元成方， 魏逸然， 李 爽

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518061)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，新建筑的施工和既有建筑的拆除過程都會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，同時也消耗著大量的自然資源，由此帶來了嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染問題。將建筑廢棄物中體量最大的混凝土和磚進(jìn)行資源化利用是解決這一問題的重要途徑。實(shí)際工程中，廢棄混凝土和廢磚通常以一定的比例共存，對二者進(jìn)行分揀具有一定難度，且增加了成本，這與再生骨料的廉價易得性相違背。因此，開展再生磚骨料及再生混凝土骨料的性能研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

較之普通混凝土，再生骨料混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性和力學(xué)性能都較差[3-5]。而將工程纖維摻入再生骨料混凝土后，其具有阻裂、增強(qiáng)、增韌的效果，是改善再生骨料混凝土自身性能的重要途徑[6-11]。其中，聚丙烯單絲纖維具有比重小、化學(xué)穩(wěn)定性高、分散性好且價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于此，本文基于聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)和X射線斷層掃描(XCT)試驗(yàn)，深入研究分析纖維對再生骨料混凝土受壓、受拉性能的影響規(guī)律與機(jī)理，豐富和發(fā)展再生混凝土有關(guān)研究和工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：河南孟電集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為369 m2/kg。細(xì)骨料：天然中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2.65 g/cm3。粗骨料：5～25 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2.72 g/cm3。外加劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%。拌合用水：普通自來水。某市城中村拆遷廢棄的建筑垃圾作為廢棄燒結(jié)磚來源。經(jīng)測定，廢棄燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度為MU10～MU25。用顎式破碎機(jī)將廢棄燒結(jié)磚破碎，再經(jīng)過篩分后得到粒徑為連續(xù)級配的再生磚骨料。廢棄混凝土來自某檢測站廢棄的強(qiáng)度為C30～C40的商品混凝土試塊，用顎式破碎機(jī)將廢棄混凝土破碎，再經(jīng)過篩分后得到粒徑為5～20 mm連續(xù)級配再生混凝土骨料。再生骨料的外觀形狀如圖1所示，材料技術(shù)參數(shù)見表1。采用的聚丙烯纖維為束狀單絲，纖維主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 再生骨料外觀形狀Figure 1 Recycled aggregate appearance

表1 再生骨料技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of recycled aggregate

1.2 配合比設(shè)計

再生骨料100%取代天然骨料，其中再生磚骨料和再生混凝土骨料的體積比為1∶1，聚丙烯纖維體積率分別為0、0.07%、0.10%、0.13%、0.20%。聚丙烯纖維再生骨料混凝土配合比(體積比，以水的體積為1)如表3所示。

表2 聚丙烯纖維的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of polypropylene fiber

表3 聚丙烯纖維再生骨料混凝土配合比Table 3 Polypropylene fiber recycled aggregate concrete mix proportion

1.3 混凝土制備

聚丙烯纖維再生骨料混凝土的制備依據(jù)CECS 13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]。采用干拌法制備混凝土，強(qiáng)制式攪拌，振動臺振實(shí)，以防止纖維結(jié)團(tuán)。振實(shí)成型后，抹平混凝土表面，24 h后脫模、編號，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定的方法進(jìn)行。立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，共4組，每組3塊，試驗(yàn)設(shè)備為YAW-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)；混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊，共4組，每組3塊，試驗(yàn)設(shè)備為WDW-100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞過程及形態(tài)分析

聚丙烯纖維再生骨料混凝土試件受荷破壞后的表面狀態(tài)和裂縫形態(tài)如圖2所示。當(dāng)混凝土基體受壓時，由于聚丙烯纖維的約束，受力裂縫的發(fā)展和延伸受到抑制，使得混凝土的變形能力有所提高，達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時，混凝土基體裂而不碎，試塊保持完整(見圖2)。

圖2 抗壓試驗(yàn)Figure 2 compressive test

在抗折試驗(yàn)中，加載初期，試件表面未見裂縫。隨著荷載的持續(xù)增加，試件跨中底面開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，細(xì)微裂縫開始沿試件側(cè)表面向上緩慢延伸并加寬，直至試件沿跨中折斷破壞，斷面可見被拔斷的纖維(見圖3)。

圖3 抗折試驗(yàn)Figure 3 Flexural test

在劈裂抗拉試驗(yàn)中，隨著荷載的不斷增大，微裂縫在試件側(cè)表面逐漸出現(xiàn)并向試件上下兩端延伸，試件中部逐漸形成一條垂直主裂縫及若干細(xì)小裂縫，直至主裂縫上下貫通(見圖4)。與未摻纖維的再生骨料混凝土相比，纖維再生骨料混凝土試件從出現(xiàn)微裂縫到裂縫增寬直至開裂破壞的持續(xù)時間更長，這表明纖維提高了再生骨料混凝土的受拉性能。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)時變化如圖5所示。

