金寶宏，鄭傳磊，侯玉飛，王晉浩，趙亞娣，李淑翔

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)院, 銀川 750021)

0 引 言

石子(NCA)作為配置混凝土必不可少的材料，其儲量和質(zhì)量影響著城市建設(shè)和社會經(jīng)濟的發(fā)展。隨著城市建設(shè)腳步的加快，石子作為地球上的不可再生資源，被開采的數(shù)量逐年增多，盲目開采造成骨料資源枯竭和發(fā)生了一系列諸如山體滑坡、河床改道和泥石流等自然災(zāi)害問題。廢棄混凝土作為城市建設(shè)產(chǎn)生的建筑垃圾，目前除少數(shù)被用來墊地基以外，其余處理方式以垃圾場填埋和郊區(qū)露天堆放為主。為了保護環(huán)境和減少資源浪費，有必要研究將廢棄混凝土回收使用，制作成新混凝土的原材料。

廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分和分級等工序處理后得到的再生骨料，部分或全部替代砂石拌制成的再生混凝土，其性能弱于普通混凝土[1-3],但在某些對于強度要求較低的混凝土工程中，還是足夠使用。為了增大再生混凝土的應(yīng)用范圍，眾多學(xué)者對增強再生混凝土的性能做了大量研究工作[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)，通過摻入纖維對增強混凝土的性能具有顯著的作用，摻入不同的纖維對增強性能的表現(xiàn)形式不同，而合理的摻入兩種及以上纖維可以彌補單一纖維增強性能的局限性，有效發(fā)揮正混雜效應(yīng)，使混凝土的性能相比摻入單一纖維得到更大增強[7-9]。權(quán)長青[7]將不同摻量的聚丙烯纖維(PP)和鋼纖維(SF)摻入混凝土中，結(jié)果表明，混合纖維對增強混凝土力學(xué)性能的效果較為顯著。高丹盈[8]研究高溫狀態(tài)下PP-SF高強混凝土的抗爆裂能力和強度變化，結(jié)果表明，混合纖維相比單一纖維能有效抑制高強混凝土的高溫爆裂，有效增強高強混凝土在常溫時和高溫后的彎折強度。霍俊芳[9]研究PP-SF對再生混凝土抗凍性能的提升作用，結(jié)果表明，適量摻入PP-SF會增加混凝土的含氣量，改善孔結(jié)構(gòu)，增強抗凍性能，并且摻混合纖維的混凝土其抗凍性能明顯強于摻單一纖維的混凝土。

PP價格低廉，質(zhì)輕，延展性和耐久性好，具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，但其彈性模量和強度較低。SF雖然價格較貴，耐久性差于PP，但其彈性模量和強度高。將PP和SF混合摻入混凝土中得到的PP-SF混凝土的力學(xué)性能和工作性能優(yōu)異，且造價較為低廉。

目前國內(nèi)外關(guān)于PP-SF混凝土的研究較多[7-11]，而關(guān)于將PP-SF混合摻入再生混凝土中的研究較少。在本項研究中，筆者將PP-SF和再生粗骨料(RCA)摻入混凝土中用以制備PP-SF/RCA混凝土，研究PP體積分?jǐn)?shù)、SF體積分?jǐn)?shù)和RCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土力學(xué)性能的影響，應(yīng)用正交試驗法對PP-SF/RCA混凝土的力學(xué)性能進行全面的實驗與分析評估。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

實驗所用水泥為賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其初凝和終凝時間分別為142和198 min，3和28 d抗壓強度分別為28.2和48.7 MPa。粉煤灰為當(dāng)?shù)鼗痣姀S生產(chǎn)的Ⅰ級灰，其細度、比表面積、燒矢量和需水量比分別為5.1%(>45 μm)、510 m2·kg-1、1.83%和94%。砂為銀川市蘭山砂石廠人工水洗中砂，其表觀密度、堆積密度、空隙率、泥漿含量和細度模數(shù)分別為2 718、1 630 kg·m-3、40%、1.2%和2.94。減水劑為北京慕湖公司生產(chǎn)的HWR-S型聚羧酸系高效減水劑(粉劑)，減水率約為20%。水為銀川市城市自來水。PP為上海影佳公司產(chǎn)品，圖示見圖1(a)。SF為衡水普方公司產(chǎn)品，圖示見圖1(b)。NCA為銀川市蘭山砂石廠生產(chǎn)的碎石，圖示見圖1(c)。RCA為原始強度C30的路面板狀廢棄混凝土經(jīng)處理得到的碎石，圖示見圖1(d)。PP和SF主要性能參數(shù)見表1，NCA和RCA主要性能參數(shù)見表2。

