掺聚丙烯纤维和矿渣的再生混凝土性能研究

2019-08-27 09:19方金苗涂劲松李文丽
关键词:矿渣吸水率聚丙烯

方金苗, 涂劲松, 李文丽

(1.皖西学院 建筑与土木工程学院, 安徽 六安 237012; 2.安徽华裕工程咨询有限公司, 安徽 六安 237000)

0 引 言

随着经济快速发展,我国建筑垃圾及拆卸废弃物数量逐年增加[1].废弃混凝土的随意丢弃不仅占用大量的土地,而且造成环境污染[2],而将旧混凝土骨料重新利用替代天然骨料,对节约资源、保护环境具有重要意义[3-4].相关研究表明,再生混凝土骨料相比天然碎石,因其空隙率高、吸水性大、强度低,在一定程度上限制了再生骨料的推广应用[5-6].目前,科研人员通过在再生混凝土骨料中加入纤维,进而提高混凝土的力学性能[7-8].此外,也有学者对废弃混凝土骨料用于高性能混凝土做了相关研究[9-10],但针对纤维和矿物掺合料对于高性能再生混凝土力学性能和收缩性能的研究较少.基于此,本研究选择聚丙烯纤维和矿渣作为外掺料,针对再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯拉强度、吸水率及收缩性能等进行评价,系统地分析了再生骨料掺量、外掺料掺配方式及掺量对再生混凝土路用性能的改善效果.并借助SEM扫描电镜,研究纤维和矿渣复合改性材料对再生混凝土的微观改性机理.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料.

水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥,其比表面积为310 m2/kg,各项技术指标如表1所示.矿渣的比表面积为486 m2/kg,其化学组成如表2所示.

表1 42.5号水泥技术指标

表2 矿渣化学组成及含量

1.1.2 集 料.

天然粗集料为公称最大粒径19 mm的碎石,细集料为细度模数为3.4的砂土;再生混凝土粗集料取自C30旧混凝土路面.天然集料和再生集料的物理性能如表3所示,粒径分布如表4所示.由表中数据可知,天然粗集料比再生粗集料密度高,吸水率低.其中,再生集料附加砂浆的含量采用盐酸溶出法测定.

表3 天然和再生混凝土集料的物理特性

表4 集料级配

1.1.3 减水剂.

减水剂采用BASF公司生产的聚羧酸减水剂,其最高减水率可达26%,推荐掺量为0.8%~1.2%.

1.1.4 聚丙烯纤维.

纤维采用聚丙烯纤维,其技术指标见表5所示.

表5 聚丙烯纤维技术指标

1.2 配合比设计

试验中,不同混凝土的配合比方案设计如表6所示.

表6 试验方案设计

表6中,胶凝材料用量为400 kg/m3,水灰比为0.34,砂率为0.42,再生混凝土集料替代率分别为0、30%和50%.同时,分别研究了矿渣等量替代25%水泥和掺加1%聚丙烯纤维两种情况下,混凝土各项性能的变化规律.通过对不同组合的坍落度进行测试(见表6),结果发现,聚丙烯纤维对混凝土塌落度影响较大,掺加聚丙烯纤维前塌落度为200 mm左右,掺加后为130 mm左右,但依然满足高性能混凝土施工时的流动性要求.

1.3 试验方法

1.3.1 强 度.

分别针对再生混凝土试件的抗压强度、劈裂强度以及抗弯拉强度进行测试,其中抗压强度的试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm,试件在标准条件下养护,利用万能试验机分别测试其7 d、28 d和90 d的抗压强度.劈裂抗拉强度的试件尺寸为φ10 cm×20 cm的圆柱体,将试件养护至28 d后,利用万能试验机测试其劈裂抗拉强度.抗弯拉强度的试件尺寸为10 cm×10 cm×40 cm的长方体,将试件养护至28 d后,利用万能试验机测试其弯拉强度.

1.3.2 吸水率.

吸水率试验参照美国标准ASTM C642进行,试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm的立方体,将试件养护7 d后,分别测试试件干燥前后的质量差,以此作为指标,评价混凝土的吸水率.

1.3.3 收缩性能.

收缩性能参照规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)中T0566-2005的试验方法对棱柱试样进行自由收缩试验.试件尺寸为10 cm×10 cm×40 cm,试件成型脱模后,立即放入干缩室测量其干缩性能,从移入干缩室起计算,用位移传感器分别测量1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d时试件的长度,以此评价混凝土的收缩性能.

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

不同再生混凝土的抗压强度结果如图1~图4所示.

图1未加外掺料的再生集料混凝土抗压强度

图2 掺加25%矿渣的再生集料混凝土抗压强度

图3掺加1%纤维的再生集料混凝土抗压强度

图4掺加纤维和矿渣复合材料的再生集料混凝土抗压强度

由图1~图4可知,所有再生集料混凝土的抗压强度均随着龄期的延长而增大.与未掺加矿渣的再生集料混凝土相比,使用25%的矿渣等量替代水泥后,对混凝土抗压强度无显著影响;当掺加1%聚丙烯纤维后,再生混凝土抗压强度显著提高.再生集料掺量对混凝土强度影响较大,随着掺量的增加,其强度降低.当再生集料掺量为30%时,掺加纤维和矿渣复合材料的再生集料混凝土7 d、28 d、90 d的抗压强度分别为39.8 MPa、55.5 MPa、71.7 MPa,与对照组相比分别提高了14%、14.9%、21.1%,由此可见,聚丙烯纤维对混凝土后期性能改善显著.

