聚丙烯纤维对再生混凝土力学及收缩性能影响研究

李 娜,刘艳华,张 忠

(1.烟台市住房和城乡建设局房产经营与物业服务中心，山东 烟台 264001；2.聊城市公路工程总公司，山东 聊城 252000)

0 引言

随着我国城镇化的快速发展，致使建筑废弃物的数量逐年增多，不仅占用了大量的土地资源，还给环境带来严重污染[1]。再生混凝土是通过废弃混凝土块、水泥、砂等拌合而成的新型环保建筑材料，不仅能实现资源再生利用，还有利于自然环境的保护[2-3]。由于再生混凝土集料具有强度低、空隙率高、吸水性大等缺点，致使其在某些工程领域限制了应用，因此如何提升再生混凝土的使用性能已成为当下研究者的重点关注课题[4-7]。由文献[8-11]可知，在普通混凝土中掺入一定聚丙烯纤维能有效增强混凝土的综合性能。基于此，本文以1%掺量的聚丙烯纤维作为外掺料，针对再生粗骨料替代率为30%、50%的混凝土进行力学性能与收缩性能对比评价分析，探索聚丙烯纤维对再生混凝土性能的影响，将对再生混凝土综合使用性能的提升具有重要意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

a.水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，通过现场试验检测，确定各项性能技术指标如表1所示。

表1 水泥技术性能指标Table 1 Cement technical performance indicators项目密度/(g·cm-3)比表面积/(cm2·g-1)标准稠度用水量/%初凝时间/min终凝时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa3 d28 d3 d28 d技术指标———≥45≤600≥22.0≥42.5≥4.0≥6.5检测结果3.13 96025.77516527.552.56.38.6

b.骨料：采用粒径为4.75～19 mm的连续级配的天然碎石和再生粗骨料。其中不同粒径骨料的配制比例均分别为4.75～9.5 mm为35%，9.5～19 mm为65%。再生骨料由C30旧水泥混凝土路面通过机械破碎而成，然后用不同孔径的方孔筛网进行筛分。各类骨料的物理性能如表2所示，再生粗骨料与天然粗骨料的性能相差不大。

c.聚丙烯纤维：选用长度为25 mm，直径为0.8 mm的聚丙烯纤维(PPF)，其中长径比为31，密度为6.9 g /cm3，抗拉强度为2 200 N/mm2。

d.减水剂：早强型聚羧酸系减水剂，减水率为26%。

表2 骨料的性能Table 2 Aggregate properties骨料粒径/mm表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%压碎值/%天然粗骨料4.75～192.531.480.330.619.6再生粗骨料4.75～192.461.420.411.3811.6天然砂—2.631.520.87——

1.2 配合比设计

试验中参照普通纤维混凝土配合比设计流程，试验共设计了6组不同聚丙烯纤维外掺料和再生粗骨料的混凝土试块，编号R0P0、R30P0、R50P0代表聚丙烯纤维外掺料为0，再生粗骨料替代率分别为0%、30%，50%的试块；编号R0P1、R30P1、R50P1代表聚丙烯纤维外掺料为1%，再生粗骨料替代率分别为0%、30%，50%的试块，水胶比取0.34，再生混凝土配合比设计如表3所示。

1.3 试验方法

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2002)》、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTGE30-2005)》和《水工混凝土试验规程(SL352-2016)》的相关标准进行混凝土测试，其中抗压强度采用边长10 cm的立方体试块，分别测试出成型试块在标准养护7、28和90 d龄期的抗压强度；抗折强度采用10 cm×10 cm×40 cm的长方体试块，待试块至28 d龄期后再测试抗折强度；劈裂抗拉强度采用边长为15 cm的立方体试块，分别测试标准养护下28 d龄期的劈裂抗拉强度；吸水率试验采用边长为10 cm的立方体试块，通过测试标准养护7 d龄期下试块在干燥前后的质量差来评价混凝土吸水率；收缩试验采用10 cm×10 cm×40 cm的长方体试块，将成型试块置入干缩室内，再利用位移传感器测试混凝土试块在7、14、28、60和90 d龄期时的长度。