圖1 PP、SF、NCA和RCA的外觀

表1 PP和SF主要性能參數(shù)

1.2 試驗方案設(shè)計

按照L16(45)正交表設(shè)計三因素四水平正交試驗, 設(shè)兩列空白列，設(shè)計強度C30。因素水平見表3，基準(zhǔn)混凝土配合比見表4。試驗時通過調(diào)整減水劑的用量使塌落度近似50 mm，經(jīng)過多次試拌，最終確定用水量為156 kg·m-3、水膠比為0.49、粉煤灰替代率為20%、砂率為37%和減水劑摻量為0.05%～0.6%。

表3 因素水平表

表4 基準(zhǔn)混凝土配合比(kg/m3)

1.3 混凝土試件制作

試驗共設(shè)計1個基準(zhǔn)組(J-0)和16個正交組(ZJ-1～16)，根據(jù)試驗需要，每組制作9個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和3個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，用于測試7 d抗壓強度和28 d抗壓、劈拉及彎折強度。

為使PP和SF在混凝土中均勻分布，攪拌時邊攪拌邊加PP和SF，并充分預(yù)留干拌時間。攪拌前使用干凈濕抹布擦拭攪拌機和塌落度桶內(nèi)壁，按照砂、水泥、粉煤灰、NCA、RCA、SF、PP的先后次序依次材料倒入攪拌機內(nèi)，干拌90 s；加入水和減水劑，攪拌90 s；攪拌結(jié)束后將混合物倒入塑料模具，在振動臺上振搗抹面，室溫靜置24 h后將試件脫模，再將試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護7和28 d。

2 實驗結(jié)果

2.1 混凝土試件破壞形態(tài)

2.1.1 抗壓強度試件破壞形態(tài)

圖2為試件的抗壓強度破壞形態(tài)。通過觀察試驗可知，ZJ-(1～16)在加載過程中的試驗現(xiàn)象與J-0類似，ZJ-(1～16)隨著纖維摻量的增加，試件表面裂縫出現(xiàn)的時間有所延后。試驗開始時，試件首先在中部和底邊角處產(chǎn)生微小裂紋；隨著荷載的增加，裂紋逐漸擴展成裂縫，并開始橫向膨脹，底邊角及中部表層混凝土出現(xiàn)開裂、剝落現(xiàn)象；在加載的后期，試件表面相鄰短裂紋開始貫通連結(jié)，試件內(nèi)部形成數(shù)條長裂縫；加載結(jié)束后，J-0側(cè)面破碎并發(fā)生整體剝落，表層混凝土剝落嚴(yán)重，如圖2(a)所示；ZJ-(1～16)由于摻入了一定量的PP和SF，雖然裂縫雖然比J-0多，但大多為小裂縫，且貫通式裂縫較少，如圖2(b)、(c)和(d)所示。試件的纖維體積分?jǐn)?shù)越高，底邊角及中部表層混凝土剝落越少，試件整體性越好。試件受到破壞時，PP和SF在混凝土中能起到橋接和應(yīng)力傳遞作用，能改善應(yīng)力分布，在裂縫處形成一道道連接，約束試件受壓時產(chǎn)生的橫向膨脹，有效遏制裂縫的進一步發(fā)展，繼而提高試件的抗壓強度。

圖2 抗壓強度破壞形態(tài)

2.1.2 劈拉強度試件破壞形態(tài)

