夏冬桃,任康寧,吳方紅,李 彪,何國章

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院,湖北 武漢 430068;2.佛山科學技術學院交通與土木建筑學院,廣東 佛山 528225)

再生混凝土(RAC)能降低能耗和CO2排放,是破解當前建筑垃圾治理困境的有效途徑,在“雙碳”戰(zhàn)略背景下其發(fā)展前景廣闊。但由于再生粗骨料自身的缺陷,限制了RAC廣泛應用。研究表明摻加纖維可改善RAC的力學性能[1],常見的是摻加亂向分布的鋼纖維,鋼纖維的橋接及微加筋作用起到增強增韌阻裂的效果[2-3]。而混凝土結構在服役過程中不僅會承受靜態(tài)荷載作用,也可能會遭受爆炸、沖擊等具有突發(fā)性和破壞性的動態(tài)荷載作用,這些動態(tài)荷載會對結構產生巨大的破壞影響。F.Omidinasab等[4]研究發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維可抵消再生骨料對混凝土的力學性能及抗沖擊性能的負面影響?？紫榍宓萚5]研究發(fā)現(xiàn)單摻適量的鋼纖維及鋼纖維與聚丙烯纖維混摻均可提高RAC的抗沖擊性能。而大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維再生混凝土(SFRAC)破壞的主要特征是鋼纖維從斷裂面中拔出而未被拉斷,這說明SFRAC中鋼纖維與基體界面間的黏結力不足,因此需要對SFRAC的界面進行改性研究[6]。目前常見的改性方法是往混凝土中摻入聚合物乳液,有學者研究表明水性環(huán)氧樹脂是應用于混凝土中最有效的聚合物之一,其在混凝土中形成的具有互穿聚合物網絡結構的連續(xù)相,可增強混凝土基體的黏結力[7]。錢慧麗等[8]研究了水性環(huán)氧樹脂乳液對天然混凝土(Natural Concrete,NC)抗沖擊性能的影響,結果表明水性環(huán)氧樹脂乳液可阻礙混凝土內部裂縫的拓展,從而提升其抗沖擊性能。目前關于水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維復摻對RAC抗沖擊性能的影響及其界面改性機理的研究尚不多見。

因此,筆者通過設計正交試驗,探究水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維對RAC抗沖擊性能的影響及其改性機理,并采用雙參數(shù)Weibull分布模型對RAC的沖擊壽命進行統(tǒng)計分析,研究如何延長RAC的沖擊壽命,為RAC的配合比設計提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥選用華新牌P·O 42.5級水泥;砂選用本地級配良好的河砂;天然粗骨料采用粒徑5～16 mm連續(xù)級配的碎石;再生粗骨料采用本地的廢棄混凝土,經處理后得到粒徑5～16 mm的骨料,其性能指標見表1。礦渣粉為武漢華神智能科技有限公司生產的S95級礦渣粉;水性環(huán)氧樹脂及水性環(huán)氧固化劑由上海漢中化工有限公司生產,水性環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為185～195,水性環(huán)氧固化劑胺氫當量為280～290,配制乳液時兩者的質量比為1∶1.3;超短微絲鋼纖維為武漢新途工程纖維制造有限公司生產,其性能參數(shù)見表2;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑,減水率為15%～20%。

表1 再生粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of the recycled coarse aggregate

表2 鋼纖維參數(shù)Table 2 Steel fiber parameters

1.2 正交試驗設計

試驗采用L16(45)的正交表,不考慮各因素間的交互作用,剩余兩個空白列用于估計試驗誤差。試驗的各因素及水平設置如下:水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)(A)分別為0、2%、4%、6%,再生粗骨料取代率(B)分別為0、30%、45%、60%,鋼纖維體積分數(shù)(C)分別為0、0.6%、0.8%、1.0%。水性環(huán)氧樹脂乳液質量分數(shù)為聚合物乳液與膠凝材料總量的質量比;鋼纖維體積分數(shù)為鋼纖維與混凝土的體積比。RAC的配合比設計依據(jù)《再生骨料應用技術規(guī)程》(JGJ/T 240—2011)[9],各組混凝土的配合比見表3。實際試驗中加入處理再生粗骨料的附加用水,由于水性環(huán)氧固化劑中約含50%的水分,因此用水量須相應減少。

表3 水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維復摻的RAC配合比 Table 3 The proportions of RAC mixed with waterborne epoxy resin and steel fiber

