、透氣性強、節省原料等優點，多用于城市道路護坡、中央隔離帶護坡、河道護堤等工程中，其良好的透水性減輕了城市排水系統的壓力，同時提高了對雨水的涵養能力。

眾多學者基于再生骨料或多孔混凝土進行了大量的研究。崔正龍等研究了不同強度等級的再生骨料混凝土強度和碳化規律，給出了原生混凝土強度等級和再生骨料混凝土強度等級的對應關系[1]。王玉梅針對多孔再生骨料混凝土強度及透水性的研究，通過改變混凝土再生骨料取代率、水灰比、目標孔隙率，探究多孔再生骨料混凝土的強度和透水性最佳選擇[2]。邊亞東采用5種單一粒徑的再生粗骨料配制無砂多孔混凝土，得出透水系數隨著再生粗骨料粒徑和目標孔隙率的增大而增加[3]。高丹盈通過研究再生磚骨料(RBA)取代率、混雜纖維摻量、纖維種類對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響，提出了考慮 RBA壓碎指標和取代率、纖維種類和摻量等因素影響的HF/RBAC抗壓強度和彈性模量的計算方法[4]。李金澤通過不同水膠比實驗，重點探究了聚丙烯纖維對再生骨料抗凍性能的規律，實驗表明聚丙烯纖維產量的較優配比[5]。勾承成研究了再生骨料(RA)摻入量下，丙烯纖維(PPF)的摻入對試件梁裂縫的生成發展情況、屈服荷載、極限承載力、跨中撓度的影響[6]。張曉華總結了國內外再生骨料混凝土現狀及發展趨勢[7]。

本文以華北地區為背景，通過正交實驗，研究不同摻量的聚丙希腈纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉對再生骨料多孔混凝土抗凍性、抗壓強度、劈裂強度的影響，通過比較各因素各水平的均差和極差，找出適合華北地區再生骨料多孔混凝土的最優配比，得出了聚丙烯腈纖維在凍融循環下對再生骨料混凝土的抗凍性的影響。

1 實驗方法

1.1 原材料及配合比

本實驗采用的水泥為太行牌 P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用的是河南省侯鋼Ⅱ級粉煤灰，再生骨料是由建筑垃圾破碎加工形成。粗骨料的基本性能見表1，其主要成分為水泥石骨料(約占73.28%)、磚瓦骨料(約占26.72%，其中瓷磚約占1.72%)。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，纖維采用的是聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維。聚丙烯腈纖維是一種人造纖維，外觀呈金黃色，塑鋼纖維呈波浪形，長度為 30 mm，等效直徑 0.6 mm；硅灰采用的是本地某品牌硅灰，顏色為灰色。膠粉采用的是山東京久建筑科技有限公司生產的冷水速溶901環保膠粉，外觀為白色粉狀，pH值7～9。拌和用水和養護用水均采用當地自來用水，混凝土材料配合比見表2。

表1 再生骨料的基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of recycled aggregate

1.2 試驗方法

再生骨料多孔混凝土的制備與傳統混凝土的澆筑方法不同，黃劍鵬[8]提出了“造殼法”更適合多孔混凝土的澆筑。本實驗采用“造殼法”，首先在再生骨料中加入預拌水，開始攪拌直到再生骨料表面濕潤，加入水泥、纖維等摻和料，使骨料周圍包裹上水泥漿殼，再加入剩余的拌和水攪拌2 min后開始裝入模具，分層振搗壓平，使混凝土的結構更密實。為保證試塊成型完好，2天后拆模，放在標準養護室養護，28天后取出進行標準實驗。

通過正交實驗設計在有效較少實驗次數情況下還具有均勻分散、整齊可比特點，本文研究聚丙烯纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉4個因素對再生骨料多孔混凝土的抗凍性影響，每個因素分3個水平。試驗所取因素與水平見表3，正交實驗表選用L9(34)。

2 主要儀器測定標準

由于再生骨料多孔混凝土在國內沒有標準的抗凍等級測定方法，故本試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB-T 50082-2009)的要求測定，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,標準養護28 d后開始快速凍融循環。每次凍融循環在3～4 h內完成，凍結時間與溶解時間基本相同。由于再生骨料多孔混凝土抗凍性能較差，因此本次試驗每5次凍融循環將試件盒內試件上下顛倒一次，以保證盒內試件受凍均勻，并對試件的破壞情況進行檢測。每5次凍融循環測一次試件的質量損失，抗凍等級按照質量損失率不超過5%時的最大凍融循環次數來確定。再生骨料混凝土抗壓強度及劈裂強度測定方法按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)對立方體混凝土試塊測定，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，標準養護28 d。見圖1。

3 試驗結果及分析方法

再生骨料多孔混凝土在凍融初期，試件外觀無明顯變化，隨著凍融次數的增加，部分骨料周圍水泥漿體開始剝落。繼續進行凍融循環，在凍融循環達到峰值50%時，試件邊緣出現骨料脫落，質量損失率開始快速增長，表明試塊進入破壞加速階段。在凍融循環達到100%時，試件端部和邊緣骨料大量脫落，試件中部裸露骨料幾乎無漿體包裹，質量損失率超過極限設定范圍，試件完全破壞，破壞后見圖2。再生骨料多孔混凝土孔隙大，水分極易侵入混凝土內部，造成水在凍融下的張力極易破壞試塊內部的水泥漿體，所以凍融循環次數明顯低于普通混凝土。與天然碎石相比，再生骨料本身抗壓強度小，內部均有一定的損傷，導致再生骨料多孔混凝土抗壓強度和抗劈裂強度低。