表3 混凝土配合比设计单位Table 3 Design unit of concrete mix ratio编号水泥/(kg·m-3)粗骨料/(kg·m-3)天然再生砂/(kg·m-3)水/(kg·m-3)纤维掺量/%R0P0400105207401360R30P04007363167401360R50P04005265267401360R0P1400105207301361R30P14007363167301361R50P14005265267301361

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

通过对不同混凝土试块进行抗压强度测试，得到不同类型再生混凝土在7、28、90 d龄期时的抗压强度变化规律如图1所示。

图1 不同龄期再生混凝土的抗压强度变化曲线

由图1可知，随着龄期的增长，未掺入聚丙烯纤维再生混凝土试块的抗压强度均呈逐渐增大变化趋势，且随着再生粗骨料掺量的增大，混凝土的抗压强度均逐渐减小，其中再生粗骨料掺量由0增至30%时，混凝土的抗压强度减幅比较明显，当掺量继续增至50%时，抗压强度减幅相对较小；掺入1%聚丙烯纤维后，不同混凝土试块的抗压强度均有明显的增大，其中当龄期增长时各混凝土试块的抗压强度呈逐渐增大变化，而当再生粗骨料掺量增大时其抗压强度也均逐渐减小。当再生粗骨料为30%时，不同龄期未掺纤维混凝土试块的抗压强度分别为34.8、48.2、58.1 MPa，而掺入聚丙烯纤维的混凝土试块则分别为40.3、56.7、70.3 MPa，各龄期分别提高了15.8%、17.6%、21%，表明聚丙烯纤维对再生混凝土后期抗压强度的改善效果更为显著。另外，掺入聚丙烯纤维的混凝土试块在各龄期的抗压强度均比未掺纤维的混凝土要大，说明聚丙烯纤维能够促使材料内部结构更为紧密，因此有效提升了再生混凝土的抗压强度。

2.2 劈裂抗拉强度

通过对标准养护至28 d龄期后的各混凝土试块进行劈裂抗拉强度测试，得到不同类型再生混凝土的劈裂抗拉强度结果如图2所示。

图2 不同再生混凝土28 d龄期的劈裂抗拉强度

根据图2可知，未掺聚丙烯纤维再生混凝土试块的劈裂抗拉强度随着再生粗骨料掺量的增加呈逐渐减小变化趋势，其中再生粗骨料掺量为0%时，混凝土的劈裂抗拉强度为4.61 MPa，而掺入30%、50%再生粗骨料混凝土试块的劈裂抗拉强度分别为4.37、4.13 MPa，其劈裂抗拉强度降幅分别为5.5%、11.6%；掺入聚丙烯纤维后再生混凝土的劈裂抗拉强度均有明显的增强，当再生粗骨料掺量的增大，劈裂抗拉强度呈先减后增变化，不同掺量的再生粗骨料混凝土劈裂抗拉强度分别为6.87、6.5、6.53 MPa，较未掺纤维混凝土试块分别提高了49%、48.9%和58.1%，原因是聚丙烯纤维属于刚性纤维，具有较高的抗拉强度，在再生混凝土混合料中能够起到阻止裂缝扩展作用，因此聚丙烯纤维掺入可有效提升再生混凝土的劈裂抗拉强度。

