張海軍

(黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院 河南 駐馬店 463000)

0 引言

再生混凝土(RAC)作為一種新型節(jié)能環(huán)保型材料，它是將建筑垃圾中的廢棄混凝土經(jīng)過(guò)回收、破碎、清洗、分級(jí)等一系列工序，加工成再生骨料，然后與天然骨料以不同比例拌和而成[1]。但是，由于再生骨料表面粗糙、孔隙多、附著舊砂漿等一系列缺陷，使得再生混凝土強(qiáng)度和相比于普通混凝土低[2-4]。這讓再生混凝土的使用受到限制。

為了使再生混凝土得到更好應(yīng)用，滿足材料強(qiáng)度和韌性要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土性能增強(qiáng)方法進(jìn)行大量研究。目前，通過(guò)纖維和活性礦物料使再生混凝土性能增強(qiáng)的研究較為廣泛。李恒等人[5]對(duì)摻入礦渣、硅灰和粉煤灰的再生混凝土進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰-硅灰復(fù)摻對(duì)再生混凝土力學(xué)性能提升效果較好。Awoyera P O等人[6]研究發(fā)現(xiàn)再生骨料替代率20%基礎(chǔ)上摻入定量偏高嶺土具有較高的強(qiáng)度。劉康寧等人[7]通過(guò)單摻和復(fù)摻粉煤灰和硅灰對(duì)再生混凝土進(jìn)行了性能增強(qiáng)試驗(yàn)研究。而對(duì)于纖維增強(qiáng)的再生混凝土的研究，王大光等人[8]研究發(fā)現(xiàn)混凝土中添加鋼纖維可以有效抑制裂紋擴(kuò)展程度，提高抗拉強(qiáng)度，偏高嶺土細(xì)顆粒填料可以與氫氧化鈣結(jié)合,進(jìn)而提高混凝土的耐久性和抗壓強(qiáng)度。陸虓等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料含量和纖維降低了混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度，而纖維摻入對(duì)抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量的提升,纖維含量越多,提升作用越顯著。董騰等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以有效改善RAC力學(xué)性能，但是過(guò)量纖維的摻入使得纖維分布不均勻，反而導(dǎo)致RAC力學(xué)性能降低。周航等人[11]采用正交試驗(yàn)法研究再生粗骨料摻量、橡膠粒徑、橡膠摻量和玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土拌合物性質(zhì)及力學(xué)性能的影響規(guī)律；孫呈凱等人[12]對(duì)再生骨料進(jìn)行一次改性、二次改性，用改性后再生粗骨料制備PVA纖維再生混凝土，對(duì)比不同改性再生混凝土的力學(xué)性能。黃軍福等人[13]研究了纖維的摻加量、長(zhǎng)度和分散劑對(duì)其在透水混凝土中的分散性及透水混凝土性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明: PVA纖維摻加量和長(zhǎng)度對(duì)分散效果影響顯著,對(duì)力學(xué)性能改善較為明顯。

因此，為了改善再生混凝土強(qiáng)度和延性，本文共計(jì)設(shè)計(jì)了16組配合比，研究了纖維和偏高嶺土復(fù)合作用下再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系，最后，通過(guò)X射線衍射(XRD)分析，對(duì)宏觀力學(xué)性能改善進(jìn)行解釋。

1 試驗(yàn)狀況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的膠凝材料由強(qiáng)度等級(jí)為 P·O 42.5R的秦嶺牌普通硅酸鹽水泥和偏高嶺土組成，兩種材料礦物化學(xué)成分如表1所示。

表1 偏高嶺土和水泥化學(xué)成分

粗骨料由天然碎石和再生骨料兩部分組成，其中再生骨料是由陜西建新環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司提供的城中村拆遷后再經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗的廢舊混凝土骨料，通過(guò)人工將其夾雜在其中的玻璃、瓦礫、塑料、雜草等進(jìn)行清除。細(xì)骨料為浐河河砂，經(jīng)測(cè)試骨料物理性指標(biāo)如表2所示。

表2 骨料物理性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用纖維分別為PVA纖維、玄武巖纖維，兩種纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 纖維各項(xiàng)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

