復合微粉和聚丙烯纖維對再生混凝土抗凍性研究

王麗丹, 周志云, 葉林飛, 葉 珊

(上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093)

復合微粉和聚丙烯纖維對再生混凝土抗凍性研究

王麗丹, 周志云, 葉林飛, 葉 珊

(上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093)

通過正交設計試驗研究了粉煤灰摻量、礦粉摻量、聚丙烯纖維摻量以及再生粗骨料摻量這4個水平因素對再生混凝土抗凍性的影響,對比分析其質量損失率和相對動彈性模量,得出滿足良好抗凍性的最優配合比.同時對最優配合比與普通混凝土(基準組)及全再生粗骨料混凝土(對比組)進行應力-應變曲線分析,檢驗優選結果的合理性.

再生混凝土; 正交試驗; 抗凍性

近年來,城鎮化的不斷推進使得建筑垃圾排放量和混凝土需求量快速增長[1],面對這種情況,從資源有效利用和環境保護的角度來看,需要對廢棄混凝土進行循環再利用.將廢棄的混凝土經過分離、處理后得到“再生骨料”[2],將其按一定比例或全部取代天然骨料重新配制混凝土,就生成了再生混凝土,因而再生混凝土是一種環保、綠色的再生材料,可節省天然的礦物資源,同時減輕固體廢棄物對環境的污染[3-4].我國北方大部分地區冬季寒冷,其環境容易使得混凝土結構開裂惡化.各國學者對再生混凝土的力學性能和耐久性進行了大量研究[5-7],但尚不夠深入.在抗凍性方面,文獻[8-10]進行過相關研究,指出再生混凝土進行合理配比能夠滿足抗凍性要求.基于上述分析,本文試驗考慮粉煤灰摻量、礦粉摻量、聚丙烯纖維摻量以及再生粗骨料摻量4因素3水平,通過復合微粉和聚丙烯纖維單摻或復摻來改善再生粗骨料的天然缺陷,增強再生混凝土的抗凍性能,為再生粗骨料混凝土的應用發展作一些探索.

1 試 驗

1.1 試驗原材料

再生骨料采用上海欣歆實業有限公司生產的同一批再生石子,取粒徑為5～20 mm作為試驗所需天然粗骨料;細骨料取自上海復興島附近的普通河砂,通過試驗得到細骨料的細度模數Mx=2.64,屬于中砂,粒徑的級配屬于Ⅱ級,平均粒徑為0.35～0.50 mm;水泥為P?O 42.5級硅酸鹽水泥;粉煤灰采購于河南鄭州鞏義市晟粉煤灰加工廠生產的一級粉煤灰;礦粉采用上海影佳化工原料商城生產的影佳雙飛粉YJ-9011;纖維采購于上海影佳化工原料商城生產的19 mm聚丙烯纖維;減水劑為HSN引氣高效減水劑;水為自來水.按照本文正交試驗中粉煤灰和礦粉各自的3個水平摻量逐次摻拌得到試驗所需的復合微粉.

1.2 正交試驗設計方案

試驗采用0.45的水灰比,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,減水劑摻量為0.5%,減水率為15%,根據施工要求的拌合物稠度和已知的粗骨料的種類及最大粒徑,確定單位體積混凝土的用水量為187 kg.因素水平如表1所示,養護方法選擇標養,砂率取固定值0.36.采用4因素3水平的L9(34)正交表[11-12]和單位體積混凝土配合比如表2所示.其中,NA為天然骨料(natural aggregate),RA為再生粗骨料(recycled aggregate),C為水泥,FA為粉煤灰,MP為礦粉,PPF為聚丙烯纖維,S為細骨料,W為水,WR為減水劑.

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal factor level table

注:再生骨料取代率為粗骨料總質量的百分率;粉煤灰、礦粉取代率為膠凝材料總質量的百分率.

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及結果

試驗的試塊制作和抗壓試驗嚴格按照標準《GBT 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法》進行,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,總共264個.根據標準《GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行混凝土快凍法.試塊在凍融試驗過程中始終處于全浸水狀態,控制每凍融循環25次結束后,觀察試塊凍融現象并記錄,以S4組(A2B1C2D3)為例,如圖1所示.然后清洗試件表面浮渣并擦干表面水分,開始對試件稱重,測量其橫向基頻和抗壓強度并記錄.凍融試驗的結果如表3所示.

