粉煤灰/不同骨料对纤维自密实再生混凝土力学性能影响*

王晋浩，郑传磊，金宝宏,，赵亚娣，李淑翔，李新正，杨保明，候玉飞

(1. 宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021； 2. 宁夏大学 新华学院，银川 750021)

0 引 言

随着国内建设活动变得越来越频繁，混凝土的消耗也在与日俱增。石子作为配置混凝土不可或缺的材料，大量开采造成骨料资源枯竭、无法持续满足建设工程的需求和一系列生态环境问题。与此同时，由于建筑的老旧和自然灾害的破坏，大批建筑物的拆除也产生了大量固废[1]。

纤维自密实混凝土具有劈拉强度高、早期开裂少、干燥收缩变形小等特点[2]。再生混凝土是利用再生骨料替代天然石子的新型绿色混凝土，可以用来解决砂石资源短缺和环境问题，形成建筑材料循环利用。但是由于再生骨料具有吸水率高、过渡界面复杂、压碎指标大等诸多劣性，导致再生混凝土强度和耐久性低于普通混凝土[3-6]。为了强化再生混凝土力学性能，各国学者对再生骨料的预处理和再生混凝土基体的改性掺和视为研究重点[7-8]。主要包括骨料物理改性处理[9]、骨料化学改性处理[10-12]、水化水泥浆体改性处理[13]、骨料重组[14]和界面过渡区改性处理[15]。不引入再生混凝土成分体系外的骨料化学改性和骨料重组强化效果较好。罗素荣等[11]用纳米二氧化硅对再生骨料进行改性处理后，再生混凝土的界面过渡区压痕模量得到提升、疲劳性能得到改善。曹鑫铖等[12]通过用水泥浆对再生骨料进行包裹处理，发现采用42.5R的水泥效果最好而且增强了过渡界面。Bui等[14]通过骨料成分重组方式将再生骨料替代小粒径的天然骨料，得到的混凝土比传统再生混凝土具有更高的弹性模量和劈拉强度。

钢渣和粉煤灰都是工业活动的副产品。钢渣具有表面粗糙、压碎指标低、吸水率好等特点[16]，目前被用于地基回填，路基和农业等领域，但其综合利用率仅为30%[17]。将适量的钢渣石掺入到混凝土中，会提高混凝土强度和耐磨性能[16,18]。粉煤灰可以延迟火山灰反应、降低水化反应放出的水化热、增强混凝土抗开裂能力、减少混凝土内部碱储备[19-21]。

目前，国内外学者对纤维自密实再生混凝土研究较少。本文从骨料成分重组和混合水泥浆包裹改性处理方式着手，将钢渣石和包浆再生骨料复掺替代天然石子，设计PVA体积分数、钢渣石替代率、粉煤灰掺量和包浆再生骨料替代率的四因素四水平正交试验，研究4种因素对纤维自密实再生混凝土力学性能影响，对比钢渣石和包浆再生骨料在混凝土中力学性能影响大小并总结再生骨料改性经验。

1 实验设计

1.1 原材料

水泥采用宁夏赛马牌42.5R普通硅酸盐水泥，28 d抗压和弯折强度分别为46.3和7.5 MPa。粉煤灰为灵武发电厂生产的二级粉煤灰。PVA为日本可乐丽公司生产的直径31微米长度为9毫米的短切纤维，详细性能如表1。再生骨料来源于废弃公路路面，原始强度为C30，二次破碎后筛选出5～20 mm粒径；包浆再生骨料由再生骨料包裹混合水泥浆得到；天然石子产自镇北堡；钢渣石来自当地炼钢厂的钢渣废料；表2为4种粗骨料基本物理性能。减水剂为北京幕湖公司生产的聚羧酸高效减水剂(粉剂)，减水率为20%。水为银川城市自来水。粗骨料和PVA外观见图1。

