宗 翔，何駿珍，吳素瑤

(安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

城市在不斷更新迭代過程中，建筑垃圾存量日益增多，隨意處置建筑垃圾造成的生態(tài)危機愈發(fā)嚴重，因此建筑垃圾處理問題亟待解決[1]。習近平主席在“領導人氣候峰會”上指出要堅持綠色發(fā)展，做到人與自然和諧共生，讓良好生態(tài)環(huán)境成為全球經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的支撐[2]。用再生骨料替代天然骨料，一方面符合資源再利用觀念，另一方面也解決了由天然砂石的大量開采造成的資源匱乏。再生骨料通過大型機械破碎和篩分而來，因此表面多棱角，內(nèi)部有微裂紋產(chǎn)生，還有部分硬化的水泥砂漿摻雜其中，從而增大了再生骨料的吸水性[3-4]，導致制備而成的再生混凝土利用率大幅度降低。為進一步提升再生混凝土的各項基本力學性能，需對再生骨料進行強化實驗，有研究[5]表明，用10%PVA(聚乙烯醇)溶液浸泡再生骨料，通過填補表層大部分細微裂紋來降低骨料的吸水性，從而有效提高其性能。因為再生混凝土較高的孔隙率，導致其立方體抗壓性能和劈裂抗拉性能低于天然混凝土，為了彌補以上不足，在混凝土中加入玻璃纖維。玻璃纖維是高彈模纖維，有優(yōu)異的絕緣性、耐熱性和抗腐蝕性能，作為一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，其透明且光滑的絲狀纖維在混凝土中分布均勻，良好的粘結(jié)性使其構(gòu)成相對穩(wěn)定的網(wǎng)格體系，提高了混凝土的整體結(jié)構(gòu)性能，從而有效抑制混凝土中微小裂縫的產(chǎn)生[6]。

姚運等[7]設計5個不同的再生骨料替代率，研究了其對玻璃纖維再生混凝土力學性能的影響。葛輝等[8]研究玻璃纖維摻入量和密度相互改變時，各自對混凝土力學性能的影響。本文考慮在摻入不同長度和不同摻量的玻璃纖維情況下，研究再生骨料和天然骨料按照11制備的再生混凝土劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度，旨在為增強再生混凝土的各項基本性能和資源再利用提供一定參考。

1 再生骨料強化試驗

本試驗用到的再生骨料為淮南金科再生資源利用有限公司預處理過的再生混凝土骨料，經(jīng)大型機械破碎處理后，骨料較為干凈，只在表面覆蓋有少部分砂漿，經(jīng)過高壓水槍沖洗，去除一部分表面砂漿，太陽下晾曬1 d備用。

PVA，安徽維皖集團有限責任公司生產(chǎn),見圖1。稱取PVA-1799(L)500 g，沸水(95 ℃以上)4 500 g，倒入帶蓋的密閉水泥桶中，用玻璃棒攪拌均勻后，PVA溶液初步制成，設置電熱鼓風干燥箱的溫度為150 ℃，放入PVA溶液，見圖2。3 h后取出，PVA溶液已完全溶解，濃度為10%。

待10%PVA溶液冷卻至室溫，將其倒入裝有再生混凝土骨料的容器，如圖3所示，浸泡24 h，每隔6 h攪拌一次，排出氣泡，使其浸泡完全。浸泡24 h后，過濾出再生骨料，沖洗骨料表層附著的PVA薄膜，使骨料相互分散開后在(22±5)℃的環(huán)境中晾曬至完全干燥，制成PVA改性再生混凝土骨料[9]。

圖1 PVA-1799(L) 圖2 加熱PVA溶液 圖3 浸泡再生骨料

2 再生混凝土基本力學性能試驗

2.1 試驗原材料

(1)水泥：P·O 42.5級，產(chǎn)地為淮南八公山。水泥各項質(zhì)量指標均滿足規(guī)范要求，具體見表1。

表1 水泥的主要質(zhì)量指標

(2)粗骨料：試驗制得的10%PVA改性再生混凝土骨料。

(3)細骨料：河砂，細度模數(shù)為2～3。

(4)水：實驗室自來水。

(5)外加劑：減水率為20%的聚羧酸高效減水劑。

(6)無堿玻璃纖維：上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)，其物理力學性質(zhì)見表2。

表2 玻璃纖維的物理性質(zhì)

2.2 試驗方案

設計C40強度的再生混凝土，依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55—2011)計算試驗配合比，如表3所示。再生骨料取代率為50%[10]，保持再生混凝土配合比不變，設置纖維的長度和摻量2個變量，長度：3 mm、6 mm、12 mm；摻量：0%、0.1%、0.2%。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2.3 試件制作與養(yǎng)護

立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)規(guī)定進行，試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm。

