纖維納米再生骨料混凝土力學性能試驗研究

王 娣陳自豪戚國峰元成方，*

（1.鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001；2.鄭州共圖建設工程檢測有限公司，鄭州 450001）

0 引言

我國城市化建設的步伐不斷加快，由此產生的建筑垃圾也不斷增加，這使得我國面臨著環境污染、資源缺乏等嚴峻挑戰。對建筑垃圾資源化利用是減少環境污染和實現廢棄物再利用的有效方法［1］，將廢棄混凝土、燒結磚等建筑垃圾進行加工制備再生骨料混凝土。相關研究發現，再生骨料混凝土的界面過渡區是受力薄弱環節，經常出現初始裂縫［2］。同時，再生骨料在破碎過程中內部會產生許多細小裂縫，更易產生集中應力，使其承載力和傳力能力下降［3］。由此可見，需要通過預處理解決再生骨料混凝土性能缺陷問題。研究表明，納米二氧化硅活性高，粒徑小，分散性能良好，可均勻分布在混凝土基體中與Ca（OH）2晶體反應生成C-S-H凝膠，填充骨料內部的微細孔隙，改善孔結構和表面形態，提高再生骨料混凝土的密實性和抗壓強度［4-6］。同時，納米二氧化硅能夠在混凝土中發生一系列反應，修復再生骨料表面的老舊砂漿，對界面過渡區以及新砂漿具有強化作用，從而提高再生混凝土的力學性能［7］。纖維材料可在混凝土基體中起到橋聯作用，有利于基體的抗裂，延緩混凝土中微裂縫的形成和開展［8-9］。聚乙烯醇（PVA）纖維和聚丙烯（PP）纖維是較為常用的兩種工程纖維，其材性優異，能夠改善混凝土的力學性能［10-13］。同時，由于該類纖維熔點低，還可提高混凝土高溫環境下抵抗剝落的能力以及混凝土的耐久性能［14］。綜上所述，采用PVA纖維、PP纖維及納米SiO2對再生骨料混凝土進行改性，具有較好研究價值和應用前景。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗采用日本生產單絲聚乙烯醇纖維（PVA纖維）和國產單絲聚丙烯纖維（PP纖維），材料性能見表1；利用鄭州市某工程檢測公司強度等級C30—C50的廢棄混凝土試塊、市內房屋拆遷所得強度等級MU10—MU20的廢棄燒結磚制備再生混凝土和再生磚骨料，再生骨料的技術指標見表2；天然骨料為4.75～19.0 mm連續級配碎石、細度模數2.6的中砂；水泥為鄭州地區生產的PO 42.5普通硅酸鹽水泥；外加劑采用FDN-1型高性能減水劑，減水率26.5%；試驗拌合水和養護水為鄭州市普通自來水；采用浙江宇達化工生產NS-30型納米硅溶膠，技術指標見表3。

表1 纖維的材料性能Table 1 Material properties of fiber

表2 再生骨料的技術指標［15］Table 2 Technical indicators of recycled aggregate

表3 NS-30型納米硅溶膠技術指標Table 3 Technical indicators of NS-30 nano silica sol

1.2 再生骨料改性

將廢棄混凝土和廢棄磚塊進行破碎、篩分獲取滿足要求的再生骨料。加入自來水對納米硅溶膠進行稀釋并攪拌，得到不同質量濃度的納米硅溶膠溶液，將混合再生骨料進行浸泡（圖1）。試驗發現［16］，綜合考慮時間和成本因素，采用濃度2%的硅溶膠溶液浸泡2天的機制對再生骨料的改性效果較好。再生骨料改性前后的技術指標見表4。

表4 再生骨料改性前后的相關物理性能Table 4 Related physical properties of recycled aggregate before and after modification

圖1 再生骨料的改性Fig.1 Modification of recycled aggregate

納米硅溶膠有效降低了再生骨料的吸水率和壓碎指標。同時，骨料表面的納米SiO2顆粒不僅能夠填充骨料孔隙，提高了密實度，還可參與水泥水化反應，生成C-S-H凝膠，進一步填充基體孔隙，改善再生混凝土的整體性，提高再生混凝土的力學性能。

1.3 配合比設計

試驗參照《普通混凝土配合比設計規程》設計強度等級C50的普通混凝土，然后將天然骨料由改性處理后的磚砼體積比為3∶7的混合再生骨料全部取代，同時將不同摻量的PVA纖維或PP纖維加入混凝土中，制備纖維納米再生骨料混凝土，配合比如表5所示。

表5 纖維納米再生骨料混凝土配合比Table 5 Mix ratio of fiber nano recycled concrete

1.4 試驗方法

依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行混凝土流動性測試。依據《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13—2009）［17］規定的干拌法制備纖維納米再生混凝土，以防止纖維結團。依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2016）［18］進行混凝土力學性能試驗，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，抗折強度試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