表1 PVA主要性能指标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

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

1.2 试验设计

为研究PVA、钢渣石、粉煤灰和包浆再生骨料对纤维自密实再生混凝土力学性能的影响，考虑4个因素：PVA体积分数Vp、钢渣石替代率Rs、粉煤灰掺量Rf以及包浆再生骨料替代率Rc，每个因素设置4个水平，如表3所示。采用L16(45)正交试验表。每组配合比如表4所示。减水剂掺量为0.5%～1.0%。

表3 因素水平Table 3 Factor level

表4 纤维自密实再生混凝土配合比Table 4 Mix proportion of fiber reinforced self-compacting recycled concrete kg/m3

1.3 试件制备及试验方法

包浆再生骨料采用水胶比为0.5，粉煤灰掺量为20%的42.5R水泥浆进行包裹[12]，在室内阴处静置3 d后倒入混凝土。钢渣石放在装水的桶中陈化12 d以上，以使得会影响混凝土后期体积稳定性的f-CaO和f-MgO尽可能反应[22]。粉煤灰按照《自密实混凝土应用技术规程》[23]中的混凝土配合比设计方法掺入，填充性能设计为SF3级。搅拌方式采用二次搅拌[24]，振捣方式采用手动振捣。在混凝土入模1d后脱模，再移到标准养护室至28 d龄期。试验设备采用美特斯工业系统(中国)有限公司的SHT-4106型压力试验机。试验一共制备9个100 mm×100 mm×100mm的混凝土立方体块和4个100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，分别用于测试混凝土立方体抗压、劈裂抗拉及弯折试验。

2 结果与分析

2.1 破坏形态

2.1.1 立方体抗压破坏形态

图2为立方体抗压试验破坏形态。在加载前期，试件中部和底部只出现少许微小裂缝。到了加载中期，试件两侧底边角出现大裂缝并以纵向方向逐渐往顶部发展，同时试件受压膨胀导致中部的短小裂缝横向相互贯通连接形成长裂缝。到加载后期，混凝土内部形成长裂缝，试件失稳破坏，试验停止。对于未掺PVA的试件，出现较大表面混凝土脱落，如图2(a)L1所示。随着PVA的体积分数增加，纤维的桥接和应力传递作用越明显，试件周身布满细小裂缝，最终形态完整度也越高，如图2(b)L8和(c)L14所示。不同再生骨料在混凝土立方体破坏形态上并无明显区别。

图2 立方体抗压试验破坏形态Fig.2 Failure forms of cube compressive test

2.1.2 劈拉破坏形态

图3为试件劈拉试验破坏形态。在加载前期，试件处于弹性阶段，顶部和底部垫条处出现微小裂缝。随着试验进行，到加载中后期，裂缝逐渐往试件中部延伸形成一条连续的大裂缝。到达最大荷载时，会发生“砰”的一声，试验随即停止。对于PVA体积分数较低的试件，其只有一条主裂缝，断裂面平整，试件完整性高，如图3(a)L2所示。而PVA掺量较高的试件，纤维四周的水泥砂浆会由于桥接作用在拉拔过程中出现破坏，导致试件出现一条主裂缝和次裂缝，如图3(b)L15所示。对所有L1-L16的试件，观察其断裂面，发现全部钢渣石均发生折断；而其他粗骨料会因为与砂浆界面间的黏结破坏出现部分剥离部分折断现象，如图3(c)L7所示。

图3 劈拉试验破坏形态Fig.3 Failure forms of splitting tensile test

2.1.3 弯折破坏形态

图4为试件弯折试验破坏形态。在加载前期，试件在跨中部位并未出现明显裂缝。随着荷载的增加，到接近破坏荷载时，试件跨中底部位置逐渐出现微小裂缝并往顶部快速发展。达到破坏荷载时，试件伴随“砰”的一声被瞬间折断，发生脆性破坏。观察所有试件侧面，大都只出现一条较为笔直的裂缝，如图4(a)L8所示。从试件断裂面可以看出，钢渣石均发生折断；而其他粗骨料发生部分折断部分粘结破坏，如图4(b)L8所示。