圖1 不同凍融循環次數后混凝土的表觀情況Fig.1 Concrete appearance after different freeze-thaw cycles表3 混凝土凍融試驗結果Tab.3 Results of concrete freeze-thaw test

試塊編號質量損失率Wn/%相對動彈性模量Pn/%N=25N=50N=75N=100N=12528d抗壓強度/MPaS1(A1B1C1D1)-0.0693.260.5487.251.3553.301.8043.452.3136.5139.22S2(A1B2C2D2)0.2479.931.4459.601.6453.412.4850.483.9838.8338.79S3(A1B3C3D3)0.3493.071.2091.171.3370.781.8047.903.7937.2336.19S4(A2B1C2D3)0.0399.280.6084.832.6155.333.2441.783.6638.1435.70S5(A2B2C3D1)0.6171.192.3066.384.0253.225.1844.346.7539.7329.72S6(A2B3C1D2)0.7892.932.4165.974.1750.785.2444.026.5239.8430.60S7(A3B1C3D2)-0.1380.390.5953.282.0544.343.7540.534.6433.1531.73S8(A3B2C1D3)0.4861.761.0646.812.1343.523.9643.454.7238.5233.46S9(A3B3C2D1)0.2249.981.0945.111.6345.072.8043.525.2632.6129.70

不論摻加再生粗骨料與否,混凝土外表面的剝蝕都會隨著凍融循環次數N的增加而呈現出越來越嚴重的趨勢.試塊在凍融循環初期,試塊外觀變化并不顯著,當凍融次數逐漸增加循環到50次,各組試件水泥漿包裹的小砂石脫離下來,形成了這些細小孔洞,但是,混凝土表面水泥漿的整體性還是完整的;當凍融循環次數為75次時,混凝土表面的孔洞貌似有所減少,其實這是由于混凝土表面水泥漿的整體性開始被破壞,失去整體性的水泥漿把部分孔洞填補了;當凍融循環次數為100次時,混凝土表面的水泥漿開始大范圍剝落,少部分粗骨料開始暴露;當凍融循環次數為125次時,混凝土表面的水泥漿基本上全部脫落,粗骨料開始大面積裸露,試塊四角有少量殘缺.

再生混凝土的表面損傷較普通混凝土的嚴重,且隨著再生粗骨料取代率的增多,混凝土表面剝離逐漸增加,剝蝕現象越來越嚴重.這與混凝土質量損失率趨勢吻合,如圖2所示.

綜合表3中各組質量損失率和相對動彈性模量,再生混凝土摻量為0%的S1組、50%的S4組、100%的S7組的相對抗凍性達到最好.S4組的相對動彈性模量變化情況接近于S1組,且S4組50次后的質量損失情況與陳愛玖[12]提出的纖維再生混凝土相對動彈性模量的變化情況保持一致.在混凝土中加入聚丙烯纖維對其表面剝落限制相對較小,但它有效地控制了混凝土內部微裂縫的生成與發展,從而提高了混凝土內部的抗滲性.

圖2 質量損失率隨凍融循環次數的變化曲線Fig.2 Mass loss curve along with the change of number of freeze-thaw cycles

當凍融循環次數達到50次后,由于再生混凝土的天然缺陷,S1組與S7組的質量損失率出現較大的差異.表面附著有大量水泥砂漿且內部存在一定損傷的再生粗骨料由于壓碎指標大,本身強度較小,與新的水泥砂漿相結合過程中存在有一些較弱的過渡區,使得全再生粗骨料混凝土的抗凍性能較差[13].因此,再生混凝土粗骨料的摻量成為再生混凝土抗凍性的主要因素,再生混凝土與其摻量呈負相關.當凍融循環次數達到125次時,S1組、S4組、S7組相對動彈性模量分別為36.51%,36.14%,33.15%,即摻量為50%,100%的再生混凝土的相對動彈性模量相比基準組分別降低了0.37%,3.36%.

2.2 正交分析

根據表3對各組試驗結果進行極差分析,結果如表4所示.

表4 極差分析表Tab.4 Range analysis table

從表4中各因素極差值的大小能夠直觀地判斷出再生混凝土摻量是影響其抗壓強度和抗凍性能的主要因素,其次是粉煤灰摻量,再者是聚丙烯纖維摻量,最后為礦粉摻量.為了更加清晰地分析各因素水平的變化對再生混凝土抗壓強度以及抗凍性能的影響,繪制出正交分析點圖,如圖3和圖4所示.

圖3 抗壓強度正交分析點圖Fig.3 Orthogonal analysis diagram of the compressive strength

從正交分析點圖可以看出,當混凝土中摻入再生骨料后,28 d抗壓強度下降很快,這與極差分析相吻合.摻量為50%,100%的混凝土的抗壓強度較基準組分別降低15.93%,22.94%,說明再生粗骨料摻量對混凝土28 d抗壓強度不利,同時顯示,隨著再生粗骨料摻量的增大,抗壓強度呈下降趨勢.然而,由于復合微粉部分取代水泥,復摻微粉混凝土的28 d抗壓強度明顯低于基準混凝土的.同時摻入纖維,使得強度有所提高,聚丙烯纖維為0.9 kg/m3摻量時抗壓強度達到最大值,較基準組增大了2.23 MPa.