圖3為試件的劈拉強度破壞形態(tài)。在劈拉破壞加載的前期，試件處于彈性階段；隨著荷載的增加，試件首先在兩端墊條處產(chǎn)生裂紋，并逐漸向試件中部擴大，最終伴隨著“嘣”地一聲，試件被劈裂。J-0脆性較大，在達到破壞荷載后，試件被直接劈成兩半，其斷裂面呈現(xiàn)“Ⅰ”型，如圖3(a)所示。ZJ-(1～16)在被劈裂時的響聲相較J-0較為沉悶，相較J-0沒有被劈成兩半，試件表面大都呈現(xiàn)出一條較粗長裂縫和數(shù)條較細短裂縫，仔細觀察裂縫可以看到試件內(nèi)部仍有部分纖維連接，如圖3(b)、(c)和(d)所示。

圖3 劈拉強度破壞形態(tài)

2.1.3 彎折強度試件破壞形態(tài)

圖4為試件的彎折強度破壞形態(tài)。彎折破壞加載前期試件無明顯形變，隨著荷載的增加，伴隨著“嘣”地一聲，試件瞬間被折斷。J-0最終被折成兩段，而ZJ-(1～16)由于加入了PP和SF，韌性有所增強，試件下端仍有部分連接，如圖4(a)和(c)所示。觀察J-0的破壞面可見斷裂面較為平整，既有骨料與砂漿界面間的黏結(jié)破壞，也有再生骨料被劈開，為明顯的脆性斷裂現(xiàn)象，如圖4(b)所示。圖4(d)中試件斷裂面凹凸不平，隨機分布著形態(tài)各異的PP和SF。

圖4 彎折強度破壞形態(tài)

2.2 混凝土力學(xué)性能

表5是J-0和ZJ-(1～16)的正交試驗結(jié)果。從表5可以看出，ZJ-(1～16)的力學(xué)性能均大于J-0，7 d抗壓強度ZJ-2最大，28 d抗壓強度ZJ-4最大，劈拉強度ZJ-3最大，彎折強度ZJ-16最大，較J-0分別提高41.9%、23.0%、59.1%和28.9%。通過對正交試驗結(jié)果進行分析，得到VP、VS和RR三因素關(guān)于7 d抗壓強度和28 d抗壓、劈拉及彎折強度的極差與方差分析結(jié)果如表6和7所示。表6中7 d抗壓強度的極差小于空白列(D)的極差，其試驗結(jié)果存在可行度不足；28 d抗壓、劈拉及彎折強度的極差均大于空白列的極差，試驗結(jié)果可信[12]。圖2是VP、VS和RR三因素對PP-SF/RCA混凝土7 d抗壓和28 d抗壓、劈拉及彎折強度的影響圖。

表5 J-0和ZJ-(1～16)正交試驗結(jié)果

表6 極差分析

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 抗壓強度

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強度的影響次序為：VP(6.2 MPa)>VS(2.5 MPa)>RR(2.1 MPa)。表7中三因素對PP-SF/RCA混凝土7 d抗壓強度的影響均不顯著；VP和RR對于28 d抗壓強度影響特別顯著，VS有一定影響。

表7 方差分析

在圖5(a)和(b)中，除在B2和B3兩點強度變化趨勢不同，整體上PP-SF/RCA混凝土在7和28 d齡期時的抗壓強度隨VP、VS和RR的變化趨勢相同。由圖5(b)可知，隨著VP的增加，PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強度呈現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢，變化范圍為13%。當(dāng)纖維的摻量超過一定水平后，彈性模量較小的PP易相互重疊而相互干擾，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，使纖維與基體的接觸表面積減少，降低纖維的有效利用率，在宏觀上表現(xiàn)為增強作用減小[13-14]。VS對PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強度改善不大，強度隨摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的過程，變化區(qū)間在6%之內(nèi)。過高摻量的SF不利于其在混凝土中充分分散，也會使混凝土不易振搗密實，內(nèi)部出現(xiàn)空隙，致使強度降低。VP和VS過高的摻量也會導(dǎo)致PP-SF/RCA混凝土出現(xiàn)負混雜效應(yīng)，從而導(dǎo)致強度下降。

圖5 三因素對混凝土7 d抗壓強度(a)和28 d抗壓(b)、劈拉(c)及彎折強度(d)的影響

在圖5(b)中，隨著RR的增加，PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強度呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，變化范圍為5%。在攪拌再生混凝土的過程中RCA存在高吸水現(xiàn)象，使混凝土的實際水膠比降低，抗壓強度得到增強[15]。隨著RR的增加，再生骨料品質(zhì)劣勢的缺陷逐漸暴露出來，使得強度增長隨摻量的增加而逐漸放緩。