图4 弯折试验破坏形态Fig.4 Failure forms of flexural test

2.2 混凝土力学性能

表5为纤维自密实再生混凝土的抗压强度(fcu)、劈拉强度(fts)和弯折强度(ff)。为考察PVA体积分数Vp(A)、钢渣石替代率Rs(B)、粉煤灰掺量Rf(C)和再生骨料替代率Rc(D)对纤维自密实再生混凝土强度的影响程度，找出显著性影响因素，进行极差和方差分析并分别把结果列于表6和表7。

表5 正交试验结果Table 5 Orthogonal experiment results/MPa

表6 正交试验极差分析结果Table 6 Results of range analysis of orthogonal experiment/MPa

表7 正交试验方差分析结果Table 7 Results of analysis of variance of orthogonal experiment/MPa

2.2.1 立方体抗压强度

由表5可以看出16组纤维自密实再生混凝土抗压结果都满足C30混凝土强度。粉煤灰掺量对抗压强度影响程度最大，极差为14.000 MPa。

由图5(a)可知，随着Rf的增加，抗压强度呈增大趋势；随着Vp和Rs的增加，抗压强度呈先增大后下降趋势；随着Rc的增加，抗压强度呈先下降后上升趋势。

图5 PVA体积分数(Vp)、钢渣石替代率(Rs)、粉煤灰替代率(Rf)和包浆再生骨料替代率(Rc)对强度的影响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从0%增加到30%(质量分数)，抗压强度提高34.4%。因为本次试验按照《自密实混凝土应用技术规程》[23]掺入的粉煤灰，导致水胶比从0.5下降到了0.41，从而混凝土强度出现较大增幅。Vp从0%增加到1.0%(体积分数)，抗压强度提高10.8%；当增加到1.5%时，抗压强度却出现下降。这是因为在PVA掺入适量的情况下，纤维在受压过程中传递了应力，改善了基体内部的应力分布，使得抗压强度得到提升；但是过高的掺量造成纤维在基体内部形成非定向支撑体系，对混凝土各组分之间的堆聚产生促进作用；另一方面，纤维的掺入会消耗掉一部分用于包裹粗骨料和细骨料的水泥砂浆，减弱了骨料的滑移流动作用，影响纤维自密实再生混凝土的工作性能，造成混凝土孔隙率更高且不密实[25-26]。

Rs从0%增加到20%，抗压强度提高8.9%。由于钢渣石吸水率低且压碎指标高，骨料物理性能高于天然碎石，因此混凝土强度出现提升；当Rs增加到30%，抗压强度却下降1.9%，这是因为钢渣石表面多孔，随着掺量的提高，使得更多的水泥浆体去填充钢渣石内部孔隙，而没有用于包裹骨料，也没有用于降低基体水胶比，因而强度出现下降。

Rc从0%增加到30%，抗压强度下降了1.3%，这是包浆再生骨料的物理性能低于天然骨料，导致混凝土强度出现下降；当增加到70%时，抗压强度提高9.3%，是因为随着替代率的增加，包浆再生骨料表面未充分水化的活性物质在倒入混凝土后，降低了界面过渡区的水胶比[27]，同时由于包浆再生骨料的界面过渡区部位存在浓度梯度，骨料内部的水分子往外渗透，而基体中的活性物质往骨料方向移动，此过程中产生大量AFt和C-S-H，形成了更为致密的界面过渡区[28-29]。此两种正面效应逐渐大于了再生骨料劣性给混凝土的负面影响，从而提升了抗压强度。

由表7可知，粉煤灰是纤维自密实再生混凝土抗压强度的显著因素，PVA、钢渣石和包浆再生骨料是非显著因素，但包浆再生骨料的显著性高于钢渣石。在仅考虑抗压强度的情况下，最佳配合比为：1%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，70%的包浆再生骨料。

