纖維再生混凝土材料力學性能試驗研究

關曉迪，馬 迪，魏歡歡，亢佳偉，雷天奇

(1.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048;2.西安交通工程學院土木工程學院，陜西 西安 710300;3.楊凌職業技術學院建筑工程學院，陜西 咸陽 712100;4.陜西鐵路工程職業技術學院道橋與建筑學院，陜西 渭南 714099)

在工程實踐中，再生混凝土的研究和使用較好地解決了建筑垃圾處理問題以及天然砂石資源短缺問題[1]，然而再生混凝土的骨料強度低、易破碎、耐久性差等特性限制了其在建筑行業的廣泛應用[2]。經研究發現，纖維均勻分布于混凝土內部形成三維網狀結構，可以改善再生混凝土的力學性能，因此研究纖維再生混凝土力學性能及纖維增強再生混凝土的機理可以推進再生混凝土的工程應用。

現階段，國內外學者對纖維再生混凝土的試驗和理論研究方面研究較多。Feldman等[3]通過開展試驗，發現鋼纖維和聚丙烯纖維分別提高了改性混凝土極限強度、韌性。Banthia[4]通過將不同類型纖維混合加入普通強度混凝土中，研究了聚丙烯纖維對混凝土韌性的影響。孫家瑛[5]通過開展試驗，研究了纖維混凝土的抗滲性能，明晰了纖維對各齡期混凝土抗氯離子滲透性能及抗凍融循環耐久性能的影響。羅洪林等[6]、張悅[7]、雷江[8]通過研究聚丙烯纖維在混凝土中的應用，探討了長徑比對聚丙烯混凝土的力學性能的影響。佟鈺等[9]通過開展試驗，研究了聚丙烯纖維對水泥土的增強增韌作用，研究結果表明聚丙烯纖維明顯地提高水泥基材料的力學性能。孔祥清等[10-11]通過開展試驗，發現混雜纖維對再生混凝土的力學性能和抗沖擊性能呈現混雜增強效應。周靜海等[12-14]通過研究廢棄纖維再生混凝土在不同再生骨料摻入量、纖維長度和水灰比條件下劈裂抗拉強度，得到了纖維顯著增強了再生混凝土的強度和韌性的結論。上述研究成果均有益地推進了纖維再生混凝土試驗和理論研究方面的發展。

值得注意的是，針對纖維種類對再生混凝土材料性能的影響，以及纖維直徑、長度和摻入量對再生混凝土力學性能的影響方面還缺乏系統的研究。基于此，本文開展了不同纖維種類對再生混凝土材料力學性能的影響，以及采用正交試驗的方法設計，分析了聚丙烯纖維直徑、纖維長度和質量比對添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響。研究成果以期為纖維在再生混凝土中推廣應用提供一定的參考。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

該再生混凝土試驗主要原料為廢磚塊、廢混凝土、水泥和不同纖維，其中廢磚塊和廢混凝土取自陜西省西安市鄠邑區余下鎮吳家堡村當地磚廠提供廢磚塊和廢混凝土的破碎和篩分；水泥取自陜西省耀縣秦嶺牌P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，初凝時間130 min，終凝時間310 min，28 d抗折、抗壓強度分別為8.8、52.2 MPa，水泥主要化學組成見表1，顯然水泥的主要成分為堿性物質，水解后會在混凝土中形成堿性環境；植物纖維和聚丙烯纖維在網上購置，見圖1，左一為植物纖維，中間為直聚丙烯纖維，右一為曲聚丙烯纖維，纖維基本性能參數見表2。試驗中，將廢磚塊中較粗的(粒徑5 ～15 mm)作為粗骨料，將廢混凝土中較細的(粒徑5 mm以下)作為細骨料，再生粗細骨料見圖2。

表1 水泥化學組成

圖1 植物纖維與聚丙烯纖維

表2 不同纖維基本性能參數

圖2 再生骨料

1.2 試樣制備

1.3 試驗方案

首先通過控制再生混凝土材料中纖維的種類，對比分析了纖維種類對再生混凝土材料力學性能的影響，具體的材料組成見表3；然后采用正交試驗的方法設計，考察3個影響因素：聚丙烯纖維直徑、纖維長度和纖維質量比對添加聚丙烯纖維再生混凝土材料性能的影響，試件編號及配合比結果見表4。試驗測試每組試樣的力學性能，包括單軸抗壓和劈裂抗拉試驗，每種強度測試有3個試樣，取其均值作為強度值，分別測試其7、28 d的單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度。

表3 不同再生混凝土試樣的材料屬性

表4 正交試驗方案設計

2 試驗結果及分析

2.1 不同纖維再生混凝土的試驗結果與分析

2.1.1纖維種類對試樣的破壞形態影響分析

圖3為不同纖維再生混凝土試樣破壞形態。由圖可知：K1和K4試樣破壞程度較為嚴重，其中K1試樣邊緣破壞嚴重，K4試樣中心及下部破壞嚴重；K2和K3試樣出現延性破壞，試樣表面出現未貫通裂隙，但整體性較好，試樣基本上未發生脫落和破碎現象。這是由于植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土破壞，而曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土破壞。

