聚丙烯-鋼纖維/再生粗骨料混凝土力學(xué)性能正交試驗(yàn)研究*

金寶宏，鄭傳磊，侯玉飛，王晉浩，趙亞娣，李淑翔

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)院, 銀川 750021)

0 引 言

石子(NCA)作為配置混凝土必不可少的材料，其儲量和質(zhì)量影響著城市建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著城市建設(shè)腳步的加快，石子作為地球上的不可再生資源，被開采的數(shù)量逐年增多，盲目開采造成骨料資源枯竭和發(fā)生了一系列諸如山體滑坡、河床改道和泥石流等自然災(zāi)害問題。廢棄混凝土作為城市建設(shè)產(chǎn)生的建筑垃圾，目前除少數(shù)被用來墊地基以外，其余處理方式以垃圾場填埋和郊區(qū)露天堆放為主。為了保護(hù)環(huán)境和減少資源浪費(fèi)，有必要研究將廢棄混凝土回收使用，制作成新混凝土的原材料。

廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分和分級等工序處理后得到的再生骨料，部分或全部替代砂石拌制成的再生混凝土，其性能弱于普通混凝土[1-3],但在某些對于強(qiáng)度要求較低的混凝土工程中，還是足夠使用。為了增大再生混凝土的應(yīng)用范圍，眾多學(xué)者對增強(qiáng)再生混凝土的性能做了大量研究工作[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)，通過摻入纖維對增強(qiáng)混凝土的性能具有顯著的作用，摻入不同的纖維對增強(qiáng)性能的表現(xiàn)形式不同，而合理的摻入兩種及以上纖維可以彌補(bǔ)單一纖維增強(qiáng)性能的局限性，有效發(fā)揮正混雜效應(yīng)，使混凝土的性能相比摻入單一纖維得到更大增強(qiáng)[7-9]。權(quán)長青[7]將不同摻量的聚丙烯纖維(PP)和鋼纖維(SF)摻入混凝土中，結(jié)果表明，混合纖維對增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的效果較為顯著。高丹盈[8]研究高溫狀態(tài)下PP-SF高強(qiáng)混凝土的抗爆裂能力和強(qiáng)度變化，結(jié)果表明，混合纖維相比單一纖維能有效抑制高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂，有效增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土在常溫時和高溫后的彎折強(qiáng)度?；艨》糩9]研究PP-SF對再生混凝土抗凍性能的提升作用，結(jié)果表明，適量摻入PP-SF會增加混凝土的含氣量，改善孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗凍性能，并且摻混合纖維的混凝土其抗凍性能明顯強(qiáng)于摻單一纖維的混凝土。

PP價格低廉，質(zhì)輕，延展性和耐久性好，具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，但其彈性模量和強(qiáng)度較低。SF雖然價格較貴，耐久性差于PP，但其彈性模量和強(qiáng)度高。將PP和SF混合摻入混凝土中得到的PP-SF混凝土的力學(xué)性能和工作性能優(yōu)異，且造價較為低廉。

目前國內(nèi)外關(guān)于PP-SF混凝土的研究較多[7-11]，而關(guān)于將PP-SF混合摻入再生混凝土中的研究較少。在本項(xiàng)研究中，筆者將PP-SF和再生粗骨料(RCA)摻入混凝土中用以制備PP-SF/RCA混凝土，研究PP體積分?jǐn)?shù)、SF體積分?jǐn)?shù)和RCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土力學(xué)性能的影響，應(yīng)用正交試驗(yàn)法對PP-SF/RCA混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)與分析評估。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)所用水泥為賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其初凝和終凝時間分別為142和198 min，3和28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.2和48.7 MPa。粉煤灰為當(dāng)?shù)鼗痣姀S生產(chǎn)的Ⅰ級灰，其細(xì)度、比表面積、燒矢量和需水量比分別為5.1%(>45 μm)、510 m2·kg-1、1.83%和94%。砂為銀川市蘭山砂石廠人工水洗中砂，其表觀密度、堆積密度、空隙率、泥漿含量和細(xì)度模數(shù)分別為2 718、1 630 kg·m-3、40%、1.2%和2.94。減水劑為北京慕湖公司生產(chǎn)的HWR-S型聚羧酸系高效減水劑(粉劑)，減水率約為20%。水為銀川市城市自來水。PP為上海影佳公司產(chǎn)品，圖示見圖1(a)。SF為衡水普方公司產(chǎn)品，圖示見圖1(b)。NCA為銀川市蘭山砂石廠生產(chǎn)的碎石，圖示見圖1(c)。RCA為原始強(qiáng)度C30的路面板狀廢棄混凝土經(jīng)處理得到的碎石，圖示見圖1(d)。PP和SF主要性能參數(shù)見表1，NCA和RCA主要性能參數(shù)見表2。