2.2.2 劈拉强度

由表6可知：影响纤维自密实再生混凝土劈拉强度的因素依次为粉煤灰掺量Rf(C)>PVA体积分数Vp(A)>钢渣石替代率Rs(B)>包浆再生骨料替代率Rc(D)，其中Rf对劈拉强度影响程度最大，极差为0.65 MPa。

由图5(b)可知，随着Vp、Rf和Rc的增加，劈拉强度均呈增大趋势；随着Rs的增加，劈拉强度先持平后增大，最后下降。Rf从0%增加到30%，劈拉强度提高21.6%。粉煤灰不仅通过分散水泥颗粒，形成更致密的水泥骨架，而且还作为微集料给C-S-H等水化产物的生长提供额外表面[30]，同时随着掺量的增加，改善了纤维自密实再生混凝土的和易性，此3种效应协同作用下，使得混凝土强度提高。

Vp从0%增加到1.5%，劈拉强度提高9.1%。这是因为PVA在混凝土基体内部随机分布，当受到拉力荷载时，纤维起到了传递应力的作用，在混凝土出现裂缝过程中，纤维与混凝土基体间形成桥接作用，其具有高弹性模量的特性再加上与基体间机械咬合力和粘结力，增强了基体的强度和韧性[31]。

Rs从0%增加到20%，劈拉强度提高4.9%，表明钢渣石在低替代率下能够增强混凝土劈拉强度。这是因为钢渣石表面较天然碎石粗糙，与胶凝材料的机械咬合力和粘结作用更强，在其受到劈拉荷载时，钢渣石与周围胶凝材料紧密结合共同承担荷载，直到骨料被折断也不发生与砂浆界面间的黏结破坏；当增加到30%，劈拉强度与未掺入钢渣石的混凝土相比并没有明显变化。Rc从0%增加到70%，劈拉强度只提高4.0%，表明包浆再生骨料对劈拉强度影响不明显。

由表7可知，粉煤灰是纤维自密实再生混凝土劈拉强度的显著因素，PVA有一定影响。钢渣石对劈拉强度的显著性几乎是包浆再生骨料的两倍，体现在：混凝土立方体块断面处的钢渣石均为折断，未出现骨料与基体剥离现象，而包浆再生骨料和天然骨料则出现部分折断，部分剥离现象。在仅考虑劈拉强度的情况下，最佳配合比为：1.5%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，70%的包浆再生骨料。

2.2.3 弯折强度

由表6可知：影响纤维自密实再生混凝土弯折强度的因素依次为粉煤灰掺量Rf(C)>PVA体积分数Vp(A)=钢渣石替代率Rs(B)>包浆再生骨料替代率Rc(D)，其中Rf对弯折强度影响程度最大，极差为0.75 MPa。

由图5(c)可知，Rf从0%增加到30%，弯折强度提高16.9%。Vp从0%增加到1%，弯折强度提高5.3%；当增加到1.5%，弯折强度只提高2.7%。

Rs从0%增加到20%，弯折强度提高4.8%，当增加到30%，抗折强度只提高0.5%。这是由于随着替代率的升高，钢渣石较高的表观密度和孔隙率导致扩展度降低，影响了纤维自密实再生混凝土的工作性能，最终强度下降。Rc从0%增加到50%，弯折强度提高3.2%；当增加到70%，弯折强度只提高2.6%。

由表7可知，粉煤灰是纤维自密实再生混凝土弯折强度的显著因素，钢渣石具有同PVA一样的显著性，远大于包浆再生骨料。在仅考虑弯折强度的情况下，最佳配合比为：1%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，50%的包浆再生骨料。

2.3 功效系数法分析

根据表6的极差分析和表7的方差分析，4种因素对纤维自密实再生混凝土强度影响不一致，难以确定最优配合比，故引入功效系数法[32]。此法可以对多个结果进行综合评分。根据表5的强度实验结果，分别选用抗压强度、劈拉强度、弯折强度的最大值和最小值作为功效系数法指标评价体系的满意值和不满意值，置于表8。

表8 满意值和不满意值Table 8 Satisfaction and dissatisfaction values/MPa

功效系数法公式详见公式(1)