在正交試驗中，通常使用極差分析法對多因素多水平的試驗結果進行分析，通過極差分析結果可以直觀地排列出影響因素的主次。本試驗采用極差分析方法進行分析，主要研究A聚丙烯腈纖維、B塑膠纖維、C硅灰及D膠粉4種添加劑對再生骨料抗壓強度、凍融循環次數和劈裂強度的影響及其最佳摻量(圖3)，并且通過分析各因素各水平的均差找出影響再生骨料多孔混凝土的最優組合，通過極差找出最優組合下影響再生骨料多孔混凝土的主次因素。

圖2 凍融循環結果圖Fig.2 The result of freeze-thaw cycle

圖3 極差和均差變化圖Fig.3 The change chart of Range and Relief

由圖3可以看出，考察A因素(聚丙烯纖維)對凍融循環次數進行的3組實驗中(A1，A2，A3)，B，C，D各個水平都只出現了一次，B，C，D之間無交互作用，所以B，C，D各水平的組合對實驗指標無影響，因此對于A1，A2，A3三組實驗條件是一樣的。假若A因素對再生骨料多孔混凝土的抗凍性無影響，那么A1，A2，A3各個水平下再生骨料多孔混凝土試塊的抗凍融循環次數應該是一樣，即均差相等。但從圖3(a)中可以明顯看出，A因素下各個水平的均差顯然不相等，這是由于A因素水平不同造成的A1，A2，A3水平下的均差不同，即A2試塊凍融循環次數明顯高于A1，A3試塊，A2水平為最優水平。同理，從圖3(a)中可以直觀得出，B，C，D各因素在抗凍融循環次數指標下的最優水平分別為B2C2D1，故聚丙烯纖維、塑鋼纖維、硅灰、膠粉在在抗凍融循環指標下的最優組合為A2B2C2D1。從圖3(b)極差中可以得出，影響再生骨料多孔混凝土凍融循環的主次順序為B-C-D-A,及塑鋼纖維-聚丙烯腈纖維-膠粉-硅灰，塑鋼纖維是影響再生骨料多孔混凝土凍融循環的主要因素。

從圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)上可以分別得出，再生骨料多孔混凝土抗壓強度的最優組合為A2B3C2D2,主次順序為B-C-D-A,即塑鋼纖維-硅灰-膠粉-聚丙烯腈纖維，塑鋼纖維是影響再生骨料多孔混凝土的主要因素；抗劈裂強度的最優組合為A2B2C3D2,主次順序為A-B-D-C，即聚丙烯腈纖維-塑鋼纖維-膠粉-硅灰，聚丙烯腈纖維是影響混凝土抗劈裂強度的主要因素。

因此，從圖3可以得出以下結論：

1) 塑鋼纖維在摻量0.2%時，抗凍融循環次數達到最大值，明顯高于另外兩組水平。塑鋼纖維具有一定的韌性和強度，在試件凍融循環過程中分擔了一部分水的凍融張力，從而提高了凍融循環次數；聚丙烯腈纖維和膠粉次之，硅灰依靠增加混凝土密實性來提高混凝土性能，但多孔混凝土孔隙較大硅灰則對再生骨料多孔混凝土的凍融循環次數作用不多。

2) 摻入塑鋼纖維對再生骨料植生混凝土的的抗壓強度有明顯的提升效果。塑鋼纖維在混凝土中縱橫分布，形成空間網架結構，水泥包裹塑鋼纖維類似具有“鋼筋混凝土”特性，塑鋼纖維充當“鋼筋”，大幅度提高了再生骨料多孔混凝土的強度。硅灰增加了試塊的密實性，也提高了再生骨料多孔混凝土的強度。

3) 劈裂強度反映混凝土的抗拉能力，在1%時聚丙烯腈纖維提高試件的抗拉能力最好。聚丙烯腈纖維具有較強的抗拉能力，與混凝土中漿體包裹，能有效提高抗拉強度，但摻量過多(1.5%)時反而降低了抗拉強度。

4) 以華北地區氣候特點為研究背景，主要考慮凍融循環對再生骨料多孔混凝土的影響，選取凍融循環次數最大的組合作為再生骨料多孔混凝土的最優配合比，即1%的聚丙烯腈纖維、0.2%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉。

4 結 論

1) 塑鋼纖維對再生骨料多孔混凝土的抗凍性和抗壓強度提高明顯，能夠有效改善華北地區冰凍災害下再生骨料多孔混凝土工程的耐久性，為河道護坡、城市道路護坡提供了一定的參考。

2) 聚丙烯腈纖維纖維和塑鋼纖維能夠明顯提高再生骨料多孔混凝土的抗劈裂強度，硅灰和膠粉對抗劈裂強度提高影響較小。

3) 適合華北地區的再生骨料多孔混凝土抗凍性最優組合為1%的聚丙烯腈纖維、0.2%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉；抗壓強度的最優組合為1%的聚丙烯腈纖維、0.3%的塑鋼纖維、10%的硅灰和4%的膠粉。