1.3 試件制備與養(yǎng)護

RAC的攪拌方法參照文獻[9]執(zhí)行,采用兩階段攪拌工藝澆筑成型?？箟涸囼灢捎眠呴L為100 mm的立方體試件,每組制備3塊?？箾_擊試驗采用直徑為150 mm,厚度為63 mm的圓餅形試件,每組制備6塊。摻加水性環(huán)氧樹脂的混凝土其養(yǎng)護方式不同于普通混凝土,由于在干燥環(huán)境下可促進聚合物顆粒形成連續(xù)的膜結構,因此摻加水性環(huán)氧樹脂的試件的養(yǎng)護制度為先在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護6 d,再置于干燥環(huán)境中養(yǎng)護22 d,其余試件則在標準條件下養(yǎng)護28 d。

1.4 試驗方法

各項試驗按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)[10]進行。此外筆者對沖擊試驗裝置進行了改進(見圖1),該裝置中將落錘的端部打磨成半球形,并增設了電磁開關,有效避免了手動定位及釋放落錘產生的試驗誤差。試件的初裂沖擊次數(shù)N1和破壞沖擊次數(shù)N2的判定方法以及每一組試件的初裂沖擊耗能W1和破壞沖擊耗能W2的計算方法參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)[10],其計算式如下。

圖1 改進的落錘沖擊試驗裝置 Fig.1 Improved drop weight test device

W1=N1mgh.

(1)

W2=N2mgh.

(2)

式中:W1為初裂沖擊耗能,J;W2為破壞沖擊耗能,J;m為沖擊錘的質量,取4.5 kg;g為重力加速度,取9.81(m·s-2);h為沖擊錘下落高度,取1 m 。

2 試驗結果及分析

各組的立方體抗壓強度均滿足C40等級混凝土的強度要求,其中RC-0-60-1.0試件的抗壓強度最高,為65.6 MPa。

2.1 試驗結果

落錘沖擊試驗結果見表4,由表4可知,除RC-0-60-1.0試件外各組的N1差別不大,但各組的N2差異明顯。RC-0-60-1.0的N1和N2均最高。RC-2-45-1.0的N2也相對很高,RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的N1分別為基準組的4.6倍,2.9倍,N2分別較基準組提升了16.8倍和11.9倍。

表4 抗沖擊試驗結果Table 4 The test results of impact resistance

基于中心質假說[11]的觀點,水性環(huán)氧樹脂膠乳顆粒的粒徑為0.4～5 600 nm,在混凝土內部原位形成改性的微中心質[8,12],在其界面效應圈內可改善孔隙結構,鋼纖維是大中心質,在大中心質效應圈內改善了混凝土的結構與性質,分別在微觀和宏觀的尺度上對混凝土體系中對應的各層次的組分進行增強,從而表現(xiàn)為抗沖擊韌性的提升。

對于僅摻水性環(huán)氧樹脂的RAC,其抗沖擊次數(shù)相較于基準組有不同程度的提升,其中提升幅度最大的試件是RC-4-45-0,N1和N2的增幅分別為37.5%和62.5%。這是因為水性環(huán)氧樹脂膠乳顆?？梢蕴畛浠炷林械募毼⒖紫?改善混凝土的密實性,從而提升了RAC的抗沖擊性能。

2.2 沖擊耗能極差分析

根據(jù)表4的沖擊試驗結果計算出W1和W2,并對這兩個關鍵指標進行極差分析,結果見表5。由表5可知,極差值最大的因素C為影響W1和W2的主要因素,各因素對W1和W2的影響從大到小依次為鋼纖維體積分數(shù)、水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)、再生粗骨料取代率。

表5 極差分析結果Table 5 The range analysis results

2.2.1 水性環(huán)氧樹脂對沖擊耗能的影響

筆者將已有文獻中關于水性環(huán)氧樹脂改善NC抗沖擊性能的研究成果與試驗分析的結果進行對比(見圖2)[8]。

圖2 水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)對NC和RAC的W2的影響Fig.2 Effect of the mass fraction of waterborne epoxy resin on the W2 of NC and RAC

結合表5和圖2可知,水性環(huán)氧樹脂對NC和RACW2的改善效果有所不同。當水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)從0增至4%時,RAC的W1和W2逐漸下降,而對于NC而言,當水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)從0 增至5%時,其W2總體為上升的趨勢[8]。根據(jù)表4計算的結果,繪制出在不同的水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)的條件下再生粗骨料取代率與W1和W2指標的關系圖(見圖3)。從圖3可看出,當再生粗骨料取代率從0增至60%時,在每一取代率下使混凝土的W1和W2相對最佳的水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)由6%減小至0,說明水性環(huán)氧樹脂對RAC抗沖擊性能的改善效果受再生粗骨料取代率的影響較大。

圖3 不同水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)與W1和W2的關系Fig.3 Relationship between the different mass fraction of waterborne epoxy resin and W1 and W2