圖1 PP、SF、NCA和RCA的外觀

表1 PP和SF主要性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

按照L16(45)正交表設(shè)計三因素四水平正交試驗(yàn), 設(shè)兩列空白列，設(shè)計強(qiáng)度C30。因素水平見表3，基準(zhǔn)混凝土配合比見表4。試驗(yàn)時通過調(diào)整減水劑的用量使塌落度近似50 mm，經(jīng)過多次試拌，最終確定用水量為156 kg·m-3、水膠比為0.49、粉煤灰替代率為20%、砂率為37%和減水劑摻量為0.05%～0.6%。

表3 因素水平表

表4 基準(zhǔn)混凝土配合比(kg/m3)

1.3 混凝土試件制作

試驗(yàn)共設(shè)計1個基準(zhǔn)組(J-0)和16個正交組(ZJ-1～16)，根據(jù)試驗(yàn)需要，每組制作9個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和3個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，用于測試7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度。

為使PP和SF在混凝土中均勻分布，攪拌時邊攪拌邊加PP和SF，并充分預(yù)留干拌時間。攪拌前使用干凈濕抹布擦拭攪拌機(jī)和塌落度桶內(nèi)壁，按照砂、水泥、粉煤灰、NCA、RCA、SF、PP的先后次序依次材料倒入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌90 s；加入水和減水劑，攪拌90 s；攪拌結(jié)束后將混合物倒入塑料模具，在振動臺上振搗抹面，室溫靜置24 h后將試件脫模，再將試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7和28 d。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 混凝土試件破壞形態(tài)

2.1.1 抗壓強(qiáng)度試件破壞形態(tài)

圖2為試件的抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)。通過觀察試驗(yàn)可知，ZJ-(1～16)在加載過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象與J-0類似，ZJ-(1～16)隨著纖維摻量的增加，試件表面裂縫出現(xiàn)的時間有所延后。試驗(yàn)開始時，試件首先在中部和底邊角處產(chǎn)生微小裂紋；隨著荷載的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展成裂縫，并開始橫向膨脹，底邊角及中部表層混凝土出現(xiàn)開裂、剝落現(xiàn)象；在加載的后期，試件表面相鄰短裂紋開始貫通連結(jié)，試件內(nèi)部形成數(shù)條長裂縫；加載結(jié)束后，J-0側(cè)面破碎并發(fā)生整體剝落，表層混凝土剝落嚴(yán)重，如圖2(a)所示；ZJ-(1～16)由于摻入了一定量的PP和SF，雖然裂縫雖然比J-0多，但大多為小裂縫，且貫通式裂縫較少，如圖2(b)、(c)和(d)所示。試件的纖維體積分?jǐn)?shù)越高，底邊角及中部表層混凝土剝落越少，試件整體性越好。試件受到破壞時，PP和SF在混凝土中能起到橋接和應(yīng)力傳遞作用，能改善應(yīng)力分布，在裂縫處形成一道道連接，約束試件受壓時產(chǎn)生的橫向膨脹，有效遏制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，繼而提高試件的抗壓強(qiáng)度。

圖2 抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)

2.1.2 劈拉強(qiáng)度試件破壞形態(tài)

圖3為試件的劈拉強(qiáng)度破壞形態(tài)。在劈拉破壞加載的前期，試件處于彈性階段；隨著荷載的增加，試件首先在兩端墊條處產(chǎn)生裂紋，并逐漸向試件中部擴(kuò)大，最終伴隨著“嘣”地一聲，試件被劈裂。J-0脆性較大，在達(dá)到破壞荷載后，試件被直接劈成兩半，其斷裂面呈現(xiàn)“Ⅰ”型，如圖3(a)所示。ZJ-(1～16)在被劈裂時的響聲相較J-0較為沉悶，相較J-0沒有被劈成兩半，試件表面大都呈現(xiàn)出一條較粗長裂縫和數(shù)條較細(xì)短裂縫，仔細(xì)觀察裂縫可以看到試件內(nèi)部仍有部分纖維連接，如圖3(b)、(c)和(d)所示。

