鄭傳磊，王晉浩，金寶宏,2，周素蓉，李淑翔，趙亞娣

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

0 引 言

當前，中國商品混凝土年用量約為4×109t[1]。配置4×109t混凝土需要使用石子(1.8～2.2)×109t，砂1.2×109t左右。中國在經過大量基礎工程建設后，國內砂石資源無論從儲量、質量還是可持續(xù)發(fā)展角度來看，都不能滿足當今工程建設需要[2]。為解決建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展與砂石資源短缺之間的矛盾，為砂石尋找新的替代物是當前需要解決的問題之一。

廢棄混凝土經破碎、篩分等工序處理制成的再生骨料可以應用于拌制再生混凝土，由于再生骨料品質較差，再生混凝土的基本性能均弱于普通混凝土[3-5]。為增強再生混凝土的性能，使其盡可能最大限度的滿足生產建設需要，可對再生混凝土進行強化處理。常見強化處理方式有摻加纖維、改性及改變礦物摻和料摻量等[6-8]。Oliver[6]對鋼纖維在再生混凝土中的分布進行了研究，研究發(fā)現，鋼纖維在混凝土中的摻量、分布及角度等都將影響力學性能。曹鑫鋮[7]使用水泥漿對再生骨料進行包漿改性處理，利用水泥和粉煤灰水化反應生成的C-S-H和C-A-H等物質修補再生骨料的孔隙裂縫，改善骨料品質，從而實現從根本上縮小再生混凝土與普通混凝土在基本性能上的差異。李恒[8]將不同摻量的粉煤灰和硅灰摻入再生混凝土中，結果表明，復摻粉煤灰和硅灰可顯著增強再生混凝土的力學性能。

隨著中國經濟的發(fā)展，國內鋼鐵產量逐年遞增，同時也產生了數量巨大的廢料鋼渣。根據相關數據統(tǒng)計，煉鋼時鋼渣產生量占據粗鋼的14%～20%[9]。相關研究表明，鋼渣具有強度高、耐磨性好、表面粗糙多棱角等特點[10-11]，如能將鋼渣使用在混凝土中將對混凝土的性能起到良好的增強作用[12-14]。

本文將鋼渣砂和再生粗骨料作為砂石的替代物，并為增強混凝土的性能引用微波加熱改性工藝及摻入一定量的聚丙烯纖維，按照自密實混凝土進行配合比設計，通過設計四因素四水平正交試驗詳細分析微波加熱改性次數、再生粗骨料替代率、鋼渣砂替代率及聚丙烯纖維摻量對自密實混凝土力學性能發(fā)展趨勢的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

水泥為寧夏賽馬牌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。粉煤灰為寧夏錦泰公司生產的Ⅰ級灰，細度、比表面積、燒矢量和需水量比分別為5.1(>45 μm)、510 m2/kg、1.83%和94%。減水劑為北京慕湖公司產品，減水率約為20%。試驗用水為城市自來水。

石子為銀川市蘭山砂石廠生產的碎石，粒徑5～20 mm。砂為銀川市蘭山砂石廠人工水洗中砂。鋼渣砂為銀川市附近鋼鐵廠的顆粒狀鋼渣廢料。再生粗骨料為C30強度的廢棄路面板混凝土經處理得到的碎石，粒徑5～20 mm。聚丙烯纖維為上海影佳公司產品，纖維外觀為Y型束裝單絲纖維，長度為9 mm，直徑為20 μm，密度為900 kg/m3，抗裂強度為400 MPa。粗細骨料和聚丙烯纖維外觀如圖1所示。

圖1 粗細骨料和聚丙烯纖維

1.2 微波加熱改性再生粗骨料

再生骨料由于界面過渡區(qū)附著大量舊水泥砂漿，導致其與混凝土其他成分之間的粘結力較弱。眾多國內外學者的研究表明，再生骨料與混凝土其它成分之間的粘結力強弱是影響再生混凝土性能強弱的重要因素，因而減少再生骨料舊砂漿的含量對增強再生混凝土的性能具有非常顯著的作用[15-17]。