本次試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，選擇再生骨料替代率30%，水膠比為0.35，分別設(shè)計(jì)了OPC組(偏高嶺土取代水泥量為0%)；偏高嶺土取代水泥量依次為5%、10%、15%、20%、25%的RM組； 在RM組的基礎(chǔ)上摻入1.3%(占膠凝材料的比例)PVA纖維的RM-PF組和摻入1.3%玄武巖纖維的RM-BF組；共計(jì)16組。其中每立方米中膠凝材料550 kg、砂656 kg、天然骨料772 kg、再生骨料331 kg、水193 kg。為了避免由于再生粗骨料吸水率高導(dǎo)致工作性能差等問(wèn)題，采用附加水進(jìn)行補(bǔ)償，使拌和后的再生混凝土坍落度保持在70～90 mm范圍內(nèi)。具體配合比設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 試驗(yàn)配合比(單位：kg/m3)

續(xù)表4 試驗(yàn)配合比(單位：kg/m3)

1.3 試塊制備與測(cè)試

本次試驗(yàn)將每組配合比所需的集料和膠凝材料放入實(shí)驗(yàn)室雙臥軸攪拌機(jī)攪拌2 min，然后加入纖維和水?dāng)嚢? min，其中纖維采用分散慢加，避免團(tuán)聚。最后將拌合物放入磨具并在振動(dòng)臺(tái)上振搗，在實(shí)驗(yàn)室條件下靜置24 h后脫模，將試驗(yàn)放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。根據(jù) GB/T 50081—2003《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、CESC 13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，通過(guò)更換夾頭，在MTS微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)100 mm×100 mm×100 mm的試塊測(cè)試立方抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

立方體試塊經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，各配合比抗壓強(qiáng)度由圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析

從圖1可以看出，OPC組抗壓強(qiáng)度最低，主要由于再生骨料存在微裂紋以及表面附著的舊砂漿等缺陷，使得再生混凝土內(nèi)部形成薄弱區(qū)，這些薄弱區(qū)在受應(yīng)力時(shí)容易引發(fā)裂紋，最終形成貫穿裂縫，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。在RM組中，當(dāng)水泥被偏高嶺土以5%、10%、15%、20%、25%取代時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度相比于OPC組分別提高了15.93%、21.89%、24.59%、23.71%、20.82%，可以看出偏高嶺土對(duì)抗壓強(qiáng)度有正向影響。此外，在偏高嶺土取代率15%時(shí)，對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最明顯，而大于15%后對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。上述分析說(shuō)明，當(dāng)偏高嶺土取代水泥量在合理范圍內(nèi)時(shí)，偏高嶺土內(nèi)部活性SiO2能充分與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成大量C-S-H凝膠，填充RAC內(nèi)部新老砂漿界處微裂縫和孔隙，可有效改善新老砂漿界面結(jié)合力，使得偏高嶺土對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是，當(dāng)偏高嶺土取代水泥的量超過(guò)一定范圍后，由于水泥被大量取代，水泥熟料稀釋?zhuān)a(chǎn)物中的Ca(OH)2含量也相應(yīng)減少，二次水化后生成額外C-S-H凝膠量減小，對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果開(kāi)始呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

從圖1還可以看出，偏高嶺土取代率為: 5%、10%、15%、20%、25%時(shí)，分別摻入一元PVA纖維和一元玄武巖纖維，RM-PF組抗壓強(qiáng)度相比于RM組分別增加了11.54%、11.36%、18.74%、10.44%、10.18%；RM-BF組抗壓強(qiáng)度相比于RM組分別增加了6.97%、1.02%、12.78%、3.24%、8.13%。其中，偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF相比于RM15增強(qiáng)效果最明顯。這主要是因?yàn)閾饺氲睦w維亂向分布于再生混凝土內(nèi)部，與凝膠相互包裹在一起，形成空間網(wǎng)格體系，并且這種網(wǎng)格體系隨著再生混凝土內(nèi)部C-S-H膠凝的量增加而越牢固穩(wěn)定，在加載過(guò)程中，能夠有效消耗加載過(guò)程中的能量，使得強(qiáng)度提高。另外，發(fā)現(xiàn)摻入PVA纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果高于玄武巖纖維，這是由于PVA纖維強(qiáng)度和親水性均高于玄武巖纖維，不容易團(tuán)聚所致。

