聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能和干縮率的影響*

姚艷芳

(河北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引 言

混凝土是世界上使用量最大的建筑材料，年消耗量超過250億噸。混凝土建筑廢料破碎后的再生粗骨料和再生細(xì)骨料，均已經(jīng)用于制造固態(tài)廢棄物再生材料[1-2]。研究人員甚至已經(jīng)開始研究采用再生骨料制備高強(qiáng)度混凝土[3-4]。高效減水劑、礦物摻合料以及增強(qiáng)纖維等對(duì)混凝土性能有重要影響，并可提高材料的抗壓強(qiáng)度。通過在混凝土中加入硅灰、磨細(xì)高爐礦渣、粉煤灰和增強(qiáng)纖維等輔助材料，可以提高界面過渡區(qū)的剛度和強(qiáng)度，制備高強(qiáng)混凝土[5-7]。與傳統(tǒng)混凝土相比，添加輔助材料的普通硅酸鹽水泥孔隙率較低，孔隙尺寸更小。此外，加入輔助膠凝材料可以改變水泥水合物的礦物學(xué)性能，降低氯離子擴(kuò)散率[8-9]。

與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土更脆，不同尺寸裂紋的萌生和擴(kuò)展非常容易[10]。再生骨料由于其表面附著有水泥殘?jiān)虼似湮瘦^天然骨料高，更容易引起混凝土材料收縮裂紋，從而降低混凝土材料的強(qiáng)度[11-13]。因此，在混凝土中混雜纖維以及其它膠凝材料可以降低材料的干縮率，提高其力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、熱沖擊強(qiáng)度和韌性[14-17]。摻雜的纖維類型、長(zhǎng)徑比和彈性模量會(huì)影響混凝土材料裂紋的萌生和擴(kuò)展[18-19]，而膠凝材料的化學(xué)性質(zhì)也會(huì)影響混凝土材料的力學(xué)性能[20-21]。

W. C. Choi等[22]發(fā)現(xiàn)用0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))尼龍纖維和0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鋼纖維混雜增強(qiáng)可使試件的干縮比降低兩倍以上，纖維增強(qiáng)混凝土的收縮應(yīng)變降低65%。A. G. Khoshkenari等[23]采用再生骨料制備混凝土，制備的混凝土材料密度為2310和1970 kg/m3，吸水率分別為6.87%和14.05%，再生骨料制備的混凝土具有較低的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。此外，硅灰等膠凝劑對(duì)正常強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度和高強(qiáng)度混凝土的抗拉強(qiáng)度的影響尤為明顯[24]。H. A.Toutanji等[25]研究表明，摻雜聚丙烯纖維會(huì)降低混凝土抗氯離子的擴(kuò)散性。J. Blunt等[26]表明混雜纖維增強(qiáng)混凝土具有較高的抗裂性能，能有效地延緩鋼筋腐蝕，降低鋼筋的腐蝕速率，耐腐蝕性能和混凝土的收縮裂紋具有明顯的相關(guān)關(guān)系。然而少有研究者同時(shí)研究硅灰和纖維增強(qiáng)對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能和干縮率的影響。

本文以再生骨料、硅酸鹽水泥為原料，通過添加硅灰膠凝助劑和聚丙烯纖維，降低再生混凝土的干縮率，提高其力學(xué)性能。研究測(cè)試了再生混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的微觀結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度、干縮率、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)彈性模量，對(duì)制備高強(qiáng)度再生混凝土材料具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

硅酸鹽水泥(PO42.5)：細(xì)度為1.4%，燒失量為3.6%，初凝時(shí)間約195 min，終凝時(shí)間約250 min，抗壓強(qiáng)度為29.2 MPa，北京永鑫建材有限公司，其化學(xué)組成如表1所示。硅灰：耐火度>1 600 ℃，密度在0.20～0.25 g/cm3之間，平均粒徑約0.3 μm，比表面積為28 m/g，北京永鑫建材有限公司。