不同攪拌方式及纖維加入方式對改性骨料再生混凝土力學性能有不同影響[11]，試驗統(tǒng)一采用干拌法，先投入粗、細骨料攪拌5 min，再加入水泥，攪拌過程中把玻璃纖維邊投入邊分散，干拌2 min，使玻璃纖維在混凝土中盡可能均勻分布，為避免玻璃纖維出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，最后把高效減水劑摻入水中溶解后倒入干料中，干濕充分攪拌5 min完成操作。攪拌結(jié)束后將再生混凝土裝入提前涂油的模具，放在振動臺上振搗，直至試件表面出漿后抹平、成型、覆膜，這一系列動作在15 min內(nèi)完成。放置24 h后編號、脫模，將全部試件置于溫度(20±2)℃的不流動的Ca(OH)2飽和溶液中，分別養(yǎng)護3 d、7 d、28 d。

2.4 試驗過程

2.4.1 立方體抗壓強度試驗

試件養(yǎng)護28 d后進行立方體抗壓強度試驗，如圖4所示，通過位移控制加載速度，在持續(xù)加載過程中，試塊表面逐漸出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，主要沿縱向分布在試塊側(cè)面上下邊緣，斜向下發(fā)展，裂縫發(fā)展至一定程度后，表層鼓起的砂漿開始脫落，加載持續(xù)使試件破壞，呈上下兩個對立的錐狀，未摻纖維的再生混凝土破壞形態(tài)與其大致相同，但在裂縫產(chǎn)生速度上快于玻璃纖維再生混凝土。0%纖維再生混凝土因為沒有纖維的牽拉作用，試塊破碎程度較嚴重；摻入纖維的再生混凝土試塊在破壞時，因為玻璃纖維彈性限度內(nèi)伸長量大、拉伸強度高，使試塊裂縫之間產(chǎn)生粘連性，整體強度提升。

(a) 0%纖維再生混凝土 (b) 摻纖維再生混凝土圖4 抗壓強度試驗加載過程

2.4.2 劈裂抗拉強度試驗

對養(yǎng)護28 d后的試件進行劈裂抗拉強度試驗，如圖5所示。0%纖維對照組試件產(chǎn)生裂縫較快，伴隨著較大聲響，直接劈裂為兩半；摻纖維組試件破壞較為緩慢，隨著荷載的逐漸增加，起初只在表面慢慢產(chǎn)生微小裂紋，進而慢慢貫穿整個試塊，最終開裂。因玻璃纖維彈性系數(shù)高，試件塑性特征明顯，不易發(fā)生瞬時破壞。

(a) 0%纖維再生混凝土 (b) 摻纖維再生混凝土圖5 劈裂抗拉強度試驗加載過程

2.5 試驗結(jié)果及分析

2.5.1 立方體抗壓強度試驗

再生混凝土抗壓強度隨纖維長度的變化關(guān)系如圖6、圖7所示。由圖6可知：當纖維摻量為0.1%時，隨纖維長度的增大，玻璃纖維再生混凝土立方體抗壓強度呈先增大后減小趨勢，相較于0%纖維對照組，各養(yǎng)護齡期的再生混凝土試件抗壓強度均有所增強，玻璃纖維長度6 mm時為最優(yōu)組，養(yǎng)護28 d時達到40.8 MPa，比未摻纖維時增大了33.7%。由圖7可知：當纖維摻量為0.2%時，試件抗壓強度變化趨勢與摻量為0.1%時大體相同，6 mm時仍為最優(yōu)組，養(yǎng)護28 d后達到40.0 MPa，比0.1%摻量時有所下降，下降了2%，原因為玻璃纖維長寬比大，表面電荷分布不均，攪拌過程中難以實現(xiàn)均勻分散，易發(fā)生纖維的絮聚[12]，產(chǎn)生結(jié)團現(xiàn)象，從而導致再生混凝土抗壓強度下降，12 mm長度時抗壓強度下降的原因亦是如此，因纖維越長，其質(zhì)地越軟，吸水性越強，更易產(chǎn)生結(jié)團現(xiàn)象。

由圖6、圖7可知：養(yǎng)護齡期為3 d、7 d、28 d時，試件的抗壓強度整體都呈上升趨勢。不摻纖維時，按照規(guī)范制作的再生混凝土試塊，養(yǎng)護3 d抗壓強度為22.6 MPa，達到普通混凝土強度設計值的56.5%；養(yǎng)護7 d抗壓強度為27.9 MPa，達到普通混凝土強度設計值的69.7%；而28 d時強度為30.5 MPa，低于設計值。其主要原因：一是10%PVA溶液浸泡過后的再生骨料，其表面的部分孔隙被封堵，吸水率下降，強度接近天然骨料[13]；二是聚羧酸高效減水劑與不同品種的水泥和摻合料有較好的相容性，具有早強高強性能，早期強度能提高至50%以上，在低摻該減水劑時再生混凝土強度隨摻量增加而逐漸增加。

