聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響研究

秦荷成　楊榮婷　葉水斌　謝靜

摘要：文章通過聚丙烯纖維再生混凝土抗壓試驗(yàn)，研究聚丙烯纖維摻入再生混凝土后對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度增大；聚丙烯纖維摻量應(yīng)在1.0～1.5 kg/m3為宜；當(dāng)再生骨料替代率在25%～100%時(shí)，再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著骨料替代率的增加而逐漸減小，而當(dāng)骨料替代率在0～25%時(shí)，對(duì)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響不大；摻入聚丙烯纖維后，再生混凝土拌和物的保水性會(huì)有所增加，且坍落度減少。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；聚丙烯纖維；抗壓強(qiáng)度；試驗(yàn)

0引言

目前，再生混凝土的應(yīng)用還不是很普遍，這是因?yàn)樵偕炷寥菀组_裂，特別是其強(qiáng)度較普通混凝土低，同時(shí)在工程實(shí)際施工中，也沒有對(duì)再生混凝土進(jìn)行充分的觀察研究，其應(yīng)用在我國(guó)仍然缺乏試驗(yàn)分析和系統(tǒng)研究，各種研究資料也不完善。

如果能夠提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，那么再生混凝土的應(yīng)用將來會(huì)越來越受重視［1-2］。在實(shí)際工程中，如果能夠有效利用再生混凝土，不但能節(jié)省垃圾處理費(fèi)用，還能減輕對(duì)環(huán)境的污染，特別是還能解決因混凝土廢棄物處理困難而引起的一系列負(fù)面環(huán)境問題。

隨著時(shí)代的發(fā)展，把聚丙烯纖維摻入再生混凝土中以提高混凝土強(qiáng)度的方式將會(huì)越來越受到關(guān)注［3］。但在以往研究中，采用劈拉試驗(yàn)所反映出來的混凝土抗壓強(qiáng)度并不是很準(zhǔn)確。鑒于此，本文主要通過聚丙烯纖維再生混凝土抗壓試驗(yàn)，研究將聚丙烯纖維摻入再生混凝土后對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 膠凝材料——水泥

水泥屬于典型的水硬性膠原材料［4］，在選擇水泥的時(shí)候應(yīng)考慮到以下兩個(gè)原則：（1）使用普通硅酸鹽水泥；（2）水泥檢測(cè)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。本試驗(yàn)采用廣西古廟牌普通硅酸鹽水泥（強(qiáng)度等級(jí)42.5）。

1.2 聚丙烯纖維

聚丙烯是一種結(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)晶性聚合物［5］，同時(shí)也是一種熱塑性塑料，主要是由丙稀聚合而成的高分子化合物［6］，乳白色，無嗅無味，無毒，質(zhì)量輕。本試驗(yàn)中，采用的聚丙烯纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)都符合規(guī)范要求。

1.3 試驗(yàn)用水

取水原則：凡飲用水均可使用。本次試驗(yàn)采用南寧市的城市自來水。

1.4 粗細(xì)骨料

混凝土所用的細(xì)骨料砂通常可以分為天然砂、人工砂兩大類［7-8］。本試驗(yàn)采用南寧某公司生產(chǎn)的中砂。經(jīng)檢測(cè)，該砂符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用砂的要求，檢驗(yàn)結(jié)果為Ⅱ區(qū)中砂。其性能指標(biāo)、顆粒級(jí)配見表1。粗骨料大致可以分為碎石和卵石。本試驗(yàn)中的粗骨料采用南寧本地產(chǎn)的碎石。

1.5 再生粗骨料

本次試驗(yàn)中所采用的再生骨料主要是來源于廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑材料試驗(yàn)室的廢棄混凝土試塊，其混凝土原始強(qiáng)度為C35，所用粗骨料為碎石。

2 試驗(yàn)配合比的確定

進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)以及施工和易性的要求，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理［9］。

本試驗(yàn)以C30混凝土抗壓強(qiáng)度為根據(jù)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算配制強(qiáng)度fcu，o，得出相應(yīng)的水灰比，從而確定混凝土的配合比及每立方米混凝土的材料用量。C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土砂率取33%，按照再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，得出各強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土的基準(zhǔn)配合比見表3，按照以上配合比配制的混凝土性能可以滿足試驗(yàn)所需要的坍落度和強(qiáng)度等級(jí)要求。

3 聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

這次試驗(yàn)共采用5種試驗(yàn)方案（見表4），按試驗(yàn)方案的順序編號(hào)分別為A、B、C、D、E。試驗(yàn)方案中，一共做了3組試件，再將聚丙烯纖維摻入每組試件中，摻入量依次為：0.0 kg/m3、0.6 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3，并利用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來證明聚丙烯纖維摻量對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響和規(guī)律。

