王宗海

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽(yáng) 122300）

1 研究背景

混凝土的生產(chǎn)需要大量的骨料，而天然砂石作為傳統(tǒng)混凝土的骨料來(lái)源，近年來(lái)的開(kāi)采量迅速增加，部分地區(qū)的資源趨于枯竭。同時(shí)，天然骨料的大量開(kāi)采也會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成十分嚴(yán)重的破壞[1]。因此，尋找天然骨料的替代品已經(jīng)成為十分緊迫的任務(wù)。另一方面，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾。如果對(duì)這些建筑垃圾采用傳統(tǒng)的填埋或堆放的方式進(jìn)行處理，不僅會(huì)占用大量的土地資源，同時(shí)也會(huì)破壞周邊的生態(tài)環(huán)境[2]。在這一背景下，再生骨料混凝土逐漸進(jìn)入人們的視野。顯然，利用建筑垃圾制作的再生骨料全部或部分替代天然骨料，不僅可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的無(wú)害化處理和資源化利用，還可以節(jié)省混凝土的制作成本，具有十分廣闊的發(fā)展前景[3]。但水利工程對(duì)混凝土的強(qiáng)度和抗裂性及抗?jié)B性方面有較高的要求，鑒于再生混凝土往往具有強(qiáng)度低、韌性不足的缺陷[4]，在實(shí)際工程應(yīng)用中往往需要在其中摻加一定的纖維等加強(qiáng)材料，以改善和提高再生混凝土的物理和力學(xué)性能。從當(dāng)前的研究來(lái)看，主要針對(duì)單摻一種纖維展開(kāi)，而針對(duì)混摻纖維的研究不多。基于此，此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，選擇鋼纖維和聚丙烯纖維兩種常用的纖維進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，以探求其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，為相關(guān)工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥作為混凝土中必不可少的膠凝材料，其強(qiáng)度等級(jí)和質(zhì)量會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響。此次試驗(yàn)中選擇的是錦州北方水泥廠出品的P.O42.5A 普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測(cè)定，其細(xì)度模數(shù)為7.0%；初凝時(shí)間為210 min，終凝時(shí)間為280 min；28 d抗壓強(qiáng)度為45.2 MPa，抗折強(qiáng)度為8.9 MPa。

試驗(yàn)中的骨料分為天然骨料和再生骨料[5]。其中天然細(xì)骨料為普通河沙，其粒徑范圍為0.15～4.75 mm；天然粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2 772 kg/m3，壓碎指標(biāo)為6.5%。試驗(yàn)中，再生骨料主要是粗骨料，由設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30 的廢棄混凝土經(jīng)破碎機(jī)破碎獲取，為4.75～26.50 mm連續(xù)級(jí)配。其堆積密度為1 380 kg/m3，含泥量為0.6%，壓碎指標(biāo)為12%。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，試驗(yàn)中按照天然粗骨料和再生骨料比為1∶1的比例進(jìn)行混摻，作為試驗(yàn)中的粗骨料。

試驗(yàn)用纖維為鋼纖維和聚丙烯纖維。其中，鋼纖維選擇的是河北衡水廣正有限公司生產(chǎn)的波浪形鋼纖維。其長(zhǎng)度為38 mm，彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 250 MPa。聚丙烯纖維由上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)，其抗拉強(qiáng)度為1 550 MPa，彈性模量為36 GPa，密度為0.89 g/cm3。

試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水，試驗(yàn)用減水劑為德州啟明化工有限公司出品的聚羥酸高效減水劑，其推薦摻量為0.2%。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中以《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》中的C30普通混凝土配合比為基礎(chǔ)，確定試驗(yàn)配合比[6]。其中，水泥、水、砂、粗骨料的每立方米用量分別為350，175，837，1 020 kg。在試驗(yàn)中，纖維摻加量以體積比進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。將鋼纖維和聚丙烯纖維以單摻的方式分別以0.2%，0.4%和0.6%的摻加比例摻加進(jìn)再生混凝土，以不摻加纖維的普通再生混凝土作為對(duì)照方案，共獲得7 種單摻試驗(yàn)方案。將鋼纖維和聚丙烯纖維以4∶1（比例1）、2∶1（比例2）、1∶1（比例3）、1∶2（比例4）、1∶4（比例5）等5 種不同比例，且總摻加率仍舊為0.2%、0.4%和0.6%，共獲得15 種不同的混摻試驗(yàn)方案。對(duì)上述22 種試驗(yàn)方案進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，探討混摻纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。