2.2 立方體劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度

立方體試塊各配合比劈裂抗拉強(qiáng)度由圖2所示，從圖2可以看出，OPC組劈裂抗拉強(qiáng)度為2.56 MPa，而偏高嶺土以不同比例取代水泥后，劈裂抗拉強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，其中，RM組劈裂抗拉強(qiáng)度相比于OPC組提升了12.29%～21.97%，并且偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15劈裂抗拉強(qiáng)度為3.28 MPa，達(dá)到最大值。這種增加主要?dú)w因于偏高嶺土的火山灰效應(yīng)改善了界面過(guò)渡區(qū)存在貫穿裂縫、連通孔和微孔，提高了基體內(nèi)部密實(shí)度。此外，偏高嶺土取代率小于15%時(shí)，RM5、RM10、RM15劈裂抗拉強(qiáng)度隨著取代率增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而偏高嶺土取代率大于15%后，RM20和RM25劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。如前所述，主要由于水泥熟料稀釋效應(yīng)造成。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比分析

從圖2還可以看出，在RM組中分別摻入一元PVA纖維和一元玄武巖纖維，由于纖維橋聯(lián)阻裂效應(yīng)存在，RM-PF組和RM-BF組劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于RM組。偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF劈裂抗拉強(qiáng)度相比于RM15分別增加了25.13%和20.30%，增強(qiáng)效果最明顯，而偏高嶺土取代率大于15%后，RM20-PF和RM25-PF劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這主要是由于在偏高領(lǐng)土取代率15%時(shí)，再生混凝土內(nèi)部生成額外C-S-H凝膠量最多，這些凝膠包裹著纖維，與纖維之間有良好粘結(jié)性。而隨著偏高嶺土取代率大于15%后，由于水泥熟料稀釋效應(yīng)，再生混凝土內(nèi)部C-S-H凝膠量減少，導(dǎo)致凝膠與纖維之間粘結(jié)性能下降，劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之下降，這一趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。

綜上所述，摻入纖維的RM-BF組和RM-PF組對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。從力學(xué)性能角度來(lái)看，RM15-PF力學(xué)性能最優(yōu)，其次是RM15-BF。

2.3 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度相互關(guān)系

混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)sts之間的關(guān)系可以用公式(1)表示。因此，本文通過(guò)非線性最小二乘法對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，提出了一對(duì)常數(shù)，即a=0.143和b=0.83，如圖3和公式(2)所示。由圖3可知，本文擬合的計(jì)算值和公式(2)的計(jì)算與實(shí)測(cè)試驗(yàn)值相對(duì)吻合較好。

(1)

(2)

圖3 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系

2.4 XRD物相分析

結(jié)合各偏高領(lǐng)土取代率下再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，取OPC和RM組(RM5、RM10、RM15、RM20、RM25)再生混凝土樣品進(jìn)行XRD水化產(chǎn)物的物相分析試驗(yàn)，可以了解偏高嶺土的強(qiáng)度作用機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4各XRD圖譜可以看出，水化產(chǎn)物的晶體物相主要包括：Quartz、Portlandite、Alite、Belite、Calcicium Silicate Hydrate。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著偏高嶺土取代率的增加，試樣中Ca(OH)2的衍射峰值在降低，并且偏高嶺土取代率大于15%后，試樣中Ca(OH)2的衍射峰值很弱。這一方面是因?yàn)镃a(OH)2的形成主要是水泥熟料的Alite和Belite水化，而偏高嶺土取代水泥后，水泥量減少，使得熟料Alite和Belite也相應(yīng)減少，另一方面是因?yàn)槠邘X土內(nèi)部活性SiO2與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠，這也是Ca(OH)2消耗的主要原因。此外，對(duì)比各XRD圖譜中C-S-H衍射峰值發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土取代水泥后, C-S-H衍射峰值明顯增加，其中RM15的C-S-H衍射峰值最明顯，這說(shuō)明偏高嶺土取代取15%時(shí)火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠最多，對(duì)再生混凝土內(nèi)部缺陷改善效果明顯，這一結(jié)果與相應(yīng)宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)一致。

圖4 XRD圖譜

3 結(jié)論

(1)偏高嶺土取代率分別為：5%、10%、15%、20%、25%，RM組中再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、均有所提升。并且，力學(xué)性能增強(qiáng)效果隨著偏高嶺土取代率增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。

(2)在RM組中分別摻入PVA纖維和玄武巖纖維后，RM-PF組和RM-BF組再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、相比于RM組進(jìn)一步提升。在偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF性能最好。

(3)通過(guò)非線性最小二乘擬合，建立了混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

(4)通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行XRD微觀分析，相比于OPC，隨著偏高領(lǐng)土取代率增加，RM組再生混凝土內(nèi)部Ca(OH)2含量在減小，表明Ca(OH)2偏高嶺土內(nèi)部活性SiO2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成額外C-S-H凝膠，從而提高強(qiáng)度。