粉煤灰/不同骨料對纖維自密實再生混凝土力學性能影響*

王晉浩，鄭傳磊，金寶宏,，趙亞娣，李淑翔，李新正，楊保明，候玉飛

(1. 寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021； 2. 寧夏大學 新華學院，銀川 750021)

0 引 言

隨著國內建設活動變得越來越頻繁，混凝土的消耗也在與日俱增。石子作為配置混凝土不可或缺的材料，大量開采造成骨料資源枯竭、無法持續滿足建設工程的需求和一系列生態環境問題。與此同時，由于建筑的老舊和自然災害的破壞，大批建筑物的拆除也產生了大量固廢[1]。

纖維自密實混凝土具有劈拉強度高、早期開裂少、干燥收縮變形小等特點[2]。再生混凝土是利用再生骨料替代天然石子的新型綠色混凝土，可以用來解決砂石資源短缺和環境問題，形成建筑材料循環利用。但是由于再生骨料具有吸水率高、過渡界面復雜、壓碎指標大等諸多劣性，導致再生混凝土強度和耐久性低于普通混凝土[3-6]。為了強化再生混凝土力學性能，各國學者對再生骨料的預處理和再生混凝土基體的改性摻和視為研究重點[7-8]。主要包括骨料物理改性處理[9]、骨料化學改性處理[10-12]、水化水泥漿體改性處理[13]、骨料重組[14]和界面過渡區改性處理[15]。不引入再生混凝土成分體系外的骨料化學改性和骨料重組強化效果較好。羅素榮等[11]用納米二氧化硅對再生骨料進行改性處理后，再生混凝土的界面過渡區壓痕模量得到提升、疲勞性能得到改善。曹鑫鋮等[12]通過用水泥漿對再生骨料進行包裹處理，發現采用42.5R的水泥效果最好而且增強了過渡界面。Bui等[14]通過骨料成分重組方式將再生骨料替代小粒徑的天然骨料，得到的混凝土比傳統再生混凝土具有更高的彈性模量和劈拉強度。

鋼渣和粉煤灰都是工業活動的副產品。鋼渣具有表面粗糙、壓碎指標低、吸水率好等特點[16]，目前被用于地基回填，路基和農業等領域，但其綜合利用率僅為30%[17]。將適量的鋼渣石摻入到混凝土中，會提高混凝土強度和耐磨性能[16,18]。粉煤灰可以延遲火山灰反應、降低水化反應放出的水化熱、增強混凝土抗開裂能力、減少混凝土內部堿儲備[19-21]。

目前，國內外學者對纖維自密實再生混凝土研究較少。本文從骨料成分重組和混合水泥漿包裹改性處理方式著手，將鋼渣石和包漿再生骨料復摻替代天然石子，設計PVA體積分數、鋼渣石替代率、粉煤灰摻量和包漿再生骨料替代率的四因素四水平正交試驗，研究4種因素對纖維自密實再生混凝土力學性能影響，對比鋼渣石和包漿再生骨料在混凝土中力學性能影響大小并總結再生骨料改性經驗。

1 實驗設計

1.1 原材料

水泥采用寧夏賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓和彎折強度分別為46.3和7.5 MPa。粉煤灰為靈武發電廠生產的二級粉煤灰。PVA為日本可樂麗公司生產的直徑31微米長度為9毫米的短切纖維，詳細性能如表1。再生骨料來源于廢棄公路路面，原始強度為C30，二次破碎后篩選出5～20 mm粒徑；包漿再生骨料由再生骨料包裹混合水泥漿得到；天然石子產自鎮北堡；鋼渣石來自當地煉鋼廠的鋼渣廢料；表2為4種粗骨料基本物理性能。減水劑為北京幕湖公司生產的聚羧酸高效減水劑(粉劑)，減水率為20%。水為銀川城市自來水。粗骨料和PVA外觀見圖1。

