聚丙烯纖維對再生混凝土力學及收縮性能影響研究

王 坤

(新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830000)

隨著我國基礎建設行業的快速發展及技術的革新，使得面臨拆除改建的建筑工程越來越多， 隨之帶來了大量的廢舊建筑垃圾[1-2]。 據調查統計：截至2020 年初我國已產生了10 億多t 的廢舊建筑垃圾，并且還以每年15%左右的增速繼續增長， 而目前廢舊建筑垃圾的主要處理方式為自然堆放，致使其占用了大量的土地資源，同時也造成嚴重的環境污染[3]。再生混凝土是廢舊建筑垃圾處理的有效途徑之一， 但是普通的再生混凝土仍然存有強度低、脆性大的缺陷，因此如何改善再生混凝土的使用性能已成為了當下熱點研究課題[4-5]。

目前， 國內學者在聚丙烯纖維改善混凝土性能方面進行了不少研究，如黃鑫等[6]通過采用正交試驗研究了聚丙烯纖維長度、砂率等因素對混凝土力學強度的影響；元成方等[7]通過對聚丙烯纖維混凝土展開高溫試驗，系統研究了高溫條件下聚丙烯纖維混凝土的損傷機理；雷亮[8]以某橋梁工程施工為實例， 研究了聚丙烯纖維混凝土的配合比設計及其在橋梁工程的施工應用。 聚丙烯纖維混凝土方面的現有研究成果頗多， 而其在改善再生混凝土方面的研究相對較少。基于此，本文將不同體積摻量的聚丙烯纖維和不同取代率的再生粗骨料進行配比制備出C60纖維再生混凝土，以立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及干燥收縮變形為試驗指標， 詳細分析了聚丙烯纖維摻量對不同取代率再生混凝土強度及收縮性能的影響規律， 旨為聚丙烯纖維在再生混凝土工程中應用提供一定參考及指導。

1 試驗材料及配合比設計

1.1 原材料

試驗原材料水泥采用P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，密度為3140 kg/m3，比表面積為355 m2/kg，28 d 抗壓強度為51.7 MPa；天然粗骨料采用粒徑為5 mm～25 mm 的石灰巖碎石，表觀密度為2730 kg/m3，單位體積質量為1.53 kg/L，吸水性為0.85%，壓碎值為7.4%；再生粗骨料采用由廢棄混凝土破碎而成的碎石，粒徑范圍為5 mm～25 mm，表觀密度為2550 kg/m3，單位體積質量為1.41 kg/L，吸水性為6.29%，壓碎值為13.7%；細骨料采用細度模數為2.46 的中粗河砂，表觀密度為2610 kg/m3；聚丙烯纖維(PPF)采用單絲聚丙烯纖維，長度為12 cm，密度為910 kg/m3，其各項物理性能指標如表1 所示； 減水劑采用高效聚羧酸系減水劑；水為市政自來水。

表1 聚丙烯纖維的性能指標

1.2 試驗配合比設計

聚丙烯纖維采用干摻的方式添加到C60 普通高強度混凝土中，普通與再生混凝土分別用NN、RN 表示。 試 驗 基 準 配 合 比 為C∶W∶S ∶G=1∶0.33∶1.45∶2.37，其中砂率為38%， 聚丙烯纖維摻量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.2%，再生粗骨料取代率分別為0、30%、50%，為了便于試驗過程中相關表述，分別將不同再生粗骨料取代率的混凝土試件分成NN0、RN30 和RN50 三組，所采用的配合比設計具體如表2所示。

表2 再生混凝土配合比設計

2 試驗方法

表3 再生混凝土養護條件及試件尺寸

3 試驗結果及分析

3.1 立方體抗壓強度

通過對不同聚丙烯纖維再生混凝土試件進行立方體抗壓強度測試，得到28 d 齡期時抗壓強度試驗結果如圖1 所示。

圖1 不同聚丙烯纖維再生混凝土的抗壓強度實測結果

由圖1 可知，在未摻聚丙烯纖維情形下，混凝土的立方體抗壓強度隨著再生粗骨料的增加逐漸降低； 隨著聚丙烯纖維摻量的增加，NN0、RN30 和RN50 三組混凝土的立方體抗壓強度均呈先減小后增大的變化， 但各組混凝土的抗壓強度整體表現為明顯降低， 表明了聚丙烯纖維的摻入不能有效增強基準混凝土和再生混凝土的立方體抗壓強度，原因是聚丙烯纖維屬于柔性類纖維，其彈性模量遠低于普通混凝土， 因而無法承擔水泥基體受壓過程中產生的分散力， 故聚丙烯纖維不能改善再生混凝土的立方體抗壓強度。