圖3 不同纖維再生混凝土試樣破壞形態

2.1.2纖維種類對試樣應力應變曲線影響分析

圖4為不同纖維再生混凝土試樣應力應變曲線。由圖可知：養護7 d時，K2試樣的抗壓強度和劈裂抗拉強度均比K1試樣大，養護28 d時，K2與K1試樣的強度較為接近。這是由于隨著養護時間的增加，植物纖維在再生混凝土中發揮的作用逐漸減小；同時在養護周期內K3試樣的抗壓強度和劈裂抗拉強度均大于K1試樣，K4試樣均小于K1試樣。

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應力應變曲線

圖4 不同纖維再生混凝土試樣應力應變曲線

2.1.3纖維種類對試樣強度影響分析

表5為不同纖維再生混凝土的試樣強度。由表可知：隨著養護時間增加，不同纖維再生混凝土試樣的單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度逐漸增加，且前者增加幅度大于后者，說明養護時間對試樣單軸抗壓強度的影響更明顯；養護7 d時，K2、K3試樣的單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度均大于K1試樣，其中抗壓強度分別增大8.9%和22.8%，抗拉強度分別增大17.7%和21.0%，養護28 d時，K2試樣的抗壓、抗拉強度與K1試樣基本相等，K3試樣的抗壓和抗拉強度的增大幅度接近30%，K4試樣的抗壓和抗拉強度小于K1試樣。

表5 不同纖維再生混凝土的試樣強度

上述分析表明：直聚丙烯纖維增強了再生混凝土的力學性能，曲聚丙烯纖維削弱了力學性能，這可能是由于后者因為波動不能較好地與水泥漿體膠結，使得未膠結部位成為薄弱點；植物纖維養護初期增強了再生混凝土的力學性能，而養護后期增強作用逐漸消失，這是由于再生混凝土內部是堿環境，植物纖維在堿環境中會不斷地受到腐蝕，導致強度和結構受到破壞。

——不管別人已經做過多少研究，每個“點”自己都要動手摸一遍；若干年后將這些“點”串聯起來，便是“線”，是自己構建的“自己的解釋體系”(歷史就是這樣由不同之人構建的能夠“自圓其說”的解釋體系).

2.2 聚丙烯纖維再生混凝土的試驗結果與分析

2.2.1聚丙烯纖維物理特性對試驗結果影響分析

表6為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強度。由表可知：Z3試樣的力學性能最好，28 d抗壓強度僅次于Z9試樣，28 d抗拉強度僅次于Z5、Z7試樣，表明聚丙烯纖維直徑為0.2 mm，長度為40 mm，摻入質量比為0.3%時性能較好。

表6 聚丙烯纖維物理特性對再生混凝土強度的影響 單位：MPa

2.2.2纖維物理特性對抗壓強度的極差分析

表7為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗壓強度P的極差分析。由表可知：養護7 d時，纖維長度對抗壓強度的影響最大，摻入質量比次之，纖維直徑最小，養護28 d時，摻入質量比對抗壓強度的影響最大，纖維長度次之，纖維直徑最小；且養護7 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.2、40.0 mm，摻入質量比為0.1%時，再生混凝土的抗壓強度最優，養護28 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為1、20 mm，摻入質量比為0.1%時，再生混凝土的抗壓強度最優。

表7 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗壓強度的極差分析

2.2.3纖維物理特性對抗拉強度的極差分析

表8為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣抗拉強度T的極差分析。由表可知：養護7 d時，摻入質量比對抗拉強度的影響最大，纖維直徑次之，纖維長度最小，養護28 d時，纖維長度對抗拉強度的影響最大，摻入質量比次之，纖維直徑最小，表明隨著凝結硬化愈加充分，纖維長度對于抗拉強度的改善作用愈加明顯；且養護7 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.5、40.0 mm，摻入質量比為0.6%時，再生混凝土的抗拉強度最優，養護28 d時，聚丙烯纖維直徑、長度分別為0.2 、40.0 mm，摻入質量比為0.3%時，再生混凝土的抗拉強度最優。

表8 不同纖維物理特性條件下再生混凝土抗拉強度的極差分析

2.2.4纖維物理特性對試樣強度的方差分析

表9為不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強度的方差分析。由表可知：聚丙烯纖維質量比對抗壓和抗拉強度均有顯著影響，纖維長度對抗拉強度影響顯著，纖維直徑僅對抗拉強度有影響。對于抗壓強度，質量比的影響程度最大，長度次之，直徑最小，對于抗拉強度，長度的影響程度最大，質量比次之，直徑最小，這與極差分析的結果相吻合。表明聚丙烯纖維質量比和長度是影響再生混凝土材料強度的重要因素。

表9 不同纖維物理特性條件下再生混凝土試樣強度的方差分析

3 結論

a)植物纖維和直聚丙烯纖維均可以抑制再生混凝土的破壞，曲聚丙烯纖維不能抑制再生混凝土的破壞；植物纖維和直聚丙烯纖維可以增強再生混凝土的峰值強度和變形模量，隨著養護時間的增加，植物纖維的增強效果減弱，曲聚丙烯纖維會削弱再生混凝土的峰值強度和變形模量。

b)對于抗壓強度，摻入質量比的影響程度最大，纖維長度次之，纖維直徑最小，對于抗拉強度，纖維長度的影響程度最大，摻入質量比次之，纖維直徑最小。

c)聚丙烯纖維質量比對抗壓強度和抗拉強度均有顯著影響，聚丙烯纖維長度對抗拉強度影響顯著，說明纖維質量比和長度是影響再生混凝土材料強度的重要因素。