3.2 制作試件

按照規(guī)范的要求，所使用的試件模型尺寸［10］規(guī)格分別為150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。為方便脫模，在混凝土還沒有拌制之前，需要用一薄層礦物油涂在試模的內(nèi)表面，使其光滑。然后，在模型中加入再生混凝土，該再生混凝土全部采用機(jī)械進(jìn)行拌制［11-12］，同時(shí)把試件放在振動(dòng)臺(tái)上，振搗密實(shí)后放置一段時(shí)間，再抹平成型試件的表面；用不透水的薄膜覆蓋在試件的表面，再將試件放置于相對(duì)濕度為95％、溫度為20±2 ℃的標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件脫模要在室內(nèi)環(huán)境下（20±5 ℃）靜置24 h后才能進(jìn)行。

3.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法步驟

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法和步驟，分別測(cè)試各組試件的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。基本步驟如下：

（1）試驗(yàn)開始前，先從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出試件，用濕布把上下承壓板面及試件表面擦干凈。

（2）當(dāng)試件快成型時(shí)，將其安放至試驗(yàn)機(jī)墊板上，同時(shí)要注意試件頂面與承壓面務(wù)必保持垂直。

（3）試驗(yàn)過程中，加荷荷載務(wù)必保持均勻連續(xù)，加荷速度控制在0.3～0.5 MPa/s。

（4）從加荷開始到試件破壞，注意觀察試件，并把破壞荷載的原始數(shù)據(jù)記錄下來。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 聚丙烯纖維摻量對(duì)再生混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

4.1.1 再生混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

fcu=F/A（1）

式中：fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；

F——破壞荷載（N）；

A——承壓面積（mm2）。

通過以上試驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，加以整理并計(jì)算出算術(shù)平均值，得出的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度（精確至0.1 MPa）。

計(jì)算方法：根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，假如所測(cè)得的3個(gè)值中的最大值或最小值與中間值的差異超過中間值的50%時(shí)，將其舍去，剩下的取平均值。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)采用混凝土抗壓強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法［13］，混凝土試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm［14］，成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)出試件的破壞荷載，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明了聚丙烯纖維摻量與再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，見表5。

4.1.3 試驗(yàn)結(jié)論

由圖1可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)聚丙烯纖維摻量＞1.0 kg/m3后，[JP4]再生混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度變得非常緩慢。由此可見，聚丙烯纖維摻量不是越多越好，一定要適當(dāng)并且合理。摻少了，對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度起不到強(qiáng)化作用；摻多了，纖維會(huì)由于分散不均勻而結(jié)成團(tuán)，這樣再生混凝土強(qiáng)度不但得不到提高，還有可能降低。如表6所示為不同聚丙烯纖維摻量時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高率。由表6可知，聚丙烯纖維摻量應(yīng)在1.0～1.5 kg/m3為宜。從試驗(yàn)中，還可以看到，摻入聚丙烯纖維后，混凝土拌和物的保水性會(huì)有所增加，坍落度減少。

4.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

軸心抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

fcp=F/A（2）

式中：fcp——再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（MPa）。

通過以上試驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示，加以整理并計(jì)算出平均值，該平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度（精確0.1 MPa）。

計(jì)算方法：分析計(jì)算結(jié)果［15］，假如所測(cè)得的3個(gè)值中的最大值或最小值與中間值的差異大于中間值的15%時(shí)［16］，將其舍去，剩下的取平均值［17-18］。

本次試驗(yàn)采用混凝土抗壓強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法［19］，混凝土試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm［20］，成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)出試件的破壞荷載［21-22］，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明了聚丙烯纖維摻量與再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，見表7。

對(duì)圖2、圖3進(jìn)行分析，可以清楚地看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)聚丙烯纖維摻量＞1.0 kg/m3后，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度變得非常緩慢。因此，聚丙烯纖維摻量應(yīng)在1.0～1.5 kg/m3為宜。當(dāng)摻量＞1.5 kg/m3時(shí)，再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度不但得不到提高，反而降低；在再生骨料替代率一定的情況下，當(dāng)摻量為1.5 kg/m3時(shí)，混凝土棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度提高34%。

再生骨料替代率對(duì)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律：當(dāng)替代率在25%～100%時(shí)，再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著骨料替代率的增加而會(huì)逐漸減小；當(dāng)骨料替代率在0～25%時(shí)，對(duì)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響并不是很大。不管再生骨料取代率如何變化，摻聚丙烯纖維再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度都有一定提高。