此外,而当用30%矿渣等量替代水泥后,再生混凝土7 d和28 d抗压强度有所下降,而90 d抗压强度有所提升.这是因为矿渣的掺加可以提高胶凝材料的黏结性,减少裂缝出现,填充水泥基体的毛细孔,从而改善界面过渡区的性能,进而提高混凝土抗压强度.

2.2 劈裂抗拉强度和弯拉强度

不同混合料的28 d劈裂抗拉强度和抗弯拉强度如图5~图8所示.

图5 未加纤维的再生集料混凝土的28 d劈裂抗拉强度

图6掺加1%纤维的再生集料混凝土的28d劈裂抗拉强度

图7未加纤维的再生集料混凝土的28d抗弯拉强度

图8掺加1%纤维的再生集料混凝土的28d抗弯拉强度

由图5、图6可知,随着再生集料掺量的增加,高性能再生混凝土28 d的劈裂抗拉强度逐渐减小,再生集料掺量分别为30%和50%时,劈裂强度分别降低5.2%和10.5%.当用30%矿渣替代胶凝材料后,再生混凝土劈裂强度变化不大.而当掺加纤维后,混合料劈裂强度显著提高,再生集料掺量分别为30%和50%时,其劈裂抗拉强度分别提高了49%和58.4%.这是因为聚丙烯纤维具有较高的抗拉强度、弹性模量和有效的锚固机理,抑制了混凝土宏观裂缝的扩展.由图7、图8可知,混凝土弯拉强度表现出相似的规律.

2.3 吸水率

再生混凝土的吸水率试验结果如图9所示.

图9 再生集料混凝土的28 d吸水率

由图9可知,在混凝土中加入矿渣,可以显著降低其吸水率.纤维的加入对混凝土的吸水率有显著影响,加入1%的聚丙烯纤维可使混凝土吸水率降低29%,含1%纤维的再生集料混凝土的吸水率比不掺纤维的再生集料混凝土的吸水率降低23%.这可能是由于矿渣能够改善水泥基体的微观结构,减小孔隙尺寸,并中断孔隙的连接,除了矿渣的火山灰活性外,由于矿渣粒径小,其填充效应也会降低吸水率.因此,纤维的加入限制了混凝土结构裂缝的形成和扩展,从而可以降低其渗透性.

2.4 干燥收缩性能

方案配合比下再生混凝土干缩性能测试结果如图10所示.

图10不同方案配合比下再生集料混凝土的收缩率

由图10可知,矿渣和聚丙烯纤维等改性材料可以显著改善再生混凝土收缩性能,与对照组相比,掺加30%矿渣或1%聚丙烯纤维均可降低混凝土的收缩率,而矿渣和聚丙烯纤维复合改性效果最佳,再生混凝土在14 d、60 d、90 d的收缩率较对照组相比分别降低27.0%、21.2%、22.4%.这是因为纤维能有效抑制干燥收缩引起的裂纹扩展,矿渣可有效填充混凝土内部空隙,降低收缩率.

3 改善机理分析

为了分析纤维在混凝土内部的分布及其对混凝土力学及收缩性能的改善机理,以及矿渣对于混凝土的微观填充效应,借助SEM扫描电镜试验,分别观测未掺加外掺料、单独掺加聚丙烯纤维、掺加纤维和矿渣复合改性的高性能再生混凝土的界面区间,探讨纤维和矿渣复合外掺料对于混凝土的微观改善机制.不同再生混凝土的SEM扫描图片如图11~图13所示.

由图11、图12可知,未掺加矿物掺合料时,再生混凝土混合料表面粗糙,有孔洞.这也解释了其混合料吸水率高,力学性能低的原因.当掺加1%聚丙烯纤维后,由于纤维在混凝土中的多维乱向分布,将混凝土黏结为坚固的整体,其抗压强度等力学性能显著提高.由于纤维与水泥浆体黏结为统一的整体,在一定程度上改善了混凝土内部的密实程度,阻断外界水分的侵入通道,宏观上表现为吸水率的降低.

图11未加外掺料的再生混凝土扫描电镜图

图12掺加聚丙烯的再生混凝土扫描电镜图

图13掺加纤维和矿渣复合改性材料的再生混凝土扫描电镜图

由图13可知,掺加矿渣后,由于矿渣比表面积大,在一定程度上可以促进水泥的水化,改善混凝土的内部结构,使得再生混凝土内部更加密实,宏观上表现为力学性能和收缩性能的提高.由于矿渣活性高,水泥浆体水化更加充分,其生成物可以更大程度的填充混凝土结构,这也解释了吸水率下降的原因.纤维和矿渣的复合改性对于再生混凝土各项性能改善显著.

4 结 论

本研究认为:矿渣可改善再生混凝土的抗压强度,用30%矿渣等量替代水泥后,高性能再生混凝土早期强度有所下降,而后期强度有所提升.掺加聚丙烯纤维可以显著提高再生混凝土的劈裂拉伸强度和抗弯拉强度;矿渣作为矿物掺合料对混凝土劈裂抗拉强度和抗弯拉强度影响较小.纤维和矿渣可以显著降低再生混凝土吸水率和收缩率,而纤维和矿渣作为复合改性材料对高性能再生混凝土的吸水率和收缩性能改善最为显著.通过扫描电镜对再生混凝土试样内部微观结构进行分析发现,掺加纤维和矿渣复合改性材料可以促进水泥浆水化程度,改善混凝土密实度,宏观上表现为力学性能和抗收缩性能的提高,以及吸水率的下降.

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