(1)

式中：d1、d2和d3分别代表抗压强度、劈拉强度和弯折强度

将表5中的试验结果引入公式(1)后得到功效系数值表9。由表9可知，试件10的∑di最大，总功效系数值为300。因此建议最佳配合比为：1vol%的PVA,10%的钢渣石,30%的粉煤灰,50%的包浆再生骨料。

表9 功效系数值计算结果Table 9 Results of efficacy factor value calculation

2.4 力学性能指标换算关系分析

根据图6可以得出，普通混凝土关于劈拉强度及弯折强度与抗压强度的计算式不适用于纤维自密实再生混凝土。

2.4.1 劈拉强度与抗压强度的换算关系

图6(a)列出了其他文献[16,33-37]和此次试验测试所得的劈拉强度及抗压强度分布情况，可以看出劈拉强度与抗压强度的增大呈正相关，与普通混凝土保持一致。

我国《混凝土结构设计规范》[33]将劈拉强度与抗压强度的关系定义为：

(2)

美国混凝土协会(ACI)[34]将两者关系定义为：

(3)

向星赟[35]建议将两者换算关系取为：

(4)

肖建庄[36]则得出用公式(5)计算两者的关系：

(5)

综合国内外试验和此次数据，拟采用形如公式(6)的回归模型进行分析：

(6)

得到劈拉强度与抗压强度的换算关系：

(7)

相关系数R为0.90318，相关性较高，比较准确地反应了本试验的劈拉强度与抗压强度之间的关系。

2.4.2 弯折强度与抗压强度的换算关系

图6(b)综合了国内外数据[12,16,36,38-39]和此次测试所得的弯折强度及抗压强度分布情况，可以看出：大致上，弯折强度随着抗压强度的提高而增大，但是各试验数据离散性较大，推测其原因是本试验变量因素较多，不同变量对抗折强度的影响相互交叉，导致规律不明显。

图6 混凝土劈拉强度及弯折强度与抗压强度的关系Fig.6 Relationship between splitting tensile strength and flexural strength and compressive strength of concrete

欧洲委员会(CEB)[38]建议将弯折强度与抗压强度的关系式取为：

(8)

金昌[39]采用公式来表示两者的关系：

(9)

曹鑫铖[12]建议取为：

(10)

肖建庄[36]推荐使用公式对两种强度进行计算：

(11)

综上，换算关系拟采用公式(6)进行回归分析，得到新的公式：

(12)

其相关系数R为0.92507，相关性较高，按照公式(8)、(9)、(11)计算的混凝土抗折强度结果偏大，采用公式(12)能更准确地反应弯折强度与抗压强度之间的关系。

3 结 论

(1)对于抗压强度，粉煤灰为显著因素，包浆再生骨料显著性大于钢渣石，最佳配合比为：1%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，70%的包浆再生骨料；对于劈拉强度，粉煤灰为显著因素，PVA有一定影响，钢渣石显著性大于包浆再生骨料，最佳配合比为：1.5%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，70%的包浆再生骨料；对于弯折强度，粉煤灰为显著因素，钢渣石显著性大于包浆再生骨料，最佳配合比为：1%的PVA，20%的钢渣石，30%的粉煤灰，50%的包浆再生骨料。

(2)根据功效系数法对抗压强度、劈拉强度和弯折强度进行综合评分，得出最佳配合比为：1%的PVA，10%的钢渣石，30%的粉煤灰和50%的包浆再生骨料。

(3)基于试验数据所得到的非线性回归表达式，相关系数均在0.9以上，拟合精度良好，能直观反应纤维自密实再生混凝土抗压强度、劈拉强度和弯折强度之间的关系。

(4)对再生骨料进行包浆时，应分粒径大小分别处理。其中5～10 mm粒径的骨料易发生团聚，应在包浆完成后，将团聚骨料分离，否则会导致混凝土强度下降，或对5～10 mm骨料不处理，从而利于工业化生产。