關(guān)曉迪，馬 迪，魏歡歡，亢佳偉，雷天奇

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048;2.西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300;3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100;4.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋與建筑學(xué)院，陜西 渭南 714099)

在工程實(shí)踐中，再生混凝土的研究和使用較好地解決了建筑垃圾處理問題以及天然砂石資源短缺問題[1]，然而再生混凝土的骨料強(qiáng)度低、易破碎、耐久性差等特性限制了其在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，纖維均勻分布于混凝土內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以改善再生混凝土的力學(xué)性能，因此研究纖維再生混凝土力學(xué)性能及纖維增強(qiáng)再生混凝土的機(jī)理可以推進(jìn)再生混凝土的工程應(yīng)用。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對纖維再生混凝土的試驗(yàn)和理論研究方面研究較多。Feldman等[3]通過開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼纖維和聚丙烯纖維分別提高了改性混凝土極限強(qiáng)度、韌性。Banthia[4]通過將不同類型纖維混合加入普通強(qiáng)度混凝土中，研究了聚丙烯纖維對混凝土韌性的影響。孫家瑛[5]通過開展試驗(yàn)，研究了纖維混凝土的抗?jié)B性能，明晰了纖維對各齡期混凝土抗氯離子滲透性能及抗凍融循環(huán)耐久性能的影響。羅洪林等[6]、張悅[7]、雷江[8]通過研究聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用，探討了長徑比對聚丙烯混凝土的力學(xué)性能的影響。佟鈺等[9]通過開展試驗(yàn)，研究了聚丙烯纖維對水泥土的增強(qiáng)增韌作用，研究結(jié)果表明聚丙烯纖維明顯地提高水泥基材料的力學(xué)性能?？紫榍宓萚10-11]通過開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混雜纖維對再生混凝土的力學(xué)性能和抗沖擊性能呈現(xiàn)混雜增強(qiáng)效應(yīng)。周靜海等[12-14]通過研究廢棄纖維再生混凝土在不同再生骨料摻入量、纖維長度和水灰比條件下劈裂抗拉強(qiáng)度，得到了纖維顯著增強(qiáng)了再生混凝土的強(qiáng)度和韌性的結(jié)論。上述研究成果均有益地推進(jìn)了纖維再生混凝土試驗(yàn)和理論研究方面的發(fā)展。

值得注意的是，針對纖維種類對再生混凝土材料性能的影響，以及纖維直徑、長度和摻入量對再生混凝土力學(xué)性能的影響方面還缺乏系統(tǒng)的研究?；诖?，本文開展了不同纖維種類對再生混凝土材料力學(xué)性能的影響，以及采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)，分析了聚丙烯纖維直徑、纖維長度和質(zhì)量比對添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響。研究成果以期為纖維在再生混凝土中推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

該再生混凝土試驗(yàn)主要原料為廢磚塊、廢混凝土、水泥和不同纖維，其中廢磚塊和廢混凝土取自陜西省西安市鄠邑區(qū)余下鎮(zhèn)吳家堡村當(dāng)?shù)卮u廠提供廢磚塊和廢混凝土的破碎和篩分；水泥取自陜西省耀縣秦嶺牌P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，初凝時間130 min，終凝時間310 min，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為8.8、52.2 MPa，水泥主要化學(xué)組成見表1，顯然水泥的主要成分為堿性物質(zhì)，水解后會在混凝土中形成堿性環(huán)境；植物纖維和聚丙烯纖維在網(wǎng)上購置，見圖1，左一為植物纖維，中間為直聚丙烯纖維，右一為曲聚丙烯纖維，纖維基本性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)中，將廢磚塊中較粗的(粒徑5 ～15 mm)作為粗骨料，將廢混凝土中較細(xì)的(粒徑5 mm以下)作為細(xì)骨料，再生粗細(xì)骨料見圖2。

表1 水泥化學(xué)組成

圖1 植物纖維與聚丙烯纖維

表2 不同纖維基本性能參數(shù)

圖2 再生骨料

1.2 試樣制備

1.3 試驗(yàn)方案

首先通過控制再生混凝土材料中纖維的種類，對比分析了纖維種類對再生混凝土材料力學(xué)性能的影響，具體的材料組成見表3；然后采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)，考察3個影響因素：聚丙烯纖維直徑、纖維長度和纖維質(zhì)量比對添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響，試件編號及配合比結(jié)果見表4。試驗(yàn)測試每組試樣的力學(xué)性能，包括單軸抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，每種強(qiáng)度測試有3個試樣，取其均值作為強(qiáng)度值，分別測試其7、28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

表3 不同再生混凝土試樣的材料屬性

表4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同纖維再生混凝土的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1纖維種類對試樣的破壞形態(tài)影響分析

圖3為不同纖維再生混凝土試樣破壞形態(tài)。由圖可知：K1和K4試樣破壞程度較為嚴(yán)重，其中K1試樣邊緣破壞嚴(yán)重，K4試樣中心及下部破壞嚴(yán)重；K2和K3試樣出現(xiàn)延性破壞，試樣表面出現(xiàn)未貫通裂隙，但整體性較好，試樣基本上未發(fā)生脫落和破碎現(xiàn)象。這是由于植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土破壞，而曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土破壞。

圖3 不同纖維再生混凝土試樣破壞形態(tài)

2.1.2纖維種類對試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線影響分析

圖4為不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可知：養(yǎng)護(hù)7 d時，K2試樣的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均比K1試樣大，養(yǎng)護(hù)28 d時，K2與K1試樣的強(qiáng)度較為接近。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，植物纖維在再生混凝土中發(fā)揮的作用逐漸減?。煌瑫r在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)K3試樣的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均大于K1試樣，K4試樣均小于K1試樣。

