道路混杂纤维再生混凝土力学性能研究

季亚茹,孔鲁霞

(济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司,济宁 272000)

为了减少建筑垃圾对环境的污染,将废弃的混凝土加工成再生骨料制备成再生混凝土应用于工程上,可使建筑垃圾回收再利用。由于再生骨料有诸多缺陷,为了提高再生混凝土的力学性能,学者们进行了多方面研究。牛海成等[1]对混杂纤维再生混凝土轴压应力-应变关系进行了研究,结果表明:再生混凝土的抗压强度略低于天然骨料混凝土,适当掺入纤维可提高再生混凝土的抗压强度和弹性模量;韩慧优等[2]、章文姣等[3]对混杂纤维掺量对再生混凝土力学性能的影响进行了研究,结果表明:混凝土掺入钢纤维后,其抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均有明显提高;金贤泽等[4]对层布式混杂纤维再生高强混凝土力学性能进行了研究,结果表明:随着混杂纤维撒布层数增加,再生混凝土抗压强度增大不明显,劈裂抗拉强度增大效果显著;何旭升[5]研究了不同纤维及含量对再生混凝土力学性能的影响,结果表明:适量掺入纤维能有效增强再生混凝土的抗折强度,增加再生混凝土的变形能力。

根据以上学者对再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度的研究,论文通过改变撒布纤维层数,对再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比、弹强比进行分析。

1 试 验

1.1 材料

将胶凝体质量占比12%的粉煤灰代替部分水泥,将粗骨料质量占比28%的再生粗骨料取代部分天然粗骨料,再将替代完成的材料与混凝土原材料进行搅拌制成再生混凝土。混凝土制备完成后,将制备好的再生混凝土作为试验基准组,将掺入混杂纤维并改变混杂纤维撒布层数的再生混凝土作为试验对象。各组再生混凝土中,纤维撒布层数、粉煤灰和再生骨料的掺率如表1所示。试验选择水胶比、砂率、减水剂占比分别为0.3、48%和1%的混凝土作为试件,将制备好的再生高强混凝土放入标准养护室进行养护,养护室的标准养护条件为(20±2)℃,湿度不低于95%。混杂纤维再生混凝土的配合比设计见表2。

表1 再生混凝土材料掺率

表2 混杂纤维再生混凝土的配合比设计 /(kg·m-3)

1.2 方法

以基准混凝土为基础,根据纤维撒布层数(见图1)制备4种混杂纤维再生混凝土,包括基准再生混凝土,共设计5种再生高强混凝土,依次进行五组试验,对制备的可再生高强度混凝土的力学性能进行研究。混凝土在养护室经过不小于28 d的养护后,对混杂纤维再生混凝土进行立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比和弹强比等试验,记录试验数据。为保证试验精度,每组试验均重复2次,将所得数据平均值作为试验结果。

2 结果与分析

2.1 混凝土抗压强度

混杂纤维层数对再生混凝土抗压强度影响见图2、图3。由图2可知,JZ(基准)再生高强混凝土的抗压强度为71.9 MPa;A1组混凝土为73.2 MPa;A2组混凝土为74.5 MPa;A3组混凝土为74.1 MPa;A4组混凝土为79.1 MPa。由此可知,杂纤维撒布层数能够提升再生混凝土立方体抗压强度,与基准混凝土相比,A1组混凝土的抗压强度增幅为1.8%,A2组混凝土的抗压强度增幅为3.6%,A3组混凝土的抗压强度增幅为3.0%,A4组混凝土的抗压强度增幅为10.0%,混杂纤维能够降低再生混凝土基体里面微小裂缝端点位置处的应力集中程度,能够在负载环节对能量进行吸取,以达到对裂缝扩展的抑制作用,从而增大混凝土的抗压强度。由图3可知,JZ(基准)再生高强混凝土的抗压强度为67.3 MPa;A1组混凝土为67.2 MPa;A2组混凝土为67.2 MPa;A3组混凝土为69.4 MPa;A4组混凝土为72.0 MPa。由此可知,相较于基准混凝土,混凝土A1、混凝土A2棱柱体抗压强度减小了0.14%,混凝土A3、混凝土A4组棱柱体抗压强度都较基准混凝土大,依次增加了3.1%、6.98%。由于在混杂纤维层数较少时,对于再生混凝土抗压强度的提升效果不明显,混凝土基体孔隙率会随着混杂纤维的加入而变大,混凝土A1、A2的抗压强度比较小。