5 結(jié)語

（1）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)聚丙烯纖維摻量＞1.0 kg/m3后，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度變得非常緩慢。由此可見，聚丙烯纖維摻量不是摻得越多越好，一定要適當(dāng)并且合理。摻少了，對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度起不到強(qiáng)化作用；摻多了，纖維會(huì)由于分散不均勻而結(jié)成團(tuán)。

（2）聚丙烯纖維摻量應(yīng)在1.0～1.5 kg/m3為宜。當(dāng)摻量＞1.5 kg/m3時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度不但得不到提高，反而降低；在再生骨料替代率一定的情況下，當(dāng)摻量為1.5 kg/m3時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度提高34%。

（3）再生骨料替代率對(duì)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律：當(dāng)替代率在25%～100%時(shí)，再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著骨料替代率的增加而逐漸減小；當(dāng)骨料替代率在0～25%時(shí)，對(duì)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響并不是很大。

（4）摻入聚丙烯纖維后，再生混凝土拌和物的保水性會(huì)有所增加、坍落度減少。

參考文獻(xiàn)：

［1］任慶旺，邱茂智，薜 梅，等.再生混凝土的研究現(xiàn)狀及其基本性能［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2005，32（2）：44-45，47.

［2］徐 卓，龍幫云.開發(fā)利用再生混凝土走可持續(xù)發(fā)展的道路［J］.中外建筑，2004（2）：197-199.

［3］劉數(shù)華，冷發(fā)光.再生混凝土技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2007.

［4］田洪臣，段緒勝，王福忠，等.建筑垃圾的綜合應(yīng)用［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，37（1）：109-112.

［5］王莉莉.建筑廢料再生混凝土的試驗(yàn)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［6］陳永剛，曹貝貝.再生混凝土國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.國(guó)外建材科技，2004，25（3）：4-6.

［7］鄧壽呂，張學(xué)兵，羅迎社.廢棄混凝土再生利用的現(xiàn)狀分析與研究展望［J］.混凝土，2006（11）：20-24.

［8］羅 蓉，馮光樂，凌天清.再生水泥混凝土研究綜述［J］.中外公路，2003，23（2）：83-86.

［9］顏克明.拓展工業(yè)廢棄物在混凝土工程中的應(yīng)用［J］.建筑施工，1999，21（2）：56-57.

［10］孟憲江.廢混凝士利用［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2002，34（2）：120.

［11］王莉莉.建筑廢料再生混凝土的試驗(yàn)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［12］阿部道彥.建筑副產(chǎn)品的有效利用［J］.土木施工（日），1995，36（13）：20-23.

［13］高橋泰一（日），阿部道彥（日）.廢混凝土骨料適用現(xiàn)狀與未來［J］.混凝土工程（日），1995，33（2）：18-20.

［14］李學(xué)英.改性聚丙烯纖維混凝土的性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

［15］Salomon M.Levy，Paulo Helene.Durability of recycled aggregates concrete：a safe way tosustainable development［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（11）1 975-1 980.

［16］R.Sri Ravindrarajrh，C.T.Tam.Properties of Concrete Made With Crushed Concrete as Coarse Aggregate［J］.Magazine ofConcrete Research.March 1985，37（130）：29-38.

［17］王軍強(qiáng)，陳年和，蒲 琪.再生混凝土強(qiáng)度和耐久性能試驗(yàn)［J］.混凝土，2007（5）：53-56.

［18］TopcU I.B.Physical and mechanical properties of concrete produced with waste concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（12）：1 817-1 823.

［19］T.D.Hansen，H.Narud.Strength of Recycled Aggregate Concrete Made from Crushed Concrete Coarse Aggregate［J］.Concrete International，1983（1）：79-83.

［20］張亞梅，秦鴻根，孫 偉.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)初探［J］.混凝士與水泥制品，2002（1）：7-9.

［21］Hansen.T.C.Recycling of demolished concrete and masonry［J］.RILEM Report No.6，E&FN SPoN.London，1992（6）：73.

［22］肖建莊，李佳彬，蘭 陽.再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評(píng)述［J］.混凝土，2003（10）：17-20，57.

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“鋼纖維再生混凝土在沿海公路路面工程中的應(yīng)用研究”（編號(hào)：2020KY35014）

作者簡(jiǎn)介：秦荷成（1982—），碩士，副教授，高級(jí)工程師，主要從事混凝土耐久性、結(jié)構(gòu)可靠性研究工作。