2.3 抗折强度

通过对标准养护至28 d龄期后的混凝土试块进行抗折强度测试，得到不同类型再生混凝土的抗折强度结果如图3所示。

图3 不同再生混凝土28 d龄期的抗折强度

由图3可知，随着再生粗骨料掺量的增大，未掺聚丙烯纤维再生混凝土试块的抗折强度逐渐减小，其中再生粗骨料掺量为0%时，混凝土的抗折强度为7.25 MPa，而掺入30%、50%再生粗骨料混凝土试块的抗折强度分别为7.16、6.94 MPa，其抗折强度降幅分别为1.3%、4.5%，表明再生粗骨料掺量对抗折强度影响较小；掺入聚丙烯纤维的再生混凝土抗折强度均有显著提升，且随着再生粗骨料掺量的增大，抗折强度逐渐减小，不同再生粗骨料掺量的混凝土抗折强度分别为10.34、9.89、8.7 MPa，较未掺纤维混凝土试块分别提高了42.6%、38%和25.4%，原因是聚丙烯纤维具有较高的弹性模量，在混合料中能够起到增韧阻裂功能，大大提升了混凝土的延性，故聚丙烯纤维掺入可有效提升再生混凝土的抗折强度。

2.4 吸水率

通过对7 d龄期后的再生混凝土试块进行吸水率试验，得到不同类型再生混凝土的吸水率结果如图4所示。

图4 不同再生混凝土7 d龄期的吸水率

根据图4可知，随着再生粗骨料掺量的增大，未掺或掺入聚丙烯纤维的再生混凝土试块吸水率均呈逐渐增大变化趋势，但掺入聚丙烯纤维的混凝土吸水率出现明显降低，各再生粗骨料掺量的混凝土吸水率降幅分别为31.2%、24.5%、15.8%，说明聚丙烯纤维能对吸水率产生明显影响，其原因是聚丙烯纤维掺入不仅能够有效限制混合料内部结构产生裂缝，同时也能控制裂缝的扩展，故可有效降低再生混凝土的渗透性。

2.5 干燥收缩性能

通过对再生粗骨料取代率为30%的两种配合比再生混凝土试块进行收缩试验，分别得到7、14、28、60、90 d龄期时的收缩率变化曲线如图5所示。

图5 不同龄期再生混凝土的收缩率变化曲线

由图5可以看出，随着龄期的增长，未掺或掺入聚丙烯纤维再生混凝土的收缩率逐渐增大；掺入聚丙烯纤维后再生混凝土的收缩率出现明显的降低，其中在各龄期的收缩率降幅分别为20%、22.3%、11.5%、10.2%、10.1%，说明聚丙烯纤维对改善再生混凝土收缩性能效果明显，原因是聚丙烯纤维不仅能有效抑制混合料由干燥收缩产生的裂纹，同时也能限制裂纹的扩展，因此可有效降低再生混凝土的收缩率。

3 结语

a.随着龄期的增长，未掺或掺入聚丙烯纤维再生混凝土的抗压强度均逐渐增大；随着再生粗骨料掺量的增大，未掺或掺入聚丙烯纤维混凝土的抗压强度均逐渐减小；聚丙烯纤维有效提升了再生混凝土的抗压强度。

b.随着再生粗骨料掺量的增加，未掺聚丙烯纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度逐渐减小，而掺入聚丙烯纤维后再生混凝土的劈裂抗拉强度呈先减小后增大；聚丙烯纤维的掺入能有效提升劈裂抗拉强度。

c.随着再生粗骨料掺量的增大，未掺或掺入聚丙烯纤维再生混凝土的抗折强度均逐渐减小，但再生粗骨料掺量对再生混凝土抗折强度影响较小，而聚丙烯纤维对抗折强度有明显的提升。

d.未掺或掺入聚丙烯纤维的再生混凝土试块吸水率均随着再生粗骨料掺量的增大逐渐增大，但掺入聚丙烯纤维的混凝土吸水率出现明显降低，故聚丙烯纤维能增强再生混凝土的渗透性能。

e.随着龄期的增长，未掺或掺入聚丙烯纤维再生混凝土的收缩率均逐渐增大；掺入聚丙烯纤维后再生混凝土的收缩率出现明显的降低，因此聚丙烯纤维可有效降低再生混凝土的收缩率。