圖3 劈拉強(qiáng)度破壞形態(tài)

2.1.3 彎折強(qiáng)度試件破壞形態(tài)

圖4為試件的彎折強(qiáng)度破壞形態(tài)。彎折破壞加載前期試件無明顯形變，隨著荷載的增加，伴隨著“嘣”地一聲，試件瞬間被折斷。J-0最終被折成兩段，而ZJ-(1～16)由于加入了PP和SF，韌性有所增強(qiáng)，試件下端仍有部分連接，如圖4(a)和(c)所示。觀察J-0的破壞面可見斷裂面較為平整，既有骨料與砂漿界面間的黏結(jié)破壞，也有再生骨料被劈開，為明顯的脆性斷裂現(xiàn)象，如圖4(b)所示。圖4(d)中試件斷裂面凹凸不平，隨機(jī)分布著形態(tài)各異的PP和SF。

圖4 彎折強(qiáng)度破壞形態(tài)

2.2 混凝土力學(xué)性能

表5是J-0和ZJ-(1～16)的正交試驗(yàn)結(jié)果。從表5可以看出，ZJ-(1～16)的力學(xué)性能均大于J-0，7 d抗壓強(qiáng)度ZJ-2最大，28 d抗壓強(qiáng)度ZJ-4最大，劈拉強(qiáng)度ZJ-3最大，彎折強(qiáng)度ZJ-16最大，較J-0分別提高41.9%、23.0%、59.1%和28.9%。通過對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到VP、VS和RR三因素關(guān)于7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度的極差與方差分析結(jié)果如表6和7所示。表6中7 d抗壓強(qiáng)度的極差小于空白列(D)的極差，其試驗(yàn)結(jié)果存在可行度不足；28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度的極差均大于空白列的極差，試驗(yàn)結(jié)果可信[12]。圖2是VP、VS和RR三因素對PP-SF/RCA混凝土7 d抗壓和28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度的影響圖。

表5 J-0和ZJ-(1～16)正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 極差分析

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 抗壓強(qiáng)度

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋篤P(6.2 MPa)>VS(2.5 MPa)>RR(2.1 MPa)。表7中三因素對PP-SF/RCA混凝土7 d抗壓強(qiáng)度的影響均不顯著；VP和RR對于28 d抗壓強(qiáng)度影響特別顯著，VS有一定影響。

表7 方差分析

在圖5(a)和(b)中，除在B2和B3兩點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢不同，整體上PP-SF/RCA混凝土在7和28 d齡期時的抗壓強(qiáng)度隨VP、VS和RR的變化趨勢相同。由圖5(b)可知，隨著VP的增加，PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢，變化范圍為13%。當(dāng)纖維的摻量超過一定水平后，彈性模量較小的PP易相互重疊而相互干擾，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使纖維與基體的接觸表面積減少，降低纖維的有效利用率，在宏觀上表現(xiàn)為增強(qiáng)作用減小[13-14]。VS對PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強(qiáng)度改善不大，強(qiáng)度隨摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的過程，變化區(qū)間在6%之內(nèi)。過高摻量的SF不利于其在混凝土中充分分散，也會使混凝土不易振搗密實(shí)，內(nèi)部出現(xiàn)空隙，致使強(qiáng)度降低。VP和VS過高的摻量也會導(dǎo)致PP-SF/RCA混凝土出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖5 三因素對混凝土7 d抗壓強(qiáng)度(a)和28 d抗壓(b)、劈拉(c)及彎折強(qiáng)度(d)的影響

在圖5(b)中，隨著RR的增加，PP-SF/RCA混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，變化范圍為5%。在攪拌再生混凝土的過程中RCA存在高吸水現(xiàn)象，使混凝土的實(shí)際水膠比降低，抗壓強(qiáng)度得到增強(qiáng)[15]。隨著RR的增加，再生骨料品質(zhì)劣勢的缺陷逐漸暴露出來，使得強(qiáng)度增長隨摻量的增加而逐漸放緩。