涼州區(qū)水利工程質量監(jiān)督與安全管理站代表政府行使質量監(jiān)督責任，由于專職質量監(jiān)督人員少，而工程面廣分散，導致對質量監(jiān)督工作深入程度不夠，在一定程度上削弱了質量監(jiān)督的規(guī)范化管理；同時，由于檢測儀器和設備配置不足，也給質量監(jiān)督工作帶來了一定困難。

本試驗在攪拌混凝土之前對再生粗骨料進行微波加熱改性處理，以期減少再生粗骨料界面過渡區(qū)舊砂漿的含量，提高再生粗骨料的品質，最終實現增強再生混凝土力學性能的目的。測得粗骨料基本特征如表1所示。

表2 粗骨料基本特性

石子和砂漿均為介電材料，但兩者的電磁特性存在較大不同。當再生骨料受到微波瞬時加熱時，表面砂漿的溫度將迅速升高，而內部石子升溫較慢，從而使石子表面產生一定的內外溫度應力差。在高溫狀態(tài)下，砂漿中的C-S-H凝膠會大量脫水，Ca(OH)2也會分解成穩(wěn)定性較弱的CaO，此時砂漿強度較弱，當受到內外溫度應力差作用時容易從石子表面破碎脫落。將加熱后的再生骨料置于水中晃動冷卻時，砂漿由于降溫迅速，在石子表面會產生二次內外溫度應力差，從而加速砂漿的脫落。

試驗使用的微波加熱改性儀器是家用機械式微波爐，微波功率700 W。試驗流程參見參考文獻[18-20]，具體實施流程如下所示：

(1)將浸水后的再生粗骨料用微波爐專用塑料盒盛著放入微波爐，加熱5 min；

(2)加熱結束后，將骨料取出，置于網眼密集的篩網內浸水晃動冷卻1 min；

(3)重復步驟(1)和(2)至設計次數后，將骨料置于陰涼處晾36 h左右，盡快用于拌制混凝土。

1.3 浸水處理鋼渣砂

由于考慮到鋼渣砂內部的游離MgO、CaO和RO相等活性物質與水接觸時，發(fā)生水化反應使鋼渣砂體積發(fā)生膨脹，導致混凝土發(fā)生破壞性開裂，影響使用鋼渣的混凝土建筑的穩(wěn)定性及使用壽命，試驗前對鋼渣砂進行為期14 d的浸水陳化處理，以期減少鋼渣砂膨脹對混凝土造成的破壞性作用[21]。鋼渣砂浸水14 d后，晾于陰涼處36 h左右，盡快用于拌制混凝土。測得細骨料基本特征如表2所示。

表2 細骨料基本特性

1.4 試驗方案設計

按照自密實混凝土設計配合比，設計強度C30，設計填充性能SF3級[22]。采用L16(45)正交表設計試驗，具體因素水平見表3所示，表4為基準自密實混凝土配合比。經過多次試拌，最終確定用水量為202 kg/m3、水膠比為0.41、粉煤灰替代率為25%、砂率49%、減水劑摻量為0.05%～0.20%。再生粗骨料和鋼渣砂按等質量替代石子和砂, 聚丙烯纖維按體積分數摻入。共設計16組試驗，每組試驗制作6個100 mm×100 mm×100 mm和3個100 mm×100 mm×400 mm尺寸的試件，用來測試混凝土的抗壓、劈拉及彎折強度。

表3 正交試驗因素水平表

表4 基準自密實混凝土配合比/kg·m-3

1.5 混凝土試件制作

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果與分析

混凝土的正交試驗結果如表5所示。通過對試驗結果進行分析，得到四因素對混凝土壓拉折的極差及方差分析結果如表6和7所示。表6中四因素對混凝土壓拉折的極差均大于空白列的極差，故試驗結果可信[23]。圖2為四因素對混凝土壓拉折的影響圖。