表1 PVA主要性能指標Table 1 Main performance indicators of PVA

表2 粗骨料基本物理性能Table 2 Basic physical properties of coarse aggregates

圖1 粗骨料和PVAFig.1 Coarse aggregate and PVA

1.2 試驗設計

為研究PVA、鋼渣石、粉煤灰和包漿再生骨料對纖維自密實再生混凝土力學性能的影響，考慮4個因素：PVA體積分數Vp、鋼渣石替代率Rs、粉煤灰摻量Rf以及包漿再生骨料替代率Rc，每個因素設置4個水平，如表3所示。采用L16(45)正交試驗表。每組配合比如表4所示。減水劑摻量為0.5%～1.0%。

表3 因素水平Table 3 Factor level

表4 纖維自密實再生混凝土配合比Table 4 Mix proportion of fiber reinforced self-compacting recycled concrete kg/m3

1.3 試件制備及試驗方法

包漿再生骨料采用水膠比為0.5，粉煤灰摻量為20%的42.5R水泥漿進行包裹[12]，在室內陰處靜置3 d后倒入混凝土。鋼渣石放在裝水的桶中陳化12 d以上，以使得會影響混凝土后期體積穩定性的f-CaO和f-MgO盡可能反應[22]。粉煤灰按照《自密實混凝土應用技術規程》[23]中的混凝土配合比設計方法摻入，填充性能設計為SF3級。攪拌方式采用二次攪拌[24]，振搗方式采用手動振搗。在混凝土入模1d后脫模，再移到標準養護室至28 d齡期。試驗設備采用美特斯工業系統(中國)有限公司的SHT-4106型壓力試驗機。試驗一共制備9個100 mm×100 mm×100mm的混凝土立方體塊和4個100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，分別用于測試混凝土立方體抗壓、劈裂抗拉及彎折試驗。

2 結果與分析

2.1 破壞形態

2.1.1 立方體抗壓破壞形態

圖2為立方體抗壓試驗破壞形態。在加載前期，試件中部和底部只出現少許微小裂縫。到了加載中期，試件兩側底邊角出現大裂縫并以縱向方向逐漸往頂部發展，同時試件受壓膨脹導致中部的短小裂縫橫向相互貫通連接形成長裂縫。到加載后期，混凝土內部形成長裂縫，試件失穩破壞，試驗停止。對于未摻PVA的試件，出現較大表面混凝土脫落，如圖2(a)L1所示。隨著PVA的體積分數增加，纖維的橋接和應力傳遞作用越明顯，試件周身布滿細小裂縫，最終形態完整度也越高，如圖2(b)L8和(c)L14所示。不同再生骨料在混凝土立方體破壞形態上并無明顯區別。

圖2 立方體抗壓試驗破壞形態Fig.2 Failure forms of cube compressive test

2.1.2 劈拉破壞形態

圖3為試件劈拉試驗破壞形態。在加載前期，試件處于彈性階段，頂部和底部墊條處出現微小裂縫。隨著試驗進行，到加載中后期，裂縫逐漸往試件中部延伸形成一條連續的大裂縫。到達最大荷載時，會發生“砰”的一聲，試驗隨即停止。對于PVA體積分數較低的試件，其只有一條主裂縫，斷裂面平整，試件完整性高，如圖3(a)L2所示。而PVA摻量較高的試件，纖維四周的水泥砂漿會由于橋接作用在拉拔過程中出現破壞，導致試件出現一條主裂縫和次裂縫，如圖3(b)L15所示。對所有L1-L16的試件，觀察其斷裂面，發現全部鋼渣石均發生折斷；而其他粗骨料會因為與砂漿界面間的黏結破壞出現部分剝離部分折斷現象，如圖3(c)L7所示。

圖3 劈拉試驗破壞形態Fig.3 Failure forms of splitting tensile test

2.1.3 彎折破壞形態

圖4為試件彎折試驗破壞形態。在加載前期，試件在跨中部位并未出現明顯裂縫。隨著荷載的增加，到接近破壞荷載時，試件跨中底部位置逐漸出現微小裂縫并往頂部快速發展。達到破壞荷載時，試件伴隨“砰”的一聲被瞬間折斷，發生脆性破壞。觀察所有試件側面，大都只出現一條較為筆直的裂縫，如圖4(a)L8所示。從試件斷裂面可以看出，鋼渣石均發生折斷；而其他粗骨料發生部分折斷部分粘結破壞，如圖4(b)L8所示。