圖6 0.1%纖維摻量抗壓強度

圖7 0.2%纖維摻量抗壓強度

2.5.2 劈裂抗拉強度試驗

再生混凝土劈裂抗拉強度隨纖維長度的變化關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 0.1%纖維摻量劈裂抗拉強度

圖9 0.2%纖維摻量劈裂抗拉強度

由圖8可以看出，當纖維摻量為0.1%時，各養(yǎng)護齡期的玻璃纖維再生混凝土，隨纖維長度的增大，其劈裂抗拉強度也不斷增大，但均低于0%纖維對照組。一方面，纖維的加入使再生混凝土劈裂抗拉強度值有所下降；另一方面，再生粗骨料中含有部分未處理的硬化水泥砂漿，表面也附著少部分水泥砂漿，吸水率大大增加，導致其整體性能較差，影響再生骨料的強度；再者，破碎生產(chǎn)再生骨料時機械操作造成骨料自身的損傷，種種因素使得再生粗骨料的性能不如天然粗骨料[14]。即使再生骨料替代部分天然骨料使混凝土劈裂抗拉強度降低，但在其中加入玻璃纖維后，隨著纖維長度和摻量的增加，再生骨料混凝土的強度仍得到了有效提高。由圖9可以看出，當纖維摻量為0.2%時，養(yǎng)護3 d、7 d、28 d的試件劈裂抗拉強度均隨纖維長度的增加而逐漸增大，纖維長度為12 mm時達到最優(yōu)，且均高于0%纖維對照組，不同齡期分別增大了11.1%～15.0%，這說明再生混凝土中摻入玻璃纖維能顯著改善其劈裂抗拉強度。玻璃纖維在試塊中呈隨機分散狀態(tài)分布，與其他材料之間產(chǎn)生機械咬合力，起到承受拉力的作用，約束裂縫的繼續(xù)發(fā)展。而未摻纖維的混凝土，將直接產(chǎn)生裂縫[15]。

由圖8、圖9可知：纖維摻量不變時，劈裂抗拉強度隨纖維長度增大而增大；纖維長度不變時，劈裂抗拉強度隨纖維摻量增加而增大。纖維摻量0.2%、長度12 mm時得到最優(yōu)組，劈裂抗拉強度為4.0 MPa。玻璃纖維再生混凝土試塊受到拉力后薄弱處產(chǎn)生裂縫，這時其破壞面上的玻璃纖維開始承受拉力，從而使試塊的抗拉強度和韌性得到提升，在纖維即將斷裂時達到峰值應力[15]。

3 試驗結(jié)果分析

通過SEM(掃描電鏡)分析，如圖10所示。

圖10 不同倍數(shù)下再生骨料表面膠狀物形態(tài)

由圖10可知：經(jīng)PVA溶液浸泡過后的改性再生骨料表面附著一層PVA凝膠，在圖中用白色圓圈標出。這使得再生骨料的細微裂縫被凝膠包裹形成封閉狀態(tài)，從而提高了再生骨料的整體強度；另外粗骨料表面附著的膠狀物存在黏性使膠凝材料和細骨料緊密結(jié)合，再生混凝土整體強度得到極大改善。

玻璃纖維在試件中的微觀形態(tài)如圖11所示，圖中白色箭頭所指為裂縫，分布在試件各處，并且裂縫只在無纖維處發(fā)展；黃色圓圈標識為玻璃纖維，玻璃纖維呈束狀分散在試件中，此時纖維與再生混凝土內(nèi)部膠凝材料粘結(jié)較好，被其緊緊包裹住，起到連接作用，有效抑制荷載作用下試件產(chǎn)生裂縫及裂縫的發(fā)展，最終達到改善再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的目的。

圖11 玻璃纖維在試件中的微觀形態(tài)

4 結(jié)論

(1)再生骨料在10% PVA溶液的浸泡下強度得到提高，從而使再生混凝土的各項基本力學性能也相應得到提高。

(2)摻入不同摻量和不同長度的玻璃纖維，再生混凝土抗壓強度均有所提高，不同摻量下纖維長度為6 mm時均為最優(yōu)組。

(3)纖維摻量為0.1%時，再生混凝土劈裂抗拉強度隨纖維長度的增加呈上升趨勢，但均低于0%纖維對照組，0.1%纖維的加入使再生混凝土劈裂抗拉強度值下降；纖維摻量為0.2%時，再生混凝土的劈裂抗拉強度均隨纖維長度的增加而逐漸增大，且均高于0%纖維對照組，0.2%纖維的加入能顯著提高再生混凝土的劈裂抗拉強度。

(4)電鏡掃描下，PVA凝膠緊密附著在再生骨料表面，骨料與膠凝材料之間粘結(jié)較好，整體強度提高；玻璃纖維呈束狀均勻分散在再生混凝土中，發(fā)揮了良好的連接作用。