聚丙烯纤维对再生混凝土力学及收缩性能影响研究

王 坤

(新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830000)

随着我国基础建设行业的快速发展及技术的革新，使得面临拆除改建的建筑工程越来越多， 随之带来了大量的废旧建筑垃圾[1-2]。 据调查统计：截至2020 年初我国已产生了10 亿多t 的废旧建筑垃圾，并且还以每年15%左右的增速继续增长， 而目前废旧建筑垃圾的主要处理方式为自然堆放，致使其占用了大量的土地资源，同时也造成严重的环境污染[3]。再生混凝土是废旧建筑垃圾处理的有效途径之一， 但是普通的再生混凝土仍然存有强度低、脆性大的缺陷，因此如何改善再生混凝土的使用性能已成为了当下热点研究课题[4-5]。

目前， 国内学者在聚丙烯纤维改善混凝土性能方面进行了不少研究，如黄鑫等[6]通过采用正交试验研究了聚丙烯纤维长度、砂率等因素对混凝土力学强度的影响；元成方等[7]通过对聚丙烯纤维混凝土展开高温试验，系统研究了高温条件下聚丙烯纤维混凝土的损伤机理；雷亮[8]以某桥梁工程施工为实例， 研究了聚丙烯纤维混凝土的配合比设计及其在桥梁工程的施工应用。 聚丙烯纤维混凝土方面的现有研究成果颇多， 而其在改善再生混凝土方面的研究相对较少。基于此，本文将不同体积掺量的聚丙烯纤维和不同取代率的再生粗骨料进行配比制备出C60纤维再生混凝土，以立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及干燥收缩变形为试验指标， 详细分析了聚丙烯纤维掺量对不同取代率再生混凝土强度及收缩性能的影响规律， 旨为聚丙烯纤维在再生混凝土工程中应用提供一定参考及指导。

1 试验材料及配合比设计

1.1 原材料

试验原材料水泥采用P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，密度为3140 kg/m3，比表面积为355 m2/kg，28 d 抗压强度为51.7 MPa；天然粗骨料采用粒径为5 mm～25 mm 的石灰岩碎石，表观密度为2730 kg/m3，单位体积质量为1.53 kg/L，吸水性为0.85%，压碎值为7.4%；再生粗骨料采用由废弃混凝土破碎而成的碎石，粒径范围为5 mm～25 mm，表观密度为2550 kg/m3，单位体积质量为1.41 kg/L，吸水性为6.29%，压碎值为13.7%；细骨料采用细度模数为2.46 的中粗河砂，表观密度为2610 kg/m3；聚丙烯纤维(PPF)采用单丝聚丙烯纤维，长度为12 cm，密度为910 kg/m3，其各项物理性能指标如表1 所示； 减水剂采用高效聚羧酸系减水剂；水为市政自来水。

表1 聚丙烯纤维的性能指标

1.2 试验配合比设计

聚丙烯纤维采用干掺的方式添加到C60 普通高强度混凝土中，普通与再生混凝土分别用NN、RN 表示。 试 验 基 准 配 合 比 为C∶W∶S ∶G=1∶0.33∶1.45∶2.37，其中砂率为38%， 聚丙烯纤维掺量分别为0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.2%，再生粗骨料取代率分别为0、30%、50%，为了便于试验过程中相关表述，分别将不同再生粗骨料取代率的混凝土试件分成NN0、RN30 和RN50 三组，所采用的配合比设计具体如表2所示。

表2 再生混凝土配合比设计

2 试验方法

表3 再生混凝土养护条件及试件尺寸

3 试验结果及分析

3.1 立方体抗压强度

通过对不同聚丙烯纤维再生混凝土试件进行立方体抗压强度测试，得到28 d 龄期时抗压强度试验结果如图1 所示。

图1 不同聚丙烯纤维再生混凝土的抗压强度实测结果

由图1 可知，在未掺聚丙烯纤维情形下，混凝土的立方体抗压强度随着再生粗骨料的增加逐渐降低； 随着聚丙烯纤维掺量的增加，NN0、RN30 和RN50 三组混凝土的立方体抗压强度均呈先减小后增大的变化， 但各组混凝土的抗压强度整体表现为明显降低， 表明了聚丙烯纤维的掺入不能有效增强基准混凝土和再生混凝土的立方体抗压强度，原因是聚丙烯纤维属于柔性类纤维，其弹性模量远低于普通混凝土， 因而无法承担水泥基体受压过程中产生的分散力， 故聚丙烯纤维不能改善再生混凝土的立方体抗压强度。