圖4 彎折試驗破壞形態Fig.4 Failure forms of flexural test

2.2 混凝土力學性能

表5為纖維自密實再生混凝土的抗壓強度(fcu)、劈拉強度(fts)和彎折強度(ff)。為考察PVA體積分數Vp(A)、鋼渣石替代率Rs(B)、粉煤灰摻量Rf(C)和再生骨料替代率Rc(D)對纖維自密實再生混凝土強度的影響程度，找出顯著性影響因素，進行極差和方差分析并分別把結果列于表6和表7。

表5 正交試驗結果Table 5 Orthogonal experiment results/MPa

表6 正交試驗極差分析結果Table 6 Results of range analysis of orthogonal experiment/MPa

表7 正交試驗方差分析結果Table 7 Results of analysis of variance of orthogonal experiment/MPa

2.2.1 立方體抗壓強度

由表5可以看出16組纖維自密實再生混凝土抗壓結果都滿足C30混凝土強度。粉煤灰摻量對抗壓強度影響程度最大，極差為14.000 MPa。

由圖5(a)可知，隨著Rf的增加，抗壓強度呈增大趨勢；隨著Vp和Rs的增加，抗壓強度呈先增大后下降趨勢；隨著Rc的增加，抗壓強度呈先下降后上升趨勢。

圖5 PVA體積分數(Vp)、鋼渣石替代率(Rs)、粉煤灰替代率(Rf)和包漿再生骨料替代率(Rc)對強度的影響Fig.5 The influence of PVA volume fraction(Vp), steel slag stone replacement rate(Rs), fly ash replacement rate(Rf) and wrapped slurry recycled coarse aggregate replacement rate(Rc) on strength

Rf從0%增加到30%(質量分數)，抗壓強度提高34.4%。因為本次試驗按照《自密實混凝土應用技術規程》[23]摻入的粉煤灰，導致水膠比從0.5下降到了0.41，從而混凝土強度出現較大增幅。Vp從0%增加到1.0%(體積分數)，抗壓強度提高10.8%；當增加到1.5%時，抗壓強度卻出現下降。這是因為在PVA摻入適量的情況下，纖維在受壓過程中傳遞了應力，改善了基體內部的應力分布，使得抗壓強度得到提升；但是過高的摻量造成纖維在基體內部形成非定向支撐體系，對混凝土各組分之間的堆聚產生促進作用；另一方面，纖維的摻入會消耗掉一部分用于包裹粗骨料和細骨料的水泥砂漿，減弱了骨料的滑移流動作用，影響纖維自密實再生混凝土的工作性能，造成混凝土孔隙率更高且不密實[25-26]。

Rs從0%增加到20%，抗壓強度提高8.9%。由于鋼渣石吸水率低且壓碎指標高，骨料物理性能高于天然碎石，因此混凝土強度出現提升；當Rs增加到30%，抗壓強度卻下降1.9%，這是因為鋼渣石表面多孔，隨著摻量的提高，使得更多的水泥漿體去填充鋼渣石內部孔隙，而沒有用于包裹骨料，也沒有用于降低基體水膠比，因而強度出現下降。

Rc從0%增加到30%，抗壓強度下降了1.3%，這是包漿再生骨料的物理性能低于天然骨料，導致混凝土強度出現下降；當增加到70%時，抗壓強度提高9.3%，是因為隨著替代率的增加，包漿再生骨料表面未充分水化的活性物質在倒入混凝土后，降低了界面過渡區的水膠比[27]，同時由于包漿再生骨料的界面過渡區部位存在濃度梯度，骨料內部的水分子往外滲透，而基體中的活性物質往骨料方向移動，此過程中產生大量AFt和C-S-H，形成了更為致密的界面過渡區[28-29]。此兩種正面效應逐漸大于了再生骨料劣性給混凝土的負面影響，從而提升了抗壓強度。

由表7可知，粉煤灰是纖維自密實再生混凝土抗壓強度的顯著因素，PVA、鋼渣石和包漿再生骨料是非顯著因素，但包漿再生骨料的顯著性高于鋼渣石。在僅考慮抗壓強度的情況下，最佳配合比為：1%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，70%的包漿再生骨料。