表1 水泥化學(xué)組成

再生骨料：包括再生細(xì)骨料和再生粗骨料，北京百旺環(huán)境科技有限公司。再生細(xì)骨料表面粗糙，但粒形較好，大多為多面立方體、多棱體或球體，其最大尺寸為4.75 mm，吸水率為3.30%，密度為2.45 g/cm3，空隙率為39%，堆積密度為1.50 g/cm3，表觀密度為2.44 g/cm3；再生粗骨料表面包裹少量砂漿和水泥素漿，表面凹凸不平，多孔隙、多棱角，其最大尺寸為19.00 mm，吸水率為1.20%，密度為2.69 g/cm3，空隙率為41%，堆積密度為1.50 g/cm3，表觀密度為2.552 g/cm3。高效減水劑：褐黃色粉末，含固量≥92%，pH值在7～9之間，硫酸鈉含量為17%，BASF公司。聚丙烯纖維：原料成分為聚丙烯單絲，其耐酸堿性極高，熱傳導(dǎo)性較低，無(wú)吸水性,大城縣亦博化工有限公司，聚丙烯纖維的性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 聚丙烯纖維的各項(xiàng)性能

圖1為聚丙烯纖維的實(shí)物圖和SEM圖。從圖1(a)可以看出，聚丙烯纖維為高強(qiáng)度束狀單絲纖維，為乳白色；從圖1(b)可以看出，聚丙烯纖維表現(xiàn)出中空分散和結(jié)構(gòu)規(guī)整的特性，為結(jié)晶性聚合物，其分子不帶極性基團(tuán)，粘結(jié)性和抗蠕變性能差，表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性。

圖1 聚丙烯纖維的實(shí)物圖和SEM圖Fig 1 Physical drawing and SEM images of polypropylene fiber

1.2 混凝土混合工藝

混凝土的水膠比設(shè)計(jì)為0.3，硅灰含量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。首先將細(xì)骨料、水泥和硅粉混合5 min，然后加入78 g水(包括強(qiáng)塑劑1 g)，再混合 5 min，接著加入粗骨料和剩余的水進(jìn)行攪拌。靜置5 min后，將纖維少量多次添加到旋轉(zhuǎn)混合器中，繼續(xù)攪拌5 min以獲得均勻的混合物。按照所需尺寸將混凝土成模，然后用濕塑料板覆蓋樣品，防止滴水，脫模并在23 ℃的石灰飽和水中浸泡一定實(shí)驗(yàn)周期,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，28和91 d。每次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備3個(gè)樣品，最終結(jié)果為3組樣品的平均值。

表3 混凝土混合料的配比

1.3 力學(xué)試驗(yàn)

根據(jù)GB/T50080進(jìn)行坍落度試驗(yàn)；根據(jù)普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2016和普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法GB/T 50082-2009，使用3 000 kN萬(wàn)能壓縮機(jī)，對(duì)尺寸為100 mm×200 mm的圓柱形試樣進(jìn)行壓縮性能和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)彈性模量試驗(yàn)。

1.4 自由干縮試驗(yàn)

按照GB/T29417-2012進(jìn)行自由干縮試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)環(huán)境為23 ℃、相對(duì)濕度為50%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7，28和91 d后。使用標(biāo)距為300 mm、讀數(shù)分辨率為0.002 mm的千分表引伸計(jì)測(cè)量干縮長(zhǎng)度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 可加工性分析

聚丙烯纖維和硅灰對(duì)坍落度試驗(yàn)結(jié)果的影響如表4所示。從表4可以看出，在普通混凝土中加入等量的硅灰，會(huì)使坍落度值降低，但硅灰可以增加聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的粘度，促使聚丙烯纖維在混凝土中分布均勻；增加聚丙烯纖維的含量也會(huì)使坍落度值降低，從而使混凝土的可加工性降低。因此，需要添加較高的強(qiáng)塑劑以保持聚丙烯纖維混凝土的可加工性。纖維含量為0.15%,0.30%和0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土中，0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚丙烯纖維摻雜的混凝土的坍落度值最低。

表4 聚丙烯纖維和硅灰對(duì)坍落度試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖2為不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖2可以看出，與普通純混凝土相比，養(yǎng)護(hù)齡期為7，28和91 d的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土(PFC0.15、PFC0.30和PFC0.45)的抗壓強(qiáng)度最高分別提高了7.2%，9.1%和11.5%；用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硅灰代替水泥(SFC10)，也可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為7和28 d的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土，隨著纖維含量的增加，不同纖維含量的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增加。這是由于硅灰可以填充毛細(xì)孔隙，改善界面過渡區(qū)的特征和水泥基體的微觀結(jié)構(gòu)，而且隨著聚丙烯纖維含量的增多，混凝土中并未出現(xiàn)聚丙烯纖維團(tuán)聚的現(xiàn)象，因此，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯纖維含量的增多而逐漸增大。但對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為91 d的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土，PFC0.45混凝土的抗壓強(qiáng)度低于PFC0.30混凝土，這可能是由于纖維摻雜量較多時(shí)，會(huì)增加混凝土的孔隙率，從而降低抗壓強(qiáng)度。

