道路混雜纖維再生混凝土力學性能研究

季亞茹,孔魯霞

(濟寧市鴻翔公路勘察設計研究院有限公司,濟寧 272000)

為了減少建筑垃圾對環境的污染,將廢棄的混凝土加工成再生骨料制備成再生混凝土應用于工程上,可使建筑垃圾回收再利用。由于再生骨料有諸多缺陷,為了提高再生混凝土的力學性能,學者們進行了多方面研究。牛海成等[1]對混雜纖維再生混凝土軸壓應力-應變關系進行了研究,結果表明:再生混凝土的抗壓強度略低于天然骨料混凝土,適當摻入纖維可提高再生混凝土的抗壓強度和彈性模量;韓慧優等[2]、章文姣等[3]對混雜纖維摻量對再生混凝土力學性能的影響進行了研究,結果表明:混凝土摻入鋼纖維后,其抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均有明顯提高;金賢澤等[4]對層布式混雜纖維再生高強混凝土力學性能進行了研究,結果表明:隨著混雜纖維撒布層數增加,再生混凝土抗壓強度增大不明顯,劈裂抗拉強度增大效果顯著;何旭升[5]研究了不同纖維及含量對再生混凝土力學性能的影響,結果表明:適量摻入纖維能有效增強再生混凝土的抗折強度,增加再生混凝土的變形能力。

根據以上學者對再生混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度的研究,論文通過改變撒布纖維層數,對再生混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量、拉壓比、彈強比進行分析。

1 試 驗

1.1 材料

將膠凝體質量占比12%的粉煤灰代替部分水泥,將粗骨料質量占比28%的再生粗骨料取代部分天然粗骨料,再將替代完成的材料與混凝土原材料進行攪拌制成再生混凝土。混凝土制備完成后,將制備好的再生混凝土作為試驗基準組,將摻入混雜纖維并改變混雜纖維撒布層數的再生混凝土作為試驗對象。各組再生混凝土中,纖維撒布層數、粉煤灰和再生骨料的摻率如表1所示。試驗選擇水膠比、砂率、減水劑占比分別為0.3、48%和1%的混凝土作為試件,將制備好的再生高強混凝土放入標準養護室進行養護,養護室的標準養護條件為(20±2)℃,濕度不低于95%。混雜纖維再生混凝土的配合比設計見表2。

表1 再生混凝土材料摻率

表2 混雜纖維再生混凝土的配合比設計 /(kg·m-3)

1.2 方法

以基準混凝土為基礎,根據纖維撒布層數(見圖1)制備4種混雜纖維再生混凝土,包括基準再生混凝土,共設計5種再生高強混凝土,依次進行五組試驗,對制備的可再生高強度混凝土的力學性能進行研究。混凝土在養護室經過不小于28 d的養護后,對混雜纖維再生混凝土進行立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量、拉壓比和彈強比等試驗,記錄試驗數據。為保證試驗精度,每組試驗均重復2次,將所得數據平均值作為試驗結果。

2 結果與分析

2.1 混凝土抗壓強度

混雜纖維層數對再生混凝土抗壓強度影響見圖2、圖3。由圖2可知,JZ(基準)再生高強混凝土的抗壓強度為71.9 MPa;A1組混凝土為73.2 MPa;A2組混凝土為74.5 MPa;A3組混凝土為74.1 MPa;A4組混凝土為79.1 MPa。由此可知,雜纖維撒布層數能夠提升再生混凝土立方體抗壓強度,與基準混凝土相比,A1組混凝土的抗壓強度增幅為1.8%,A2組混凝土的抗壓強度增幅為3.6%,A3組混凝土的抗壓強度增幅為3.0%,A4組混凝土的抗壓強度增幅為10.0%,混雜纖維能夠降低再生混凝土基體里面微小裂縫端點位置處的應力集中程度,能夠在負載環節對能量進行吸取,以達到對裂縫擴展的抑制作用,從而增大混凝土的抗壓強度。由圖3可知,JZ(基準)再生高強混凝土的抗壓強度為67.3 MPa;A1組混凝土為67.2 MPa;A2組混凝土為67.2 MPa;A3組混凝土為69.4 MPa;A4組混凝土為72.0 MPa。由此可知,相較于基準混凝土,混凝土A1、混凝土A2棱柱體抗壓強度減小了0.14%,混凝土A3、混凝土A4組棱柱體抗壓強度都較基準混凝土大,依次增加了3.1%、6.98%。由于在混雜纖維層數較少時,對于再生混凝土抗壓強度的提升效果不明顯,混凝土基體孔隙率會隨著混雜纖維的加入而變大,混凝土A1、A2的抗壓強度比較小。