2.2.2 劈拉強度

由表6可知：影響纖維自密實再生混凝土劈拉強度的因素依次為粉煤灰摻量Rf(C)>PVA體積分數Vp(A)>鋼渣石替代率Rs(B)>包漿再生骨料替代率Rc(D)，其中Rf對劈拉強度影響程度最大，極差為0.65 MPa。

由圖5(b)可知，隨著Vp、Rf和Rc的增加，劈拉強度均呈增大趨勢；隨著Rs的增加，劈拉強度先持平后增大，最后下降。Rf從0%增加到30%，劈拉強度提高21.6%。粉煤灰不僅通過分散水泥顆粒，形成更致密的水泥骨架，而且還作為微集料給C-S-H等水化產物的生長提供額外表面[30]，同時隨著摻量的增加，改善了纖維自密實再生混凝土的和易性，此3種效應協同作用下，使得混凝土強度提高。

Vp從0%增加到1.5%，劈拉強度提高9.1%。這是因為PVA在混凝土基體內部隨機分布，當受到拉力荷載時，纖維起到了傳遞應力的作用，在混凝土出現裂縫過程中，纖維與混凝土基體間形成橋接作用，其具有高彈性模量的特性再加上與基體間機械咬合力和粘結力，增強了基體的強度和韌性[31]。

Rs從0%增加到20%，劈拉強度提高4.9%，表明鋼渣石在低替代率下能夠增強混凝土劈拉強度。這是因為鋼渣石表面較天然碎石粗糙，與膠凝材料的機械咬合力和粘結作用更強，在其受到劈拉荷載時，鋼渣石與周圍膠凝材料緊密結合共同承擔荷載，直到骨料被折斷也不發生與砂漿界面間的黏結破壞；當增加到30%，劈拉強度與未摻入鋼渣石的混凝土相比并沒有明顯變化。Rc從0%增加到70%，劈拉強度只提高4.0%，表明包漿再生骨料對劈拉強度影響不明顯。

由表7可知，粉煤灰是纖維自密實再生混凝土劈拉強度的顯著因素，PVA有一定影響。鋼渣石對劈拉強度的顯著性幾乎是包漿再生骨料的兩倍，體現在：混凝土立方體塊斷面處的鋼渣石均為折斷，未出現骨料與基體剝離現象，而包漿再生骨料和天然骨料則出現部分折斷，部分剝離現象。在僅考慮劈拉強度的情況下，最佳配合比為：1.5%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，70%的包漿再生骨料。

2.2.3 彎折強度

由表6可知：影響纖維自密實再生混凝土彎折強度的因素依次為粉煤灰摻量Rf(C)>PVA體積分數Vp(A)=鋼渣石替代率Rs(B)>包漿再生骨料替代率Rc(D)，其中Rf對彎折強度影響程度最大，極差為0.75 MPa。

由圖5(c)可知，Rf從0%增加到30%，彎折強度提高16.9%。Vp從0%增加到1%，彎折強度提高5.3%；當增加到1.5%，彎折強度只提高2.7%。

Rs從0%增加到20%，彎折強度提高4.8%，當增加到30%，抗折強度只提高0.5%。這是由于隨著替代率的升高，鋼渣石較高的表觀密度和孔隙率導致擴展度降低，影響了纖維自密實再生混凝土的工作性能，最終強度下降。Rc從0%增加到50%，彎折強度提高3.2%；當增加到70%，彎折強度只提高2.6%。

由表7可知，粉煤灰是纖維自密實再生混凝土彎折強度的顯著因素，鋼渣石具有同PVA一樣的顯著性，遠大于包漿再生骨料。在僅考慮彎折強度的情況下，最佳配合比為：1%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，50%的包漿再生骨料。

2.3 功效系數法分析

根據表6的極差分析和表7的方差分析，4種因素對纖維自密實再生混凝土強度影響不一致，難以確定最優配合比，故引入功效系數法[32]。此法可以對多個結果進行綜合評分。根據表5的強度實驗結果，分別選用抗壓強度、劈拉強度、彎折強度的最大值和最小值作為功效系數法指標評價體系的滿意值和不滿意值，置于表8。