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.1.3纖維種類對試樣強(qiáng)度影響分析

表5為不同纖維再生混凝土的試樣強(qiáng)度。由表可知：隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，不同纖維再生混凝土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加，且前者增加幅度大于后者，說明養(yǎng)護(hù)時間對試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響更明顯；養(yǎng)護(hù)7 d時，K2、K3試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均大于K1試樣，其中抗壓強(qiáng)度分別增大8.9%和22.8%，抗拉強(qiáng)度分別增大17.7%和21.0%，養(yǎng)護(hù)28 d時，K2試樣的抗壓、抗拉強(qiáng)度與K1試樣基本相等，K3試樣的抗壓和抗拉強(qiáng)度的增大幅度接近30%，K4試樣的抗壓和抗拉強(qiáng)度小于K1試樣。

表5 不同纖維再生混凝土的試樣強(qiáng)度

上述分析表明：直聚丙烯纖維增強(qiáng)了再生混凝土的力學(xué)性能，曲聚丙烯纖維削弱了力學(xué)性能，這可能是由于后者因?yàn)椴▌硬荒茌^好地與水泥漿體膠結(jié)，使得未膠結(jié)部位成為薄弱點(diǎn)；植物纖維養(yǎng)護(hù)初期增強(qiáng)了再生混凝土的力學(xué)性能，而養(yǎng)護(hù)后期增強(qiáng)作用逐漸消失，這是由于再生混凝土內(nèi)部是堿環(huán)境，植物纖維在堿環(huán)境中會不斷地受到腐蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)受到破壞。

——不管別人已經(jīng)做過多少研究，每個“點(diǎn)”自己都要動手摸一遍；若干年后將這些“點(diǎn)”串聯(lián)起來，便是“線”，是自己構(gòu)建的“自己的解釋體系”(歷史就是這樣由不同之人構(gòu)建的能夠“自圓其說”的解釋體系).

2.2 聚丙烯纖維再生混凝土的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1聚丙烯纖維物理特性對試驗(yàn)結(jié)果影響分析

表6為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度。由表可知：Z3試樣的力學(xué)性能最好，28 d抗壓強(qiáng)度僅次于Z9試樣，28 d抗拉強(qiáng)度僅次于Z5、Z7試樣，表明聚丙烯纖維直徑為0.2 mm，長度為40 mm，摻入質(zhì)量比為0.3%時性能較好。

表6 聚丙烯纖維物理特性對再生混凝土強(qiáng)度的影響 單位：MPa

2.2.2纖維物理特性對抗壓強(qiáng)度的極差分析

表7為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗壓強(qiáng)度P的極差分析。由表可知：養(yǎng)護(hù)7 d時，纖維長度對抗壓強(qiáng)度的影響最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小，養(yǎng)護(hù)28 d時，摻入質(zhì)量比對抗壓強(qiáng)度的影響最大，纖維長度次之，纖維直徑最??；且養(yǎng)護(hù)7 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.2、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.1%時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，養(yǎng)護(hù)28 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為1、20 mm，摻入質(zhì)量比為0.1%時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

表7 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的極差分析

2.2.3纖維物理特性對抗拉強(qiáng)度的極差分析

表8為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗拉強(qiáng)度T的極差分析。由表可知：養(yǎng)護(hù)7 d時，摻入質(zhì)量比對抗拉強(qiáng)度的影響最大，纖維直徑次之，纖維長度最小，養(yǎng)護(hù)28 d時，纖維長度對抗拉強(qiáng)度的影響最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小，表明隨著凝結(jié)硬化愈加充分，纖維長度對于抗拉強(qiáng)度的改善作用愈加明顯；且養(yǎng)護(hù)7 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.5、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.6%時，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，養(yǎng)護(hù)28 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.2 、40.0 mm，摻入質(zhì)量比為0.3%時，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。

表8 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗拉強(qiáng)度的極差分析

2.2.4纖維物理特性對試樣強(qiáng)度的方差分析

表9為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度的方差分析。由表可知：聚丙烯纖維質(zhì)量比對抗壓和抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，纖維長度對抗拉強(qiáng)度影響顯著，纖維直徑僅對抗拉強(qiáng)度有影響。對于抗壓強(qiáng)度，質(zhì)量比的影響程度最大，長度次之，直徑最小，對于抗拉強(qiáng)度，長度的影響程度最大，質(zhì)量比次之，直徑最小，這與極差分析的結(jié)果相吻合。表明聚丙烯纖維質(zhì)量比和長度是影響再生混凝土材料強(qiáng)度的重要因素。

表9 不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強(qiáng)度的方差分析

3 結(jié)論

a)植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土的破壞，曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土的破壞；植物纖維和直聚丙烯纖維可以增強(qiáng)再生混凝土的峰值強(qiáng)度和變形模量，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，植物纖維的增強(qiáng)效果減弱，曲聚丙烯纖維會削弱再生混凝土的峰值強(qiáng)度和變形模量。

b)對于抗壓強(qiáng)度，摻入質(zhì)量比的影響程度最大，纖維長度次之，纖維直徑最小，對于抗拉強(qiáng)度，纖維長度的影響程度最大，摻入質(zhì)量比次之，纖維直徑最小。

c)聚丙烯纖維質(zhì)量比對抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，聚丙烯纖維長度對抗拉強(qiáng)度影響顯著，說明纖維質(zhì)量比和長度是影響再生混凝土材料強(qiáng)度的重要因素。