2.2 混凝土劈裂抗拉強度

再生混凝土劈裂抗拉強度隨混雜纖維層數的變化情況如圖4所示。JZ(基準)再生高強混凝土的劈裂抗拉強度為5.43 MPa;A1組混凝土為5.56 MPa;A2組混凝土為6.13 MPa;A3組混凝土為5.82 MPa;A4組混凝土為6.1 MPa。由此可知,增加纖維層數可以增大再生混凝土的劈裂抗拉強度,當設置1層纖維層數時,混凝土劈裂抗拉強度增量較小,變化不明顯。當設置2層纖維層數時,混凝土劈裂抗拉強度升幅最為明顯。當設置1層纖維層數與3層纖維層數時,混凝土劈裂抗拉強度基本一致。與JZ混凝土相比,A1組劈裂抗拉強度增加了2.3%,A2組劈裂抗拉強度增加了12.89%,A3組劈裂抗拉強度增加了7.18%,A4組劈裂抗拉強度增加了12.33%。這可以歸因于對于再生混凝土基體而言,混雜纖維扮演了微小鋼筋的角色,能夠使基體中的裂縫與孔隙相連,延緩混凝土裂縫的出現,對裂縫擴展進行遏制,以達到增大混凝土劈裂抗拉強度的作用。

2.3 混凝土彈性模量

圖5顯示了再生混凝土彈性模量隨混雜纖維層數的變化情況。JZ(基準)再生高強混凝土的彈性模量為1.69×104MPa;A1組混凝土為1.64×104MPa;A2組混凝土為1.65×104MPa;A3組混凝土為1.75×104 MPa;A4組混凝土為1.84×104MPa。由此可知,如果持續增大混雜纖維層數,則再生混凝土的彈性模量會先減小,而后再逐漸增大。在不同組別中,A1、A2組對應的再生混凝土彈性模型比JZ高強混凝土小,依次減少了2.93%、2.36%。相較于基準混凝土,A3、A4組對應的再生混凝土彈性模量都比較大,依次增加了3.55%、8.87%,這一點同前面關于混凝土棱柱體抗壓強度的討論結果具備一致性。

2.4 混凝土拉壓比

拉壓比等于劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度的比值,被用于對混凝土的脆性進行表征。隨著拉壓比的增大,混凝土脆性越低。如圖6所示,JZ(基準)再生高強混凝土的拉壓比為0.075;A1組混凝土為0.076;A2組混凝土為0.082;A3組混凝土為0.079;A4組混凝土為0.076。隨著混雜纖維撒布層數的增加,再生混凝土的拉壓比先是增加而后又減小,然而都比JZ高強混凝土的拉壓比更大,其中,A2組對應的再生混凝土拉壓比最高,A3組對應的再生混凝土拉壓比次之。與基準混凝土相比,A2組混凝土增加了9.33%,A3組混凝土增加了5.33%。由此可見,相較于JZ再生高強混凝土,混雜纖維的再生高強混凝土具備更小的脆性和更大的延展性。

2.5 混凝土彈強比

彈強比等于彈性模量和棱柱體抗壓強度的比值,被用于對混凝土抗裂性能進行表征,較低的彈強比意味著較強的抗裂性能。如圖7所示,JZ(基準)再生高強混凝土的彈強比為249.46;A1組混凝土為244.56;A2組混凝土為248.21;A3組混凝土為252.49;A4組混凝土為258.54。由此可知,持續增多混雜纖維層數的情況下,再生混凝土的彈強比先減小后增大。相較于JZ高強混凝土,A1、A2組混凝土的彈強比依次減小了1.96%、0.5%,A3、A4組依次增大了1.21%、3.63%。這可以歸因于在混雜纖維層數較多的情況下,再生混凝土基體里面的孔隙變多,造成這種混凝土的抗裂性能減弱。因此,摻入混雜纖維撒布層數為1～2層時,混凝土的抗裂性能高于基準混凝土的抗裂性能。摻入混雜纖維撒布層數為3～4層時,再生混凝土的抗裂性能低于基準混凝土的抗裂性能。

3 結 論

a.增加混雜纖維撒布層數能夠提升再生混凝土立方體抗壓強度。摻入混雜纖維撒布層數為1～2層時,再生混凝土的抗壓強度變化不明顯;摻入混雜纖維撒布層數為3～4層時,混凝土的抗壓強度增加顯著。

b.增加纖維層數可以增大再生混凝土的劈裂抗拉強度。摻入混雜纖維撒布層數為2層時,混凝土劈裂抗拉強度增加最大。隨著摻入混雜纖維撒布層數的增加,混凝土的彈性模量先減小后增加。相較于基準混凝土,纖維撒布層數為1～2層時,再生混凝土的彈性模量減小;纖維撒布層數為3～4層時,混凝土的彈性模量增大。

c.隨著混雜纖維撒布層數的增加,混凝土的拉壓比先增大后減小,混凝土的彈強比先減小再增大。纖維撒布層數為2層時,混凝土的拉壓比最大。纖維撒布層數為1～2層時,再生混凝土的彈強比減小;纖維撒布層數為3～4層時,再生混凝土的彈強比增大。