纖維納米再生混凝土力學性能試驗結果如表6所示。

表6 力學性能試驗結果Table 6 Mechanical performance test results

2.2 力學性能指標的經時變化規律

纖維納米再生混凝土力學性能指標隨齡期的變化規律如圖2所示，各組混凝土28 d強度指標隨纖維摻量變化如圖3所示。

由圖2（a）與圖3可知，不同纖維摻量的納米再生混凝土立方體抗壓強度均隨著齡期增長呈增加趨勢，初期強度增加迅速，后期強度平穩緩慢增加。加入PVA纖維或PP纖維后，納米再生混凝土28 d抗壓強度均小于基準混凝土，這表明纖維的摻入均削弱了納米再生混凝土的抗壓強度。PVA纖 維 摻 量 為0.3 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3時，混凝土28 d立方體抗壓強度分別下降了9.8%、5.7%、9.4%和3.5%。這是由于PVA纖維與基體間的疏水性質使得混凝土固化期間限制了水泥水化所需要的水進入砂漿結構中，同時易在界面過渡區形成氣泡，增加了混凝土的孔隙率［19］。摻入等量PVA纖維和PP纖維后，PVA纖維納米再生混凝土的立方體抗壓強度相對更高，說明PP纖維對納米再生混凝土抗壓強度具有更大的削弱作用，這是因為PVA纖維的彈性模量高于PP纖維，引入氣泡的同時，在相同應變條件下能夠承受更大的壓力。

圖2 纖維納米再生混凝土力學性能指標隨齡期變化圖Fig.2 Changes of mechanical properties of fiber nano recycled concrete with age

圖3 纖維納米再生混凝土28 d力學性能指標隨纖維摻量變化圖Fig.3 Changes of the 28 d mechanical performance indicators of fiber nano recycled concrete with fiber content

由圖2（b）與圖3可見，各組混凝土抗折強度均隨齡期的增加而增大，開始時增長速度較快，一段時間后增長速度開始緩慢。隨著PVA纖維摻量增大，混凝土抗折強度先增大后減小，具體表現為摻入0.3 kg/m3的PVA纖維時，再生混凝土28 d抗折強度略有降低；摻入0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3的PVA纖維時，再生混凝土28 d抗折強度分別為基準組的102.1%、108.3%和104.2%，說明摻加適量的PVA纖維可以提高再生混凝土的抗折強度，摻量為0.9 kg/m3時的增強效果最為顯著。這是因為PVA纖維與混凝土基體之間具有橋接作用，纖維能夠跨越微裂縫，使混凝土能更好地承受拉力作用，從而增強抗折能力。對比分析后發現，PVA纖維比PP纖維的增強效果更好。

由圖2（c）與圖3可見，隨著齡期的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強度初期增長顯著，后期趨于平穩。對比分析后發現，隨著PVA纖維摻量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強度先上升后下降；摻量為0.9 kg/m3時，齡期28天的纖維納米再生混凝土劈裂抗拉強度為基準組的106.3%。這是因為適量的纖維在混凝土基體中可以橋接裂縫，把混凝土內部的集中應力通過纖維進行應力重分布，在混凝土受荷開裂的過程中承受更多拉應力，增強混凝土韌性［11，20］。對比分析發現，PP纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度為PVA纖維再生混凝土的93.3%，表明彈性模量較高的PVA纖維具有比PP纖維更強的增韌效果，更加有利于基體的抗裂，延緩混凝土中微裂縫的形成和發展。

2.3 力學性能指標的相關性分析

將纖維納米再生混凝土各項力學性能指標進行數據擬合分析，結果如圖4所示。

由圖4可見，纖維納米再生混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的冪函數相關系數為0.923，抗折強度與立方體抗壓強度的冪函數相關系數為0.946，均表現出良好的相關性。而抗折強度與劈裂抗拉強度之間相關性較低，相關系數僅為0.758。實際工程中，在纖維納米再生混凝土的立方體抗壓強度已知的情況下，可基于上述經驗公式推算纖維納米再生混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度，全面了解混凝土力學性能的變化情況。

圖4 聚乙烯醇纖維納米再生混凝土力學性能指標關系圖Fig.4 The correlation between the mechanical performance indicators of PVA fiber nano recycled concrete

3 結論

（1）摻入PVA纖維和PP纖維均會削弱納米再生混凝土的抗壓強度，PP纖維相比PVA纖維具有更大的削弱作用。

（2）隨著PVA纖維摻量的增加，纖維納米再生混凝土抗折強度先增大后減小。適量的PVA纖維可以提高其抗折強度，纖維摻量為0.9 kg/m3時的增強效果最為顯著。與PP纖維相比，摻入PVA纖維能達到更好的抗折性能增強效果。

（3）隨著PVA纖維摻量的增加，纖維納米再生混凝土的劈裂抗拉強度先上升后下降。纖維摻量為0.9 kg/m3時，其28 d抗拉強度達到最大。PVA纖維具有比PP纖維更強的增韌效果，能獲得更好的劈拉性能增強效果。

（4）PVA纖維納米再生混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度、抗折強度與抗壓強度之間均具有良好的相關性。在抗壓強度已知的情況下，可基于經驗公式推算纖維納米再生混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度。