楊 瀟
[中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司,北京 100161]
水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高耐磨性好等優(yōu)點(diǎn),但是傳統(tǒng)水泥混凝土為脆性材料,抗拉抗折強(qiáng)度較低[1]。近年來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)混凝土路面局部修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究,雖然提出了一些修復(fù)方法,包括:復(fù)合修補(bǔ)劑、特種水泥、纖維混凝土等。但是仍存在一定局限性,其中最為有效的方法為采用纖維材料增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度。目前,國(guó)內(nèi)外用于修復(fù)路面的纖維混凝土主要包括3類(lèi):鋼纖維、碳纖維和合成纖維[2-4]。其中,針對(duì)鋼纖維再生混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究還較少。尹詩(shī)欽[5]等提出了以再生混凝土的吸水性能為主要參數(shù)的設(shè)計(jì)方法,鋼纖維體積率每增加1%,砂率增加1.6%;高丹盈[6]等提出“等效水泥體積”的配合比設(shè)計(jì)方法,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法設(shè)計(jì)的再生混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和塌落度與天然混凝土相似。周靜海[7]對(duì)鋼纖維再生混凝土抗壓性能進(jìn)行研究,表明在鋼纖維的作用下,顯著提高再生混凝土開(kāi)裂后的抗壓性能,受鋼纖維的影響,試件的最大裂縫寬度變化不明顯。本文以鋼纖維再生混凝土作為研究對(duì)象,通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試件的配合比,對(duì)不同配合比試件工作性能進(jìn)行分析,通過(guò)碳化試驗(yàn)對(duì)鋼纖維再生混凝土碳化深度的影響因素進(jìn)行研究,為混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)儀器包括:WAW-4000B型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)(珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司);DHG-9240A型干燥箱(深圳市愛(ài)特爾電子科技有限公司);XT350型混凝土切割機(jī)(濟(jì)寧市信通機(jī)械設(shè)備有限公司);CCB-70型碳化試驗(yàn)箱(上海榮計(jì)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);605A-01型電子游標(biāo)卡尺(哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司)。
采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥(山東省恒華水泥有限公司);再生粗骨料取自當(dāng)?shù)厣唐坊炷猎嚇?;?xì)骨料屬于中粗砂,細(xì)度模數(shù)為2.72,洛陽(yáng)砂石廠生產(chǎn);天然粗骨料為石灰石碎石,洛陽(yáng)砂石廠生產(chǎn);鋼纖維為剪切型波紋型,天津遠(yuǎn)大鋼鐵公司生產(chǎn);水為生活飲用水;聚羧酸鹽高效減水劑,襄陽(yáng)嘉源建材有限公司生產(chǎn)。
按文獻(xiàn)[8]方法計(jì)算再生混凝土配合比,在拌和的混凝土中均勻分布不同比例的鋼纖維,然后將鋼纖維混凝土澆注到試模中,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,然后將石蠟涂抹于試件表面,通過(guò)碳化試驗(yàn)箱對(duì)其進(jìn)行碳化試驗(yàn),并測(cè)試不同碳化齡期的碳化深度。碳化試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×350 mm的棱柱體試件,試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期時(shí)開(kāi)始進(jìn)行碳化試驗(yàn),測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下的3 d、7 d、14 d和28 d時(shí)的碳化深度。
選定鋼纖維體積率、再生粗骨料取代率、水膠比作為配合比試驗(yàn)中的影響參數(shù),對(duì)不同因素條件下混凝土強(qiáng)度及工作性能進(jìn)行研究。每個(gè)參數(shù)選取3個(gè)水平,根據(jù)正交試驗(yàn)方法,得到9組不同的配合比的鋼纖維再生混凝土立方體試塊,測(cè)定試件的塌落度、抗劈拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度。鋼纖維再生混凝土正交試驗(yàn)方案如表1所示。
表1 鋼纖維再生混凝土正交試驗(yàn)方案Table 1 Orthogonal test scheme of steel fiber recycled concrete因素水膠比(A)再生骨料取代率(B)/%鋼纖維體積率(C)/%10.40020.46501.230.541001.8
3種不同水平條件下各因素對(duì)塌落度的影響,如圖1所示,主要由于單方用水量保持不變,隨著水膠比的增大塌落度先增大后減??;水膠比較大時(shí),水泥漿量減小,導(dǎo)致塌落度隨著水膠比先增后減。隨著再生骨料取代率和鋼纖維體積率的增加塌落度不斷減小。
圖1 各因素對(duì)塌落度的影響Figure 1 Effects of various factors on collapse degree
各因素對(duì)塌落度的方差、極差分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2可知,再生骨料取代率的極差值最大達(dá)到18.22;鋼纖維體積率的極差值為13.27;水膠比的極差僅為4.95,表明單方用水量不變時(shí),水膠比對(duì)塌落度影響較小。隨著再生骨料取代率的增加,塌落度會(huì)迅速減小,在混凝土攪拌過(guò)程中再生骨料會(huì)吸取部分自由水,對(duì)其工作性能產(chǎn)生影響。隨鋼纖維體積率的增大試件的塌落度明顯減小,極差為13.27,F(xiàn)比值為18.41,主要由于提高鋼纖維的用量,降低了拌合物的流動(dòng)性。因此,為了提高鋼纖維再生混凝土的工作性能,對(duì)用水量計(jì)算時(shí)需同時(shí)考慮鋼纖維體積率與再生骨料取代率的影響。