圖4 相對動彈性模量正交分析點圖Fig.4 Orthogal analysis diagram of the relative loss modulus

隨著再生粗骨料的增加,相對動彈性模量逐漸下降,這主要是由于再生粗骨料自身使用多年,再次打碎時顆粒棱角增多,使其內部微裂紋增多,且表面附著原有水泥硬化砂漿和石屑,導致抗凍性能隨著取代率的增大而減小.當復合微粉為20%粉煤灰加5%礦粉時,相對動彈性模量達到最大值.這也與陳改新等[14]提出的水泥-粉煤灰-石灰石粉三元復合膠凝材料的填充效應相吻合.三者顆粒間發生“填充效應”,減小了顆粒間的空隙,自由水相對增多,則漿體的流變性能增大.當維勃稠度在18 s以內時,含氣量隨著維勃稠度的減小而呈增大的趨勢,從而間接地增強了混凝土的抗凍性能.同時,在混凝土中加入聚丙烯纖維,纖維均勻地分布在混凝土中,與其形成良好的粘結力,在混凝土注模成型中增加了混凝土內部的約束力,抑制了成型過程中大孔隙和裂縫的產生,使得成型后的機構更加緊密,大大提高了混凝土的抗滲性和抗凍性.

2.3 混凝土凍融后的應力-應變曲線

綜合分析以上結論,并兼顧經濟效應,最后確定本試驗最優配合比為:A2B2C1D3(優先組),得到工作性能良好、抗壓強度和抗凍性較高的再生混凝土.為了進一步研究再生骨料混凝土的耐久性能,取優先組的水灰比,以未加摻合料和纖維的天然混凝土和全再生粗骨料混凝土分別作為基準組和對比組,對正交試驗結果中優選出的最優配合比的混凝土與天然混凝土(基準組)以及全再生粗骨料混凝土(對比組)進行對比試驗,考察優選結果的合理性.

從圖5中可以看出,3組混凝土凍融循環后的軸向應力-應變曲線均由上升段和下降段組成.優先組峰值抗壓強度雖未達到基準組的,但相比對比組的提高了4.6～6.0 MPa.優先組曲線上升段的斜率相比基準組的略小,但相差不大,說明優先組的彈性模量降低不明顯.復合微粉顆粒直徑細小,顆粒之間相互填充,使其內部更加密實,有效提高了再生混凝土的抗滲性.

圖5 混凝土凍融循環后的軸向應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of concrete after different number of freeze-thaw cycles

此外,相比基準組,優先組的軸向應力-應變曲線下降段相對較平緩.在同一軸向應力下,優先組的應變能較大,說明優先組混凝土的應變能力增強.這主要是由于聚丙烯纖維在拌合過程中均勻分散在內部并形成密布的三維網絡結構,可抵抗由于水結冰引起的膨脹力,降低混凝土在凍融循環條件下的微裂縫的擴展;同時,在砂漿中擠壓或阻塞其毛細管,以減少水分損失面積,水分遷移困難,使得毛細管失水收縮形成的毛細張力降低,間接增大了砂漿收縮變形和開裂的阻力,綜合增強了混凝土對環境的應變能力.因此,優先組無論在抗壓強度還是抗凍性上都具有較好的應變能力.

3 結 論

a. 在凍融過程中,同等條件下摻有再生骨料的混凝土整體外觀變化較普通混凝土顯著,表面水泥砂漿剝落較嚴重.

b. 在相同條件下,隨著再生骨料摻量的增加,混凝土抗壓強度和抗凍性整體呈下降趨勢.

c. 結合正交試驗分析結論,從資源再利用和經濟的角度出發,當采用50%再生混凝土骨料時,A2B2C1D3為最優配比組合.

d. 優選組的應變能力大于對比組(全再生混凝土),接近基準組(天然混凝土),優選結果較為合理.再生混凝土摻量為50%,復摻粉煤灰和聚丙烯纖維可以明顯改善混凝土的抗壓強度和抗凍性.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Study on the Effect of Composite Powder and PolypropyleneFiber on the Frost Resistance of Recycled Concrete

WANG Lidan, ZHOU Zhiyun, YE Linfei, YE Shan

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The influences of 4 factors on the frost resistance of recycled concrete,including the mix quantities of fly ash,mineral powder,polypropylene fiber,and regenerated aggregate,were studied by the orthogonal testing method.The optimal ratio which meets the demands of good frost resistance was obtained by analyzing the mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of concrete.Meanwhile,the analysis on the stress-strain curves of concrete with optimal mixture ratio,ordinary concrete (reference group) and recycled aggregate concrete (control group) was carried out to examine the rationality of the optimized result.

recycledconcrete;orthogonalexperiment;frostresistance

1007-6735(2017)03-0301-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.03.016

2016-01-04

王麗丹(1992-),女,碩士研究生.研究方向:混凝土結構低溫耐久性.E-mail:wanglidan_119@163.com

周志云(1966-),女,副教授.研究方向:混凝土結構的基本理論和耐久性.E-mail:zhouzyfj@163.com

TU 528.041

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