這是因為干燥環(huán)境有利于水性環(huán)氧樹脂顆粒形成聚合物膜,而再生粗骨料吸水率高,其吸收的水分會在養(yǎng)護過程中緩慢釋放,水性環(huán)氧樹脂成膜所需的干燥環(huán)境與再生粗骨料釋水產生的濕潤環(huán)境之間構成一種競爭關系,因此這對水性環(huán)氧樹脂的改性效果起到了削弱的作用。同時當水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)較大時,在攪拌階段會引入一定量的空氣至混凝土中,使得其孔隙率增大[12],因此在再生粗骨料釋水和孔隙率的綜合作用下,使得當再生粗骨料取代率為60%時,RAC的沖擊耗能隨著水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)的增加而下降。圖2中水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)從4%增至6%時,RAC的W2略有增大,這種現(xiàn)象有待于進一步研究。

2.2.2 再生粗骨料取代率對沖擊耗能的影響

由表5可知,當再生粗骨料取代率從0增至60%時,混凝土的W1和W2呈不斷增大的趨勢,增幅分別為53.2%和8.4%。這一方面是由于再生粗骨料的表面與新水泥砂漿形成的黏結力較大,另一方面是因為再生粗骨料起到了“內養(yǎng)護”的作用。

2.2.3 鋼纖維體積分數(shù)對沖擊耗能的影響

由表5可知,RAC的W1和W2與鋼纖維體積分數(shù)呈正相關,當鋼纖維體積分數(shù)從0增至1.0%時,RAC的W1和W2的增幅分別接近150%和900%。這是因為鋼纖維起到了增韌的作用,減緩了混凝土塑性變形的發(fā)展[13],同時每根橋接于裂縫處的鋼纖維起到了阻礙裂縫拓展延伸的作用。

筆者將已有文獻中關于鋼纖維改善NC抗沖擊性能的研究成果與試驗分析的結果進行對比(見圖4)[13-14]。由圖4可知,隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加,NC和RAC的W2均有不同程度的提升,即鋼纖維對NC和RAC抗沖擊性能的改善效果是一致的。

圖4 鋼纖維體積分數(shù)對NC和RACW2的影響Fig.4 Effect of the volume fraction of steel fiber on the W2 of NC and RAC

根據(jù)各因素最優(yōu)水平的選取原則,同時考慮到試驗誤差的影響和水性環(huán)氧樹脂的改性作用,RAC抗沖擊性能的各因素最優(yōu)水平組合為A2B3C4。

2.3 水性環(huán)氧樹脂對水化產物的改性機理

圖5和圖6為NC-0-0-0和RC-4-45-0試樣中水化產物放大10 000倍后的微觀形貌。由圖5可知,未摻水性環(huán)氧樹脂的NC-0-0-0中有層布排列的CH晶體、無序團聚的C-S-H凝膠體和針棒狀的鈣礬石,水化產物的表面有較多細小的孔洞,整體結構較為疏松。

圖5 NC-0-0-0中水化產物的微觀形貌Fig.5 The micro morphologies of hydration products of NC-0-0-0

圖6 RC-4-45-0中水化產物的微觀形貌Fig.6 The micro morphologies of hydration products of RC-4-45-0

而由圖6可知,摻入水性環(huán)氧樹脂后,整體結構未見明顯的細小孔洞和裂紋,各組分間黏結緊密,聚合物膜與水化產物形成了相互交織的空間網絡結構,在沖擊荷載作用下可起到緩沖作用,分散和轉移了混凝土中的內應力,減少了微裂紋的產生。

2.4 水性環(huán)氧樹脂對界面過渡區(qū)的改性機理

圖7為RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的試樣中鋼纖維與水泥水化產物間界面過渡區(qū)(ITZ)放大500倍的微觀形貌。未摻水性環(huán)氧樹脂的RC-0-60-1.0中鋼纖維與水泥水化產物間ITZ的縫隙較寬,水化產物中有數(shù)條較寬的微裂縫。這是因為鋼纖維表面的質點具有吸附其他物質的傾向[6],這種極性的特點使它具有親水性[15],從而使得附近的水灰比增大,導致ITZ的力學性能較弱,結構較疏松。此時鋼纖維與水泥水化產物間主要依靠物理作用黏結在一起[6]。在荷載作用下,裂紋首先會沿著ITZ開展并逐漸延伸,當裂紋由微觀尺度發(fā)展到宏觀尺度時,使得界面處的水泥基體發(fā)生斷裂,從而形成微裂縫。

圖7 RC-0-60-1.0與 RC-2-45-1.0的鋼纖維與水化產物間ITZ的微觀形貌Fig.7 The micro morphologies of the ITZ between steel fiber and hydration products of RC-0-60-1.0 and RC-2-45-1.0