表8 滿意值和不滿意值Table 8 Satisfaction and dissatisfaction values/MPa

功效系數法公式詳見公式(1)

(1)

式中：d1、d2和d3分別代表抗壓強度、劈拉強度和彎折強度

將表5中的試驗結果引入公式(1)后得到功效系數值表9。由表9可知，試件10的∑di最大，總功效系數值為300。因此建議最佳配合比為：1vol%的PVA,10%的鋼渣石,30%的粉煤灰,50%的包漿再生骨料。

表9 功效系數值計算結果Table 9 Results of efficacy factor value calculation

2.4 力學性能指標換算關系分析

根據圖6可以得出，普通混凝土關于劈拉強度及彎折強度與抗壓強度的計算式不適用于纖維自密實再生混凝土。

2.4.1 劈拉強度與抗壓強度的換算關系

圖6(a)列出了其他文獻[16,33-37]和此次試驗測試所得的劈拉強度及抗壓強度分布情況，可以看出劈拉強度與抗壓強度的增大呈正相關，與普通混凝土保持一致。

我國《混凝土結構設計規范》[33]將劈拉強度與抗壓強度的關系定義為：

(2)

美國混凝土協會(ACI)[34]將兩者關系定義為：

(3)

向星赟[35]建議將兩者換算關系取為：

(4)

肖建莊[36]則得出用公式(5)計算兩者的關系：

(5)

綜合國內外試驗和此次數據，擬采用形如公式(6)的回歸模型進行分析：

(6)

得到劈拉強度與抗壓強度的換算關系：

(7)

相關系數R為0.90318，相關性較高，比較準確地反應了本試驗的劈拉強度與抗壓強度之間的關系。

2.4.2 彎折強度與抗壓強度的換算關系

圖6(b)綜合了國內外數據[12,16,36,38-39]和此次測試所得的彎折強度及抗壓強度分布情況，可以看出：大致上，彎折強度隨著抗壓強度的提高而增大，但是各試驗數據離散性較大，推測其原因是本試驗變量因素較多，不同變量對抗折強度的影響相互交叉，導致規律不明顯。

圖6 混凝土劈拉強度及彎折強度與抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between splitting tensile strength and flexural strength and compressive strength of concrete

歐洲委員會(CEB)[38]建議將彎折強度與抗壓強度的關系式取為：

(8)

金昌[39]采用公式來表示兩者的關系：

(9)

曹鑫鋮[12]建議取為：

(10)

肖建莊[36]推薦使用公式對兩種強度進行計算：

(11)

綜上，換算關系擬采用公式(6)進行回歸分析，得到新的公式：

(12)

其相關系數R為0.92507，相關性較高，按照公式(8)、(9)、(11)計算的混凝土抗折強度結果偏大，采用公式(12)能更準確地反應彎折強度與抗壓強度之間的關系。

3 結 論

(1)對于抗壓強度，粉煤灰為顯著因素，包漿再生骨料顯著性大于鋼渣石，最佳配合比為：1%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，70%的包漿再生骨料；對于劈拉強度，粉煤灰為顯著因素，PVA有一定影響，鋼渣石顯著性大于包漿再生骨料，最佳配合比為：1.5%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，70%的包漿再生骨料；對于彎折強度，粉煤灰為顯著因素，鋼渣石顯著性大于包漿再生骨料，最佳配合比為：1%的PVA，20%的鋼渣石，30%的粉煤灰，50%的包漿再生骨料。

(2)根據功效系數法對抗壓強度、劈拉強度和彎折強度進行綜合評分，得出最佳配合比為：1%的PVA，10%的鋼渣石，30%的粉煤灰和50%的包漿再生骨料。

(3)基于試驗數據所得到的非線性回歸表達式，相關系數均在0.9以上，擬合精度良好，能直觀反應纖維自密實再生混凝土抗壓強度、劈拉強度和彎折強度之間的關系。

(4)對再生骨料進行包漿時，應分粒徑大小分別處理。其中5～10 mm粒徑的骨料易發生團聚，應在包漿完成后，將團聚骨料分離，否則會導致混凝土強度下降，或對5～10 mm骨料不處理，從而利于工業化生產。