圖2 不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig 2 Compressive strength test results of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.3 SEM分析

圖3為不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度。從圖3可以看出，隨著混凝土內(nèi)聚丙烯纖維含量的增加，斷口處出現(xiàn)的纖維也逐漸增多，但聚丙烯纖維含量為0.15%，0.30%和0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的混凝土斷口處均沒有出現(xiàn)纖維團(tuán)聚的現(xiàn)象，說(shuō)明聚丙烯纖維在混凝土基體中分散良好。從圖3(a)～(c)可以看出，聚丙烯纖維混凝土中的聚丙烯纖維為拔出破壞，而不是直接斷裂。由此可知，聚丙烯纖維的拔出效應(yīng)可以有效增強(qiáng)聚丙烯纖維混凝土的斷裂韌性。

圖3 不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig 3 Compressive strength of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.4 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)彈性模量分析

圖4(a)為不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量。從圖4(a)可以看出，與素混凝土相比，含硅灰的混凝土由于密度較低，其動(dòng)態(tài)彈性模量略低，這是由于試件的密度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。此外，聚丙烯纖維的加入會(huì)使動(dòng)態(tài)彈性模量降低。摻入0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維后，28 d后動(dòng)態(tài)彈性模量比普通純混凝土降低3%。這是由于加入聚丙烯纖維致使混凝土的孔隙率增加造成的。

圖4(b)為不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的靜態(tài)彈性模量。從圖4(b)可以看出，硅灰的加入可以致密化漿體與骨料間的界面過渡區(qū)，增加混凝土的密度，使混凝土的彈性模量提高。與普通混凝土相比，聚丙烯纖維的摻雜會(huì)導(dǎo)致混凝土的靜態(tài)模量增加。由圖4(b)可知，不同不同纖維含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，靜態(tài)模量均有不同程度的增加，摻雜0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土91 d齡期靜態(tài)彈性模量增幅可達(dá)6%,其91 d靜態(tài)彈性模量為37.5 GPa。

圖4 不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的彈性模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 4 Experimental results of elastic modulus of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.5 干縮率分析

圖5為不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的干縮率。從圖5可以看出，用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硅灰替代水泥后，混凝土的干縮應(yīng)變比純混凝土降低了9.2%。這是因?yàn)楣杌夷芙档突炷恋目紫堵剩㈦S著C-S-H凝膠的增加而產(chǎn)生更致密的混凝土，硅灰通過填充小孔和增加硬化水泥漿體的密度，從而減少混凝土的干燥收縮，在加固混凝土結(jié)構(gòu)方面具有顯著效果。由圖5可知，不同試件的干縮在起始日無(wú)顯著性差異，而在28 d后出現(xiàn)顯著性差異。此外，與普通純混凝土相比，纖維含量為0.15%，0.30%和0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的干縮比最大分別降低了15.1%，18.4%和18.2%。混凝土在112 d干燥后，收縮趨于穩(wěn)定。由此可知，硅灰和聚丙烯纖維的摻雜可有效降低混凝土的干縮，而且隨纖維含量的增加，收縮應(yīng)變逐漸降低。

圖5 不同纖維含量的聚丙烯纖維混凝土的干縮率Fig 5 Dry shrinkage of polypropylene fiber concrete with different fiber content

3 結(jié) 論

研究了硅灰和聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能和干縮性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 在混凝土中摻雜硅粉和纖維會(huì)降低混凝土的可加工性，為了保持與普通純混凝土相同的坍落度值，需要使用更高劑量的高效減水劑。

(2)用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硅灰代替水泥，可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。而且在聚丙烯纖維含量較高的混合物中可獲得較高的抗壓強(qiáng)度，此外，硅灰還可填充毛細(xì)孔隙，改善界面過渡區(qū)的特征和水泥基體的微觀結(jié)構(gòu)。

(3)聚丙烯纖維的摻雜會(huì)降低混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量降低，提高混凝土的靜態(tài)彈性模量。摻雜0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土91 d齡期靜態(tài)彈性模量增幅可達(dá)6%,其91 d靜態(tài)彈性模量為37.5 GPa。

(4)硅灰和聚丙烯纖維的摻雜可有效降低混凝土的干縮，而且隨纖維含量的增加，收縮應(yīng)變逐漸降低。