表2 試件塌落度分析Table 2 Analysis of collapse degree of specimens因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)224.754.9549.502.97B2255.8218.22511.5330.49C2156.8213.27315.3318.41誤差28.323.2716.53—
3種不同水平時(shí)各因素對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響,如圖2所示??梢钥闯鲈黾铀z比,試件的劈拉強(qiáng)度明顯降低;隨鋼纖維體積率的增加,試件的劈拉強(qiáng)度有所提高;劈拉強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加先增加后減小。
圖2 各因素對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響Figure 2 Effects of various factors on splitting tensile strength
各因素對(duì)劈拉強(qiáng)度的方差、極差分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3可知,3種影響因素中,再生骨料的取代率對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響最小,極差僅為0.53;水膠比對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響次之,鋼纖維體積率對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響較為顯著,極差達(dá)到2.47。水灰比對(duì)劈拉強(qiáng)度影響的顯著程度明顯小于鋼纖維體積率,主要由于鋼纖維加入再生混凝土中阻裂增韌效果較好,有效阻止基體裂紋的擴(kuò)展,使再生混凝土的劈拉強(qiáng)度得到顯著提高。
表3 劈拉強(qiáng)度結(jié)果分析Table 3 Analysis of splitting tensile strength因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)21.141.182.296.69B20.240.530.481.40C24.582.479.1826.93誤差20.170.860.34—
3種不同水平條件下,各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示??梢钥闯鲈黾愉摾w維體積率,試件的抗壓強(qiáng)度基本保持不變;抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加先增加后下降;增加水膠比,試件的劈拉強(qiáng)度明顯降低;再生骨料取代率為50%時(shí),拌合物的密實(shí)性有所增加,混凝土粗骨料的顆粒級(jí)配更好,使得試件強(qiáng)度有較大程度的提高。改變鋼纖維體積率和水膠比,抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與鋼纖維天然混凝土比較接近。
圖3 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Figure 3 Effects of various factors on compressive strength
各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的方差、極差分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
由表4可知,鋼纖維體積率極差為1.32,F(xiàn)比值為0.13,對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最小;再生骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小,極差為4.21,F(xiàn)比值為1.13;水膠比極差最大為9.81,且F比值大于F0.1的臨界值,是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。
表4 試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析Table 4 Analysis of compressive strength of specimens因素自由度平方差平方和極差變方差平方和F比值A(chǔ)2129.209.81258.5910.99B213.384.2126.781.13C21.551.323.110.13誤差211.663.7323.33—
鋼纖維再生混凝土碳化性能受到鋼纖維、再生骨料的影響比較復(fù)雜。通過(guò)碳化試驗(yàn)分析鋼纖維體積率、再生骨料取代率、抗壓強(qiáng)度對(duì)抗碳化性能研究。不同配合比條件下鋼纖維再生混凝土材料性能指標(biāo),見(jiàn)表5。
表5 鋼纖維再生混凝土材料性能指標(biāo)Table 5 Performance indicators of steel fiber recycled con-crete material試件編號(hào)劈拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa塌落度/mmF1.2R50C304.8435.0556.56F1.2R50C455.6347.2759.59F1.2R50C606.7962.9262.62F1.2R0C455.6645.8564.64F1.2R30C455.5946.4658.58F1.2R100C455.4047.6753.53F0R50C452.8045.3565.65F0.6R50C454.1546.0662.62F1.8R50C457.0948.5855.55F2.4R50C457.6950.4049.49注:表5中試件編號(hào)以F1.2R50C45為例,表示鋼纖維體積率為1.2%,再生骨料取代率為50%,抗壓強(qiáng)度C45。
碳化深度隨抗壓強(qiáng)度的增加而減小,隨碳化時(shí)間的增加而增大。試件各齡期碳化深度試驗(yàn)值,見(jiàn)表6。