3.2 劈裂抗拉強度

通過對不同聚丙烯纖維再生混凝土試件進行劈裂抗拉強度測試， 得到28 d 齡期時抗拉強度試驗結果如圖2所示。

圖2 不同聚丙烯纖維再生混凝土的抗拉強度實測結果

由圖2 可知， 聚丙烯纖維再生混凝土的抗拉強度都隨著再生粗骨料的增加逐漸減小； 在相同再生粗骨料取代率條件下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，NN0、RN30 和RN50 組混凝土的劈裂抗拉強度均呈先增大后減小的變化趨勢， 其中NN0 和RN50 組的劈裂抗拉強度在聚丙烯纖維摻量0%至0.10%范圍內逐漸增大，而N30 組的劈裂抗拉強度則在聚丙烯纖維摻量0%至0.15%范圍內逐漸增大， 當聚丙烯纖維摻量超過相應的范圍后各組混凝土的劈裂抗拉強度均隨之逐漸降低。 NN0、RN30 和RN50 組混凝土的劈裂抗拉強度最大值分別為4.19 MPa、3.95 MPa、3.58 MPa， 較基準混凝土分別增長了9.7%、6.8%、6.2%，表明聚丙烯纖維摻入能夠有效增強混凝土的劈裂抗拉強度， 原因是聚丙烯纖維的彈性模量較低且具有良好的延性，可在混凝土基體內部形成有效的空間網絡，因此適量分散的聚丙烯纖維起到了良好的黏聚及抗拉作用， 而聚丙烯摻量過大會造成纖維發生結團或分散不均現象，致使混凝土基體的宏觀缺陷可能性得到提高， 從而降低了混凝土的抗拉強度。

3.3 抗折強度

通過對不同聚丙烯纖維再生混凝土試件進行抗折強度測試，得到28 d 齡期時抗折強度試驗結果如圖3 所示。

圖3 不同聚丙烯纖維再生混凝土的抗折強度實測結果

根據圖3 可知，隨著再生粗骨料的增加，不同聚丙烯纖維再生混凝土的抗折強度均逐漸減小； 隨著聚丙烯纖維摻量的增加，NN0、RN30 和RN50 組再生混凝土的抗折強度整體上都呈現出增大的變化趨勢， 其中當聚丙烯纖維摻量為0%時， 各組再生混凝土的抗折強度分別為6.5 MPa、5.38 MPa、4.72 MPa， 而當聚丙烯纖維摻量增至0.15%時， 混凝土的抗折強度分別為7.57 MPa、6.9 MPa、6.52 MPa，較前者分別提高了16.5%、28.3%、38.1%，說明合理摻量的聚丙烯纖維能夠有效增強再生混凝土的抗折強度， 原因是聚丙烯纖維在混凝土基體折斷過程中發揮出良好的牽拉作用，故抗壓強度和延性得到明顯提高；但聚丙烯纖維過量容易形成雜亂堆積、應力集中等現象，從而致使抗折強度降低。

3.4 干燥收縮

通過對不同聚丙烯纖維再生混凝土試件進行干燥收縮測試， 分別得到7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 齡期時的干燥收縮率變化曲線如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著再生骨料或齡期的增大，不同聚丙烯纖維再生混凝土的干燥收縮率也逐漸增大； 隨著聚丙烯纖維的增加， 再生混凝土的干燥收縮率整體上均呈逐漸下降的變化趨勢， 說明聚丙烯纖維有利于增強再生混凝土的干燥收縮性能，原因是聚丙烯纖維質地比較柔軟，其摻入基體內能很好的與水泥砂漿緊密粘結， 從而提高了混凝土基體抵抗應力及變形的能力， 故在一定程度削弱了混凝土的干燥收縮程度。 當聚丙烯纖維摻量在0～0.10%范圍內時，各組再生混凝土的干燥收縮降幅較為明顯；當聚丙烯纖維摻量在0.10%～0.20%范圍內時，混凝土的干燥收縮降幅隨著聚丙烯纖維摻量的增加逐漸趨于平穩，而過量的纖維在基體內部容易產生結團現象，使得改善再生混凝土干燥收縮性能的最佳纖維摻量難以確定，但當齡期為90d、聚丙烯纖維摻量為0.20%時，NN0、RN30和RN50 組再生混凝土的干燥收縮率分別為3.74×10-4、5.72×10-4、6.71×10-4，較基準混凝土均有明顯的降低。

圖4 不同聚丙烯纖維再生混凝土的干燥收縮率變化曲線

4 結語

(1)隨著再生骨料的增多，聚丙烯纖維再生混凝土的強度整體上均有不同程度的降低， 而其干燥收縮率則隨之逐漸增大。

(2) 聚丙烯纖維不能有效改善再生混凝土的抗壓強度， 但合理摻量的聚丙烯纖維有利于改善再生混凝土的韌性，增強再生混凝土的抗拉強度和抗折強度。

(3)聚丙烯纖維能與再生混凝土基體內的水泥砂漿緊密結合，有利于提升混凝土基體抵抗應力及變形的能力，增強了再生混凝土的干燥收縮性能， 可作為改善再生混凝土干燥收縮性能比較理想的材料之一。