2.3.2 劈拉強度

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土劈拉強度的影響次序為：VS(0.56 MPa)>VP(0.49 MPa)>RR(0.41 MPa)。表7中因素VS對PP-SF/RCA混凝土劈拉強度影響顯著，VP和RR有一定影響。

從圖5(c)可以看出，VP摻量從0.8%增至2.0%，劈拉強度持續(xù)增加了20%；VP摻量從0.04%增至0.16%，劈拉強度先降低后增加，整體上呈現(xiàn)強度增加了8%。高彈模的SF主要依靠其自身與基體間的粘結(jié)力和機械咬合力來發(fā)揮橋接作用。當(dāng)混凝土承受荷載作用而產(chǎn)生較小微裂縫時，此階段PP-SF/RCA混凝土的應(yīng)力主要由彈性模量較大的SF承擔(dān)；隨著承受荷載的增多，裂縫逐漸擴大，SF承受的應(yīng)力也隨之增多，與此同時，低彈模的PP在發(fā)生大的變形后開始發(fā)揮增韌作用；PP-SF/RCA混凝土劈拉強度的顯著提高體現(xiàn)了PP-SF混雜的良好增強效應(yīng)，不同性質(zhì)的PP和SF混雜摻入混凝土中可使纖維在混凝土承受荷載時逐級阻裂，從而增強混凝土的強度。

RR對劈拉強度的影響呈現(xiàn)先先增加后減少的趨勢，變化范圍為15%。RR<40%時，再生骨料的高吸水現(xiàn)象使得PP-SF/RCA混凝土劈拉強度增大；當(dāng)RR超過40%后，再生骨料品質(zhì)劣勢造成的劈拉強度下降開始大于實際水膠比降低帶來的劈拉強度增長，使得劈拉強度逐步開始下降。

若僅考慮劈拉強度，最佳配合比為：0.16%的VP、2.0%的VS、40%的RR。

2.3.3 彎折強度

23例患者中男10例，女13例；年齡12 ～ 47歲，平均25.6歲；特發(fā)性脊柱側(cè)后凸畸形9例，先天性脊柱側(cè)后凸畸形14例，側(cè)凸及后凸頂椎均位于同一節(jié)段。側(cè)凸Cobb角均＞ 80°，bending位矯正率均＜ 25%且/或后凸Cobb角＞ 60°［3］。

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土彎折強度的影響次序為：VS(0.58 MPa)>VP(0.37 MPa)>RR(0.33 MPa)。表7中因素VS和RR對PP-SF/RCA混凝土彎折強度影響顯著，VP沒有影響。

VP和VS對彎折強度的影響和劈拉強度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，整體上呈現(xiàn)強度變化了-2%和11%。隨著RR的增加，PP-SF/RCA混凝土彎折強度呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。RR從20%增至80%分別降低了5%、6%和4%。

若僅考慮彎折強度，最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、20%的RR。

2.4 功效系數(shù)法分析

功效系數(shù)法可對多個目標(biāo)問題進行綜合評價。從2.3試驗數(shù)據(jù)分析可知，VS、VP和RR對PP-SF/RCA混凝土抗壓、劈拉和彎折強度的影響程度不同，無法確定PP-SF/RCA混凝土的最佳配合比，故引入功效系數(shù)法。將表5中28 d抗壓、劈拉和彎折強度的最大和最小值作為功效系數(shù)法評價體系的滿意和不滿意值[16]，列于表8。

表8 滿意值和不滿意值

功效系數(shù)值計算公式見公式(1)：

(1)

式中：d1、d2和d3分別代表28 d抗壓、劈拉和彎折強度的功效系數(shù)值。

將表5數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到的功效系數(shù)值計算結(jié)果見表9。由表9可知，ZJ-4的∑di最大，為281.59。因而綜合考慮抗壓、劈拉和彎折強度3個指標(biāo)，建議最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、80%的RR。