表5 正交試驗結果

表6 極差分析

圖2 各因素對混凝土抗壓(a)、劈拉(b)及彎折強度(c)的影響

2.1.1 混凝土抗壓強度

從表6極差分析表可以看出，四因素對混凝土抗壓強度的影響次序為：鋼渣砂替代率>再生粗骨料替代率>微波加熱改性次數>聚丙烯纖維摻量，其中鋼渣砂和再生粗骨料替代率對抗壓強度帶來的變化最為明顯。從表7方差分析表可以看出，鋼渣砂替代率對抗壓強度帶來的影響最為顯著，再生粗骨料替代率次之，微波加熱改性次數和聚丙烯纖維摻量是非顯著因素，該分析結果與極差分析表一致。

表7 方差分析

由圖2(a)可以看出，隨著鋼渣砂替代率的增加，混凝土抗壓強度持續(xù)增大，鋼渣砂替代率從0增至45%，抗壓強度提高9.44%，說明適當使用鋼渣砂替代天然砂可以增強混凝土的抗壓強度。鋼渣砂同天然砂相比孔隙率較小，界面過度區(qū)更粗糙，摻入混凝土中能顯著改善混凝土的界面結構，增強混凝土的強度[24]。

在圖2(a)中，隨著再生粗骨料替代率的增大，抗壓強度呈現出先減小后增加的變化規(guī)律，其中在50%替代率時抗壓強度出現最低值。再生骨料自身品質不如天然骨料，吸水率及壓碎指標大于天然骨料，其表面和內部都存在著較多微裂縫。當再生混凝土受到外力作用時，易從再生骨料界面過渡區(qū)或直接貫穿骨料產生裂縫，導致其強度較低[15-17]。再生粗骨料替代率從50%增至70%時，混凝土強度有一個增長的過程，主要原因有：(1)再生骨料吸水率較大，再生骨料大量吸水致使混凝土實際水膠比降低，根據其他學者的研究表明，水膠比是影響混凝土強度的最重要因素之一，水膠比越小則混凝土強度越大[25-26]，70%替代率時水膠比降低帶來的強度增強大于再生骨料品質劣勢造成的強度減弱，讓混凝土強度得到增長；(2)本試驗使用的粉煤灰摻量較高，且為Ⅰ級灰，研究表明較細粉煤灰的摻入對再生骨料的孔隙及裂縫存在一定修復作用，從而使混凝土強度得到一定增長[27]；(3)微波加熱改性去除了再生骨料表面部分舊砂漿，改善了再生骨料界面過渡區(qū)狀況，提升了再生骨料的品質；(4)再生骨料相較天然骨料，其表面更加粗糙，能與混凝土其它成分之間產生更大的粘結力，從而使混凝土強度得到增強[28]。

由圖2(a)可知，微波加熱改性次數和摻入聚丙烯纖維可以增強混凝土抗壓強度，但是效果不顯著。隨著微波加熱改性次數的增加，混凝土抗壓強度得到一定增強?？紤]到微波加熱改性對提升再生混凝土強度效果不顯著和實施工序耗時費力等原因，微波加熱改性次數將立足于工業(yè)化生產的現實問題，綜合衡量得出最佳改性次數。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度先增長后減小，在摻量為0.10%時達到峰值，摻量為0.15%時抗壓強度降低，整體變化區(qū)間在5%以內。當聚丙烯纖維摻量<0.10%時，聚丙烯纖維能在混凝土中較均勻分布，形成穩(wěn)固的空間網狀結構，當受到外力作用時能延緩裂縫的產生，從而使結構更加穩(wěn)固，在宏觀上表現為強度的增加。當摻量>0.10%時，過多的聚丙烯纖維在攪拌時較難均勻分散，容易出現結團現象。結團狀態(tài)下水泥漿液無法充分的包裹纖維，此時混凝土內部易產生應力集中點，從而降低纖維的有效利用率，使得抗壓強度不升反降[29-30]。