2.3 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)中，試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度使用的是150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件；抗折強(qiáng)度采用的是100 mm×100 mm×400 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件[7]。在試驗(yàn)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)的配合比稱量混凝土的制作材料，將水泥、細(xì)骨料和粗骨料倒入攪拌機(jī)中攪拌2 min，再逐步撒入鋼纖維并攪拌3 min，在均勻混合之后再撒入聚丙烯纖維攪拌5 min，之后加入水和減水劑再攪拌3 min。將制作好的混凝土裝入試模，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1 min 成型，將成型的試件靜置24 h 后拆模并編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期。

混凝土試件的抗壓性能、劈裂抗拉性能及抗折性能測(cè)試使用2 000 kN液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用電腦自動(dòng)采集[8]。試驗(yàn)中，每種試驗(yàn)方案試驗(yàn)3個(gè)試件，以試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖1 所示的再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線。由圖1 可以看出，單摻聚丙烯纖維可以顯著提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，且與鋼纖維相比存在比較明顯的對(duì)比優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其最佳摻量為0.2%，與未摻加纖維的普通再生混凝土相比，其抗壓強(qiáng)度提高了約9.22%，再增加摻量效果反而降低；鋼纖維的最佳摻量為0.4%，但其對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用較為有限。

對(duì)混摻方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出如圖2 所示的不同混摻比例下試件抗壓強(qiáng)度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖2 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，原因是兩種不同性質(zhì)的纖維可以更好改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抑制不同性質(zhì)裂縫的發(fā)展，從而提高其抗壓強(qiáng)度。從不同纖維摻加比例來(lái)看，在比例1、比例3 和比例5 條件下，再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動(dòng)增大的變化趨勢(shì)，只有在纖維摻量較大的情況下，才有提高混凝土抗壓強(qiáng)度的顯著效果。在比例2 和比例3 條件下，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出穩(wěn)步增大的變化特點(diǎn)。其中，比例2 也需要較大的摻量方可獲得顯著效果，當(dāng)摻量小于0.4%時(shí)效果并不明顯?？傮w來(lái)看，在相同總摻量的情況下，比例3 不僅可以獲得最大的抗壓強(qiáng)度，且較小摻量即可獲得顯著效果，當(dāng)總摻量大于0.4%時(shí)，作用效果并不明顯。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖3 所示的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線。由圖3 可以看出，再生混凝土中摻加纖維可以顯著提高其劈裂抗拉強(qiáng)度。從摻量的影響來(lái)看，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加之后緩慢減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度最大。兩種纖維相比，單摻聚丙烯纖維在提高再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度方面具有一定的對(duì)比優(yōu)勢(shì)。

對(duì)混摻方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出如圖4 所示的不同混摻比例下試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖4 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，原因與抗拉強(qiáng)度類似。從具體的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著總摻量的增大，不同纖維比例下的再生混凝土抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明單方面提高纖維摻量并不能獲得良好的劈裂抗拉強(qiáng)度改善效果，原因是過(guò)多的纖維摻入會(huì)影響混凝土內(nèi)部的密實(shí)度及纖維的均勻分布，不利于劈裂抗拉強(qiáng)度的提高。從具體結(jié)果來(lái)看，當(dāng)比例3 在總摻量為4%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，為最優(yōu)摻加比例和摻加量。

3.3 抗折強(qiáng)度

根據(jù)單摻纖維方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理繪制出如圖5 所示的再生混凝土抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線。由圖5 可以看出，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度類似，隨著纖維摻量的增加，試件的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，纖維摻量在0.4%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。總之，在再生混凝土中摻入纖維有利于提高混凝土的抗折強(qiáng)度；從兩種纖維的對(duì)比來(lái)看，聚丙烯纖維的效果更佳。

對(duì)混摻方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出如圖6 所示的不同混摻比例下試件抗折強(qiáng)度隨纖維總摻量的變化曲線。由圖6 可以看出，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。從具體的變化趨勢(shì)來(lái)看，除比例5 混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)穩(wěn)步增大的變化特點(diǎn)之外，其余纖維摻加比例下的再生混凝土抗折強(qiáng)度均隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，且總摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度最大。從不同纖維摻加比例的對(duì)比來(lái)看，比例3 在總摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度最大，為最優(yōu)比例設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了混摻鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）在再生混凝土中摻加纖維可以有效提升其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在提升再生混凝土力學(xué)性能方面的效果更佳。

2）復(fù)摻纖維和單摻纖維相比，在提高再生混凝土力學(xué)性能方面的作用更為明顯，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

3）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)鋼纖維和聚丙烯纖維的體積摻量為1∶1、總摻量為0.4%時(shí)，提高再生混凝土力學(xué)性能的作用最佳，推薦在工程設(shè)計(jì)中選用。