表9 功效系數(shù)值計算結(jié)果

3 PP-SF/RCA混凝土強度預(yù)測模型

引用復(fù)合材料力學(xué)理論[17]，假設(shè)PP-SF/RCA混凝土的強度由基體強度、PP增強項、BF增強項和RCA增強項共同組成。假定強度預(yù)測模型見公式(2)：

f=α0+α1x1+α2x2+α3x3+φ

(2)

式中：f為混凝土強度；α0為基體強度；α1、α2、α3為回歸系數(shù)；x1、x2、x3分別代表VP、VS和RR；為試驗參數(shù)。

將表5數(shù)據(jù)代入預(yù)測模型公式(2)中，通過最小二乘法估計，得出PP-SF/RCA混凝土的28 d抗壓、劈拉和彎折強度的預(yù)測模型見公式(3)、(4)和(5)：

fcu=44.36522-4217.11957x1+171.60326x2+5.19076x3(R2=0.5981)

(3)

fts=2.10283+105.25815x1+45.06114x2+0.29552x3(R2=0.5501)

(4)

ff=4.75804+23.76359x1+55.7269x2-0.26247x3(R2=0.6656)

(5)

式中：fcu、fts和ff分別代表28 d抗壓、劈拉及彎折強度；R2為決定系數(shù)。

從公式(3)、(4)和(5)可以看出，3個公式的決定系數(shù)均較低，為0.6左右，離散性較大。圖6為根據(jù)公式(3)、(4)和(5)進行強度預(yù)測得到的PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實測值的對比圖。從圖3可以看出，28 d抗壓強度在J-0、ZJ-2、ZJ-5和ZJ-6的相對誤差較大，均大于±5.5%；28 d劈拉強度在ZJ-3、ZJ-5、ZJ-6、ZJ-9、ZJ-10和ZJ-11的相對誤差較大，均大于±11.1%；28 d彎折強度在ZJ-2、ZJ-5、ZJ-8、ZJ-11和ZJ-12的相對誤差較大，均大于±5.3%。預(yù)測結(jié)果與實際值相對誤差較大，表明模型精度較低，據(jù)推測可能與纖維混雜效應(yīng)有關(guān)[18]。

圖6 PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實測值對比

為精確的預(yù)測混凝土的強度，基于纖維混雜效應(yīng)理論[18]定義新的強度預(yù)測模型見公式(6)：

(6)

式中：α4、α5為回歸系數(shù)。

得出PP-SF/RCA混凝土的28 d抗壓、劈拉和彎折強度的新預(yù)測模型見公式(7)、(8)和(9)：

(7)

(8)

(9)

根據(jù)公式(7)、(8)和(9)得到的新的PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實測值的對比如圖7所示。從圖7可以看出，實測值和預(yù)測值吻合較好，表明新建立的強度模型精度較高。

圖7 PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能新預(yù)測值與實測值對比

4 結(jié) 論

(1)PP-SF/RCA混凝土的7 d抗壓強度、28 d抗壓、劈拉及彎折強度均大于基準(zhǔn)組,較基準(zhǔn)組最大增幅分別為41.9%、23.0%、59.1%和28.9%。

(2)7和28 d抗壓強度隨VP、VS和RR的變化趨勢相似，但7 d抗壓強度的方差分析結(jié)果不顯著，據(jù)推測原因為7 d齡期時混凝土水化反應(yīng)不完全，此時混凝土內(nèi)部各成分之間連接不緊密。

(3)對于28 d抗壓強度，VP和RR為特別顯著因素，若僅考慮抗壓強度，最佳配合比為：0.04%的VP、1.2%的VS、80%的RR；對于28 d劈拉強度，VS為顯著因素，若僅考慮劈拉強度，最佳配合比為：0.16%的VP、2.0%的VS、40%的RR；對于28 d彎折強度，VS和RR為顯著因素，若僅考慮彎折強度，最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、20%的RR。

(4)采用功效系數(shù)法對28 d抗壓、劈拉及彎折強度試驗結(jié)果進行綜合評價，建議最佳配合比為0.04%的VP、2.0%的VS、80%的RR。

(5)引用纖維混雜效應(yīng)理論建立的28 d抗壓、劈拉及彎折強度預(yù)測模型精度較高。