對于抗壓強度，最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率，30%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.1.2 混凝土劈拉強度

由表6和7可知，四因素對混凝土劈拉強度的影響次序為：鋼渣砂替代率>再生粗骨料替代率>聚丙烯纖維摻量>微波加熱改性次數，鋼渣砂和再生粗骨料替代率對混凝土劈拉強度有影響，聚丙烯纖維摻量和微波循環(huán)次數影響較小。

由圖2(b)可以看出，鋼渣砂替代率從0增至45%，劈拉強度持續(xù)增加8.43%，說明使用鋼渣砂替代部分天然砂可以增強混凝土劈拉強度。再生粗骨料替代率對劈拉強度的影響和抗壓強度情況類似，都呈現先減小后增加的趨勢。再生粗骨料替代率為50%時劈拉強度最低，強度變化區(qū)間在8.39%以內。摻入聚丙烯纖維和微波加熱改性對增強劈拉強度有一定的作用，但增強作用沒有鋼渣砂和再生粗骨料明顯。

對于劈拉強度，最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率，45%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.1.3 混凝土彎折強度

由表6和7可知，四因素對混凝土彎折強度的影響次序為：鋼渣砂替代率>再生粗骨料替代率>聚丙烯纖維摻量>微波加熱改性次數，鋼渣砂替代率對混凝土彎折強度有影響，再生粗骨料替代率、聚丙烯纖維摻量和微波循環(huán)次數影響較小。

由圖2(c)可以看出，鋼渣砂替代率從0增至45%，彎折強度持續(xù)增加13.33%；再生粗骨料替代率增加，彎折強度先減小后增大，變化區(qū)間在9.69%以內；聚丙烯纖維的摻入對增強彎折強度有促進作用，但當摻量超過0.10%彎折強度降低；微波加熱改性對提升混凝土彎折強度有增強作用，但增強作用較小。

對于彎折強度，最佳配合比為10次微波加熱改性、30%再生粗骨料替代率，45%鋼渣砂替代率，0.10%聚丙烯纖維摻量。

2.2 力學性能指標換算關系分析

根據試驗結果提出劈拉和彎折強度與抗壓強度的新關系式6和11。關系式見表8，繪制關系圖如圖3所示。

表3 力學性能指標換算關系

圖3 混凝土劈裂抗拉(a)和彎折強度(b)與抗壓強度的關系曲線

從圖3(a)可以看出，式(1)、(2)、(3)和(4)計算的混凝土劈拉強度大于本文混凝土強度，式(5)的計算強度接近本文混凝土強度，但也略微偏小。圖3(b)中式(10)彎折強度偏大，式(9)強度偏小，式(7)和(8)中彎折強度與抗壓強度的變化趨勢存在較大差異。本文提出的式(6)和(11)與試驗結果較吻合，可以用來計算自密實混凝土的劈拉和彎折強度。

3 結 論

(1)由正交試驗結果分析可知，鋼渣砂替代率對抗壓、劈拉和彎折強度影響顯著，再生粗骨料替代率對抗壓、劈拉影響顯著，微波加熱改性次數和聚丙烯纖維摻量對自密實再生混凝土強度影響較小。利用綜合平衡法可得最佳配合比為10次微波加熱改性、70%再生粗骨料替代率、45%鋼渣砂替代率和0.10%聚丙烯纖維摻量。

(2)微波加熱改性對提升再生骨料品質存在一定促進作用，但作用不顯著，且實施工序耗時費力，難以滿足工業(yè)化生產要求。

(3)參照普通混凝土力學性能之間的關系式，通過非線性回歸擬合得到新關系式與其他學者建立的關系式進行比較，本文提出的劈拉和彎折強度與抗壓強度的新關系式與試驗數據吻合較好，有一定參考價值。