由圖5(a)可知，各組纖維再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律基本一致，即前期增長迅速，后期增長緩慢。聚丙烯纖維摻量對再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不顯著。纖維摻量為0.6 kg/m3時，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，而FR-9、FR-12、FR-18 3組纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別下降了6.4%、7.8%、16.0%。由圖5(b)可知，較之基準(zhǔn)混凝土，F(xiàn)R-6、FR-9、FR-12、FR-18 4組纖維混凝土28 d抗折強(qiáng)度分別提高了2.2%、8.89%、13.3%、4.44%。在本文的試驗(yàn)條件下，纖維摻量為1.2 kg/m3時，纖維對再生骨料混凝土彎拉性能的改善效果最佳，抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到5.1 MPa。由圖5(c)可知，聚丙烯纖維對再生骨料混凝土劈裂抗拉性能的提高效果較為顯著，4組纖維混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別增長了14.4%、19.2%、27.9%、15.7%。同樣，纖維摻量1.2 kg/m3時，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高最多，可達(dá)2.93 MPa。力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與試件的受荷破壞特征相吻合。

圖4 劈裂試驗(yàn)Figure 4 Split test

表4 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Concrete mechanical properties test results

圖5 力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)時變化Figure 5 Time-dependent changes in mechanical indicators

3 基于XCT試驗(yàn)的纖維作用機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)概況

混合再生骨料和纖維的摻入增加了混凝土成分的復(fù)雜性及力學(xué)性能的不確定性，其宏觀性能所呈現(xiàn)的特性正體現(xiàn)了其微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅從宏觀層次進(jìn)行測試分析并不充分。通過X射線斷層掃描(XCT)試驗(yàn)，可對纖維混凝土的組分進(jìn)行定量分析，從微觀層面闡釋聚丙烯纖維的作用機(jī)理。選取編號FR-18的試塊進(jìn)行鉆芯取樣，制得φ16 mm×16 mm的圓柱體試樣。采用美國Xradia公司Micro XCT-400型X射線三維重構(gòu)顯微鏡進(jìn)行測試分析。

3.2 XCT結(jié)果分析

采用X射線微型計算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Micro-XCT)對試樣進(jìn)行掃描，獲取試樣橫截面的一系列二維平面圖形，再利用Avizo圖形處理軟件進(jìn)行三維模型重構(gòu)，如圖6所示。

圖6 再生骨料混凝土XCT分析Figure 6 XCT analysis of recycled aggregate concrete

通過二維切片的灰度變化來分析試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組分，進(jìn)行成分分析、提取和三維重構(gòu)。試樣中再生磚骨料、再生混凝土骨料、聚丙烯纖維、孔隙的三維分布如圖7所示。

圖7 各組分的三維分布Figure 7 Three-dimensional distribution of each component

由圖7可知，聚丙烯纖維在水泥基體中分散良好，纖維相互交叉且亂向分散，無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，纖維、再生骨料、水泥基體形成了多相復(fù)合體。三維亂向均勻分布的纖維在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對再生骨料起支撐作用，在很大程度上阻止了混凝土拌合物的離析，減少了混凝土的表面泌水，從而抑制了再生骨料混凝土的塑性收縮和干燥收縮。此外，聚丙烯纖維在混凝土中具有微細(xì)筋的作用，它削弱了再生混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中及尖端效應(yīng)，在混凝土受荷開裂的過程中承受拉應(yīng)力，起到黏結(jié)作用，抑制了裂縫的發(fā)展。需要注意的是，纖維摻量的變化會引起纖維間距的改變，影響界面應(yīng)力的傳遞及微裂縫的發(fā)展變化，進(jìn)而影響再生混凝土的力學(xué)性能。此外，再生骨料中存在較多孔隙，纖維密集的區(qū)域，孔隙有所增加，這在一定程度上降低混凝土的密實(shí)度，影響混凝土的強(qiáng)度。聚丙烯纖維的作用機(jī)理較好地解釋了纖維摻量對再生混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

XCT分析結(jié)果表明:聚丙烯纖維對再生混凝土的力學(xué)性能具有正負(fù)兩方面的效應(yīng)，因此，在使用時需要考慮纖維的合理摻量，以獲得更加優(yōu)異的性能。

4 結(jié)論

基于聚丙烯纖維再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)和XCT試驗(yàn)，深入研究纖維對再生混凝土受壓、受拉性能的影響規(guī)律與機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)聚丙烯纖維摻量對再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不顯著，纖維摻量為0.6 kg/m3時，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，之后，隨著纖維摻量的增加，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低。

(2)聚丙烯纖維提高了再生骨料混凝土的受拉性能，纖維摻量為1.2 kg/m3時，纖維對再生骨料混凝土彎拉性能和劈裂抗拉性能的改善效果最佳。

(3)XCT分析結(jié)果表明，聚丙烯纖維對再生骨料混凝土的力學(xué)性能具有正負(fù)兩方面的效應(yīng)，因此，在使用時需要考慮纖維的合理摻量，以獲得更加優(yōu)異的性能。在本文試驗(yàn)條件下，聚丙烯纖維較為合理的摻量為0.6～1.2 kg/m3，在此范圍內(nèi)，再生骨料混凝土可獲得較好的力學(xué)性能。