2.2 混凝土劈裂抗拉强度

再生混凝土劈裂抗拉强度随混杂纤维层数的变化情况如图4所示。JZ(基准)再生高强混凝土的劈裂抗拉强度为5.43 MPa;A1组混凝土为5.56 MPa;A2组混凝土为6.13 MPa;A3组混凝土为5.82 MPa;A4组混凝土为6.1 MPa。由此可知,增加纤维层数可以增大再生混凝土的劈裂抗拉强度,当设置1层纤维层数时,混凝土劈裂抗拉强度增量较小,变化不明显。当设置2层纤维层数时,混凝土劈裂抗拉强度升幅最为明显。当设置1层纤维层数与3层纤维层数时,混凝土劈裂抗拉强度基本一致。与JZ混凝土相比,A1组劈裂抗拉强度增加了2.3%,A2组劈裂抗拉强度增加了12.89%,A3组劈裂抗拉强度增加了7.18%,A4组劈裂抗拉强度增加了12.33%。这可以归因于对于再生混凝土基体而言,混杂纤维扮演了微小钢筋的角色,能够使基体中的裂缝与孔隙相连,延缓混凝土裂缝的出现,对裂缝扩展进行遏制,以达到增大混凝土劈裂抗拉强度的作用。

2.3 混凝土弹性模量

图5显示了再生混凝土弹性模量随混杂纤维层数的变化情况。JZ(基准)再生高强混凝土的弹性模量为1.69×104MPa;A1组混凝土为1.64×104MPa;A2组混凝土为1.65×104MPa;A3组混凝土为1.75×104 MPa;A4组混凝土为1.84×104MPa。由此可知,如果持续增大混杂纤维层数,则再生混凝土的弹性模量会先减小,而后再逐渐增大。在不同组别中,A1、A2组对应的再生混凝土弹性模型比JZ高强混凝土小,依次减少了2.93%、2.36%。相较于基准混凝土,A3、A4组对应的再生混凝土弹性模量都比较大,依次增加了3.55%、8.87%,这一点同前面关于混凝土棱柱体抗压强度的讨论结果具备一致性。

2.4 混凝土拉压比

拉压比等于劈裂抗拉强度和立方体抗压强度的比值,被用于对混凝土的脆性进行表征。随着拉压比的增大,混凝土脆性越低。如图6所示,JZ(基准)再生高强混凝土的拉压比为0.075;A1组混凝土为0.076;A2组混凝土为0.082;A3组混凝土为0.079;A4组混凝土为0.076。随着混杂纤维撒布层数的增加,再生混凝土的拉压比先是增加而后又减小,然而都比JZ高强混凝土的拉压比更大,其中,A2组对应的再生混凝土拉压比最高,A3组对应的再生混凝土拉压比次之。与基准混凝土相比,A2组混凝土增加了9.33%,A3组混凝土增加了5.33%。由此可见,相较于JZ再生高强混凝土,混杂纤维的再生高强混凝土具备更小的脆性和更大的延展性。

2.5 混凝土弹强比

弹强比等于弹性模量和棱柱体抗压强度的比值,被用于对混凝土抗裂性能进行表征,较低的弹强比意味着较强的抗裂性能。如图7所示,JZ(基准)再生高强混凝土的弹强比为249.46;A1组混凝土为244.56;A2组混凝土为248.21;A3组混凝土为252.49;A4组混凝土为258.54。由此可知,持续增多混杂纤维层数的情况下,再生混凝土的弹强比先减小后增大。相较于JZ高强混凝土,A1、A2组混凝土的弹强比依次减小了1.96%、0.5%,A3、A4组依次增大了1.21%、3.63%。这可以归因于在混杂纤维层数较多的情况下,再生混凝土基体里面的孔隙变多,造成这种混凝土的抗裂性能减弱。因此,掺入混杂纤维撒布层数为1～2层时,混凝土的抗裂性能高于基准混凝土的抗裂性能。掺入混杂纤维撒布层数为3～4层时,再生混凝土的抗裂性能低于基准混凝土的抗裂性能。

3 结 论

a.增加混杂纤维撒布层数能够提升再生混凝土立方体抗压强度。掺入混杂纤维撒布层数为1～2层时,再生混凝土的抗压强度变化不明显;掺入混杂纤维撒布层数为3～4层时,混凝土的抗压强度增加显著。

b.增加纤维层数可以增大再生混凝土的劈裂抗拉强度。掺入混杂纤维撒布层数为2层时,混凝土劈裂抗拉强度增加最大。随着掺入混杂纤维撒布层数的增加,混凝土的弹性模量先减小后增加。相较于基准混凝土,纤维撒布层数为1～2层时,再生混凝土的弹性模量减小;纤维撒布层数为3～4层时,混凝土的弹性模量增大。

c.随着混杂纤维撒布层数的增加,混凝土的拉压比先增大后减小,混凝土的弹强比先减小再增大。纤维撒布层数为2层时,混凝土的拉压比最大。纤维撒布层数为1～2层时,再生混凝土的弹强比减小;纤维撒布层数为3～4层时,再生混凝土的弹强比增大。