3.2 劈裂抗拉强度

通过对不同聚丙烯纤维再生混凝土试件进行劈裂抗拉强度测试， 得到28 d 龄期时抗拉强度试验结果如图2所示。

图2 不同聚丙烯纤维再生混凝土的抗拉强度实测结果

由图2 可知， 聚丙烯纤维再生混凝土的抗拉强度都随着再生粗骨料的增加逐渐减小； 在相同再生粗骨料取代率条件下，随着聚丙烯纤维掺量的增加，NN0、RN30 和RN50 组混凝土的劈裂抗拉强度均呈先增大后减小的变化趋势， 其中NN0 和RN50 组的劈裂抗拉强度在聚丙烯纤维掺量0%至0.10%范围内逐渐增大，而N30 组的劈裂抗拉强度则在聚丙烯纤维掺量0%至0.15%范围内逐渐增大， 当聚丙烯纤维掺量超过相应的范围后各组混凝土的劈裂抗拉强度均随之逐渐降低。 NN0、RN30 和RN50 组混凝土的劈裂抗拉强度最大值分别为4.19 MPa、3.95 MPa、3.58 MPa， 较基准混凝土分别增长了9.7%、6.8%、6.2%，表明聚丙烯纤维掺入能够有效增强混凝土的劈裂抗拉强度， 原因是聚丙烯纤维的弹性模量较低且具有良好的延性，可在混凝土基体内部形成有效的空间网络，因此适量分散的聚丙烯纤维起到了良好的黏聚及抗拉作用， 而聚丙烯掺量过大会造成纤维发生结团或分散不均现象，致使混凝土基体的宏观缺陷可能性得到提高， 从而降低了混凝土的抗拉强度。

3.3 抗折强度

通过对不同聚丙烯纤维再生混凝土试件进行抗折强度测试，得到28 d 龄期时抗折强度试验结果如图3 所示。

图3 不同聚丙烯纤维再生混凝土的抗折强度实测结果

根据图3 可知，随着再生粗骨料的增加，不同聚丙烯纤维再生混凝土的抗折强度均逐渐减小； 随着聚丙烯纤维掺量的增加，NN0、RN30 和RN50 组再生混凝土的抗折强度整体上都呈现出增大的变化趋势， 其中当聚丙烯纤维掺量为0%时， 各组再生混凝土的抗折强度分别为6.5 MPa、5.38 MPa、4.72 MPa， 而当聚丙烯纤维掺量增至0.15%时， 混凝土的抗折强度分别为7.57 MPa、6.9 MPa、6.52 MPa，较前者分别提高了16.5%、28.3%、38.1%，说明合理掺量的聚丙烯纤维能够有效增强再生混凝土的抗折强度， 原因是聚丙烯纤维在混凝土基体折断过程中发挥出良好的牵拉作用，故抗压强度和延性得到明显提高；但聚丙烯纤维过量容易形成杂乱堆积、应力集中等现象，从而致使抗折强度降低。

3.4 干燥收缩

通过对不同聚丙烯纤维再生混凝土试件进行干燥收缩测试， 分别得到7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 龄期时的干燥收缩率变化曲线如图4 所示。

由图4 可知，随着再生骨料或龄期的增大，不同聚丙烯纤维再生混凝土的干燥收缩率也逐渐增大； 随着聚丙烯纤维的增加， 再生混凝土的干燥收缩率整体上均呈逐渐下降的变化趋势， 说明聚丙烯纤维有利于增强再生混凝土的干燥收缩性能，原因是聚丙烯纤维质地比较柔软，其掺入基体内能很好的与水泥砂浆紧密粘结， 从而提高了混凝土基体抵抗应力及变形的能力， 故在一定程度削弱了混凝土的干燥收缩程度。 当聚丙烯纤维掺量在0～0.10%范围内时，各组再生混凝土的干燥收缩降幅较为明显；当聚丙烯纤维掺量在0.10%～0.20%范围内时，混凝土的干燥收缩降幅随着聚丙烯纤维掺量的增加逐渐趋于平稳，而过量的纤维在基体内部容易产生结团现象，使得改善再生混凝土干燥收缩性能的最佳纤维掺量难以确定，但当龄期为90d、聚丙烯纤维掺量为0.20%时，NN0、RN30和RN50 组再生混凝土的干燥收缩率分别为3.74×10-4、5.72×10-4、6.71×10-4，较基准混凝土均有明显的降低。

图4 不同聚丙烯纤维再生混凝土的干燥收缩率变化曲线

4 结语

(1)随着再生骨料的增多，聚丙烯纤维再生混凝土的强度整体上均有不同程度的降低， 而其干燥收缩率则随之逐渐增大。

(2) 聚丙烯纤维不能有效改善再生混凝土的抗压强度， 但合理掺量的聚丙烯纤维有利于改善再生混凝土的韧性，增强再生混凝土的抗拉强度和抗折强度。

(3)聚丙烯纤维能与再生混凝土基体内的水泥砂浆紧密结合，有利于提升混凝土基体抵抗应力及变形的能力，增强了再生混凝土的干燥收缩性能， 可作为改善再生混凝土干燥收缩性能比较理想的材料之一。