表6 試件不同碳化齡期試驗(yàn)值Table 6 Test values of different carbonation ages for speci-mens試件編號(hào)不同齡期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.7132.7133.9205.475F1.2R50C451.2972.1482.9114.079F1.2R50C600.9311.5052.1193.039F1.2R0C451.5152.1293.0004.029F1.2R30C451.3372.1482.8414.010F1.2R100C451.2081.9502.7823.901F0R50C451.4552.4063.0894.425F0.6R50C451.3662.0893.0204.277F1.8R50C451.1981.8222.5843.653F2.4R50C451.2571.9212.7233.851
不同抗壓強(qiáng)度條件下,鋼纖維再生混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。
由圖4可知,碳化齡期小于14 d時(shí),碳化深度隨碳化時(shí)間增加急劇增大;碳化齡期大于14 d時(shí),碳化深度趨勢(shì)逐漸變緩。在相同碳化時(shí)間條件下,隨著試件抗壓強(qiáng)度的增加碳化深度顯著減小。主要由于抗壓強(qiáng)度較大時(shí),水泥基體的密實(shí)度大幅度增加,進(jìn)而提高了試件的抗碳化能力。不同再生骨料取代率條件下,碳化時(shí)間對(duì)試件碳化深度的影響如圖5所示。
圖4 碳化深度隨碳化時(shí)間變化趨勢(shì)Figure 4 Trend of carbonization depth with carbonization time
圖5 碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系Figure 5 The relationship between carbonization depth and carbonization time
由圖5可知,隨著再生骨料取代率的增加,4條曲線變化趨勢(shì)基本相同,4組試件在碳化深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也基本一致,不同碳化時(shí)間處的碳化深度值也無(wú)明顯變化,表明試件的抗碳化能力與再生骨料取代率的關(guān)系并不明顯,主要由于4組試件的抗壓強(qiáng)度比較接近。不同鋼纖維體積率條件下,鋼纖維再生混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。
圖6 碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系Figure 6 The relationship between carbonization depth and carbonization time
由圖6可知,隨著鋼纖維體積率的增加,碳化深度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。鋼纖維體積率為2.4%時(shí),在混凝土基體與鋼纖維之間形成了薄弱粘結(jié)界面,容易造成纖維分布不均勻,導(dǎo)致鋼纖維再生混凝土的碳化深度有所增加。鋼纖維體積率為1.8%時(shí),鋼纖維再生混凝土的碳化深度最小,表明該條件下試件的抗碳化能力最強(qiáng)。由于試件的抗壓強(qiáng)度在45.35~50.40 MPa之間,當(dāng)適量鋼纖維摻入再生混凝土中,增強(qiáng)了混凝土基體的密實(shí)度。同時(shí),延遲了試件邊緣裂縫的出現(xiàn),對(duì)再生混凝土的碳化起到了抑制作用,降低了CO2的擴(kuò)散速度,碳化速率減緩。
圖7 碳化深度隨的變化關(guān)系Figure 7 The relationship between the depth of carbonization and its variation
由本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的碳化深度的線性回歸方程為:
(1)
式中:fcu為試件的立方體抗壓強(qiáng)度,MPa;t為碳化時(shí)間,d。
鋼纖維體積率在一定程度上會(huì)對(duì)碳化深度產(chǎn)生影響。由本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下經(jīng)驗(yàn)式:
R2=0.96
(2)
式中:xd為碳化深度,mm;Vf為鋼纖維體積,kg/m3。
根據(jù)公式(2)得到鋼纖維再生混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)值如表7所示,對(duì)比表6可知試件碳化深度的計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合度較高。
表7 試件不同碳化齡期實(shí)測(cè)值Table 7 Measured values of specimens with different carbonization ages試件編號(hào)不同齡期(d)的碳化深度/mm371428試件編號(hào)不同齡期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.802.753.895.50F1.2R100C451.332.022.864.06F1.2R50C451.342.042.894.08F 0R50C451.492.273.214.53F1.2R50C601.001.532.173.07F 0.6R50C451.412.153.044.30F1.2R0C451.382.112.974.21F1.8R50C451.291.962.773.92F1.2R30C451.362.082.944.16F2.4R50C451.241.892.683.79
通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)鋼纖維再生混凝土試件的配合比,并對(duì)試件的塌落度、抗壓和抗劈拉性能進(jìn)行研究。研究了再生混凝土強(qiáng)度、鋼纖維體積率、再生骨料取代率對(duì)鋼纖維再生混凝土碳化深度的影響,得出以下結(jié)論:
a.鋼纖維體積率對(duì)鋼纖維再生混凝土抗拉強(qiáng)度的影響比較明顯;再生骨料取代率、鋼纖維體積率是鋼纖維再生混凝土工作性能的主要影響因素;水膠比、再生骨料取代率是鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。
b.當(dāng)鋼纖維體積率相同、抗壓強(qiáng)度相近時(shí),再生骨料取代率對(duì)鋼纖維再生混凝土的抗碳化性能影響甚微;隨著抗壓強(qiáng)度的增加,鋼試件的抗碳化性能顯著增強(qiáng)。
c.當(dāng)鋼纖維體積率小于1.8%時(shí),隨著鋼纖維體積率的增加試件的抗碳化性能不斷提高;鋼纖維體積率高于1.8%時(shí),試件抗碳化性能隨著鋼纖維體積率的增加略有降低。