2.3.2 劈拉強(qiáng)度

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土劈拉強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋篤S(0.56 MPa)>VP(0.49 MPa)>RR(0.41 MPa)。表7中因素VS對PP-SF/RCA混凝土劈拉強(qiáng)度影響顯著，VP和RR有一定影響。

從圖5(c)可以看出，VP摻量從0.8%增至2.0%，劈拉強(qiáng)度持續(xù)增加了20%；VP摻量從0.04%增至0.16%，劈拉強(qiáng)度先降低后增加，整體上呈現(xiàn)強(qiáng)度增加了8%。高彈模的SF主要依靠其自身與基體間的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力來發(fā)揮橋接作用。當(dāng)混凝土承受荷載作用而產(chǎn)生較小微裂縫時，此階段PP-SF/RCA混凝土的應(yīng)力主要由彈性模量較大的SF承擔(dān)；隨著承受荷載的增多，裂縫逐漸擴(kuò)大，SF承受的應(yīng)力也隨之增多，與此同時，低彈模的PP在發(fā)生大的變形后開始發(fā)揮增韌作用；PP-SF/RCA混凝土劈拉強(qiáng)度的顯著提高體現(xiàn)了PP-SF混雜的良好增強(qiáng)效應(yīng)，不同性質(zhì)的PP和SF混雜摻入混凝土中可使纖維在混凝土承受荷載時逐級阻裂，從而增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。

RR對劈拉強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)先先增加后減少的趨勢，變化范圍為15%。RR<40%時，再生骨料的高吸水現(xiàn)象使得PP-SF/RCA混凝土劈拉強(qiáng)度增大；當(dāng)RR超過40%后，再生骨料品質(zhì)劣勢造成的劈拉強(qiáng)度下降開始大于實(shí)際水膠比降低帶來的劈拉強(qiáng)度增長，使得劈拉強(qiáng)度逐步開始下降。

若僅考慮劈拉強(qiáng)度，最佳配合比為：0.16%的VP、2.0%的VS、40%的RR。

2.3.3 彎折強(qiáng)度

23例患者中男10例，女13例；年齡12 ～ 47歲，平均25.6歲；特發(fā)性脊柱側(cè)后凸畸形9例，先天性脊柱側(cè)后凸畸形14例，側(cè)凸及后凸頂椎均位于同一節(jié)段。側(cè)凸Cobb角均＞ 80°，bending位矯正率均＜ 25%且/或后凸Cobb角＞ 60°［3］。

從表6可以看出，三因素對PP-SF/RCA混凝土彎折強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋篤S(0.58 MPa)>VP(0.37 MPa)>RR(0.33 MPa)。表7中因素VS和RR對PP-SF/RCA混凝土彎折強(qiáng)度影響顯著，VP沒有影響。

VP和VS對彎折強(qiáng)度的影響和劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，整體上呈現(xiàn)強(qiáng)度變化了-2%和11%。隨著RR的增加，PP-SF/RCA混凝土彎折強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。RR從20%增至80%分別降低了5%、6%和4%。

若僅考慮彎折強(qiáng)度，最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、20%的RR。

2.4 功效系數(shù)法分析

功效系數(shù)法可對多個目標(biāo)問題進(jìn)行綜合評價。從2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，VS、VP和RR對PP-SF/RCA混凝土抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度的影響程度不同，無法確定PP-SF/RCA混凝土的最佳配合比，故引入功效系數(shù)法。將表5中28 d抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度的最大和最小值作為功效系數(shù)法評價體系的滿意和不滿意值[16]，列于表8。

表8 滿意值和不滿意值

功效系數(shù)值計算公式見公式(1)：

(1)

式中：d1、d2和d3分別代表28 d抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度的功效系數(shù)值。

將表5數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到的功效系數(shù)值計算結(jié)果見表9。由表9可知，ZJ-4的∑di最大，為281.59。因而綜合考慮抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度3個指標(biāo)，建議最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、80%的RR。