而摻入水性環(huán)氧樹脂的RC-2-45-1.0中鋼纖維與水泥水化產物間的ITZ黏結緊密,水化產物中微裂縫的寬度明顯變小(見圖7(b))。水性環(huán)氧樹脂起到了阻裂劑和粘結劑的作用,一方面環(huán)氧樹脂乳液中的-COOR和-OH會以離子鍵的形式與部分水泥水化產物中的Ca2+結合,形成含鈣絡合聚合物,改善了水泥石的抗裂性能;另一方面起到了“架橋”的作用,乳液中含有的極性基團會與鋼纖維表面產生物理化學吸附效應[6],從而改善鋼纖維與水泥水化產物間ITZ的密實性。

3 基于Weibull分布的擬合分析

3.1 抗沖擊次數(shù)分布的擬合檢驗

已有研究結果表明,SFRAC的沖擊壽命服從Weibull分布[3],因此筆者采用Weibull分布理論對各組試件的抗沖擊次數(shù)進行概率統(tǒng)計分析。將試件的抗沖擊次數(shù)N視作隨機變量,則關于N的概率密度函數(shù)f(N)和累計分布函數(shù)F(N)可表示為

(3)

式中:γ為形狀參數(shù);Nx為尺度參數(shù)即特征壽命參數(shù);N0為位置參數(shù)即最小壽命參數(shù)。

(4)

式中:Pf(N)為失效概率函數(shù)。

基于安全性、可靠性及適用性的角度考慮,可認為N0無限趨近于0,因此得出基于雙參數(shù)Weibull分布的存活概率函數(shù)Ps(N)如下[16]:

(5)

對式(5)等式兩邊先取倒數(shù)再取兩次自然對數(shù),得到:

(6)

令X=lnN;Y=ln[ln(1/Ps(N))];B=γlnNx,則(6)可化簡為式(7),如下:

Y=γX-B.

(7)

(8)

式中:t為各組進行抗沖擊試驗的試件總數(shù),取值6;m為各組的沖擊試驗結果按遞增的順序排列后得到的秩序數(shù)。

由式(7)可知,Y與X應滿足線性關系,根據(jù)式(8)求出Ps(N)[3,16],進而得到每個試件的Y與X,采用線性擬合的方法,得出各組試件對應的參數(shù)γ和B以及相關系數(shù)R2,如表6所示。

表6 基于Weibull分布的沖擊壽命線性擬合結果Table 6 The linear regression results of impact life based on the Weibull distribution

由表6可知,各組基于Weibull分布的擬合相關系數(shù)R2最小值為0.904,大多數(shù)在0.95以上,說明ln[ln(1/Ps(N))]與lnN之間存在顯著的線性相關性,即各組試件的抗沖擊次數(shù)均服從雙參數(shù)Weibull分布。

3.2 不同失效概率下RAC的沖擊壽命預測

根據(jù)式(5)～(7)推導出在不同失效概率下(Pf(N)=0.1,0.15,0.3)各組試件沖擊壽命的表達式:

(9)

由式(9)及表6可得出各組配合比的混凝土在不同失效概率下的破壞沖擊壽命N2(見圖8)。由圖8可知,各組試件在不同失效概率下N2的增長趨勢與實測值保持一致。摻入水性環(huán)氧樹脂后,混凝土試件的沖擊壽命較基準組有一定程度的改善;摻入鋼纖維后,混凝土的沖擊壽命有明顯的改善。各組試件的N2與失效概率呈正相關,這與混凝土材料的結構及性質相契合。

圖8 不同失效概率下各組試件的沖擊壽命Fig.8 The impact life of specimens under different probabilities of failure

4 結 論

(1)各因素對RAC抗沖擊性能影響的從大到小順序是鋼纖維體積分數(shù)、水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)、再生粗骨料取代率。摻入鋼纖維可顯著改善RAC的韌性和延性;當再生粗骨料取代率較低時,由于聚合物膜與水化產物形成了空間網狀結構,使得摻入水性環(huán)氧樹脂的RAC較基準組N2的最大增幅達到62.5%;當再生粗骨料取代率較高時,由于再生粗骨料釋水和孔隙率的綜合作用,使得RAC的抗沖擊性能有所下降。

(2)水性環(huán)氧樹脂質量分數(shù)取2%,再生粗骨料取代率取45%,鋼纖維體積分數(shù)取1.0%,為RAC抗沖擊性能的最優(yōu)配合比。該配合比下試件的W1和W2較基準組分別提升了187.4%和1187.3%。

(3)水性環(huán)氧樹脂一方面起到了阻裂劑和粘結劑的作用,另一方面起到了“架橋”的作用,改善了鋼纖維和水化產物間ITZ的密實性。

(4)采用雙參數(shù)Weibull分布對各組配合比混凝土的N1和N2進行擬合,得到的相關系數(shù)R2均在0.9以上。