表9 功效系數(shù)值計算結(jié)果

3 PP-SF/RCA混凝土強(qiáng)度預(yù)測模型

引用復(fù)合材料力學(xué)理論[17]，假設(shè)PP-SF/RCA混凝土的強(qiáng)度由基體強(qiáng)度、PP增強(qiáng)項(xiàng)、BF增強(qiáng)項(xiàng)和RCA增強(qiáng)項(xiàng)共同組成。假定強(qiáng)度預(yù)測模型見公式(2)：

f=α0+α1x1+α2x2+α3x3+φ

(2)

式中：f為混凝土強(qiáng)度；α0為基體強(qiáng)度；α1、α2、α3為回歸系數(shù)；x1、x2、x3分別代表VP、VS和RR；為試驗(yàn)參數(shù)。

將表5數(shù)據(jù)代入預(yù)測模型公式(2)中，通過最小二乘法估計，得出PP-SF/RCA混凝土的28 d抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度的預(yù)測模型見公式(3)、(4)和(5)：

fcu=44.36522-4217.11957x1+171.60326x2+5.19076x3(R2=0.5981)

(3)

fts=2.10283+105.25815x1+45.06114x2+0.29552x3(R2=0.5501)

(4)

ff=4.75804+23.76359x1+55.7269x2-0.26247x3(R2=0.6656)

(5)

式中：fcu、fts和ff分別代表28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度；R2為決定系數(shù)。

從公式(3)、(4)和(5)可以看出，3個公式的決定系數(shù)均較低，為0.6左右，離散性較大。圖6為根據(jù)公式(3)、(4)和(5)進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測得到的PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實(shí)測值的對比圖。從圖3可以看出，28 d抗壓強(qiáng)度在J-0、ZJ-2、ZJ-5和ZJ-6的相對誤差較大，均大于±5.5%；28 d劈拉強(qiáng)度在ZJ-3、ZJ-5、ZJ-6、ZJ-9、ZJ-10和ZJ-11的相對誤差較大，均大于±11.1%；28 d彎折強(qiáng)度在ZJ-2、ZJ-5、ZJ-8、ZJ-11和ZJ-12的相對誤差較大，均大于±5.3%。預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值相對誤差較大，表明模型精度較低，據(jù)推測可能與纖維混雜效應(yīng)有關(guān)[18]。

圖6 PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實(shí)測值對比

為精確的預(yù)測混凝土的強(qiáng)度，基于纖維混雜效應(yīng)理論[18]定義新的強(qiáng)度預(yù)測模型見公式(6)：

(6)

式中：α4、α5為回歸系數(shù)。

得出PP-SF/RCA混凝土的28 d抗壓、劈拉和彎折強(qiáng)度的新預(yù)測模型見公式(7)、(8)和(9)：

(7)

(8)

(9)

根據(jù)公式(7)、(8)和(9)得到的新的PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能預(yù)測值與實(shí)測值的對比如圖7所示。從圖7可以看出，實(shí)測值和預(yù)測值吻合較好，表明新建立的強(qiáng)度模型精度較高。

圖7 PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能新預(yù)測值與實(shí)測值對比

4 結(jié) 論

(1)PP-SF/RCA混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度均大于基準(zhǔn)組,較基準(zhǔn)組最大增幅分別為41.9%、23.0%、59.1%和28.9%。

(2)7和28 d抗壓強(qiáng)度隨VP、VS和RR的變化趨勢相似，但7 d抗壓強(qiáng)度的方差分析結(jié)果不顯著，據(jù)推測原因?yàn)? d齡期時混凝土水化反應(yīng)不完全，此時混凝土內(nèi)部各成分之間連接不緊密。

(3)對于28 d抗壓強(qiáng)度，VP和RR為特別顯著因素，若僅考慮抗壓強(qiáng)度，最佳配合比為：0.04%的VP、1.2%的VS、80%的RR；對于28 d劈拉強(qiáng)度，VS為顯著因素，若僅考慮劈拉強(qiáng)度，最佳配合比為：0.16%的VP、2.0%的VS、40%的RR；對于28 d彎折強(qiáng)度，VS和RR為顯著因素，若僅考慮彎折強(qiáng)度，最佳配合比為：0.04%的VP、2.0%的VS、20%的RR。

(4)采用功效系數(shù)法對28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評價，建議最佳配合比為0.04%的VP、2.0%的VS、80%的RR。

(5)引用纖維混雜效應(yīng)理論建立的28 d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度預(yù)測模型精度較高。