謝建和++李自堅++孫明煒

摘要：以普通混凝土和橡膠再生混凝土為研究對象，通過摻入硅粉和纖維材料研究強化環(huán)保型混凝土抗壓性能的方法。用再生混凝土100%等體積代替粗骨料，用橡膠顆粒20%等體積代替細骨料，內(nèi)摻10%（質(zhì)量分數(shù)）或外摻3%（質(zhì)量分數(shù)）硅粉以及摻入聚丙烯纖維或鋼纖維，制備了4組12個混凝土立方體試件，通過軸壓試驗研究了混凝土試件的破壞模式、抗壓強度和工作性能。結(jié)果表明：與單一摻入硅粉相比，硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入能進一步強化混凝土的抗壓性能；硅粉的摻入可以強化漿體與橡膠顆粒間的界面性能，提高鋼纖維橡膠再生混凝土的抗壓強度；硅粉和纖維材料對混凝土的工作性能有負作用，其復(fù)合摻入時建議采用適量的減水劑。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；硅粉；橡膠；聚丙烯纖維；鋼纖維；抗壓性能

中圖分類號：TU528.572 文獻標志碼：A

0 引 言

中國是一個資源消耗大國，每年都產(chǎn)生大量的固體廢棄物，如建筑垃圾、廢舊橡膠、鋼渣等，各種自然災(zāi)害也會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。如何有效循環(huán)利用這些固體廢棄物，既減輕環(huán)境污染，又節(jié)省原材料的消耗，是城市可持續(xù)發(fā)展的熱點研究課題。目前，利用廢棄混凝土進行破碎、清洗、分級后重新形成的骨料來制備混凝土是應(yīng)用較廣的再生技術(shù)[1]。另外，利用廢棄輪胎橡膠取代部分混凝土骨料也是一種流行的環(huán)保手段，其原因有2個：一是大量的廢棄橡膠已經(jīng)成了廣為人知的環(huán)境問題；二是橡膠能夠吸收大量的應(yīng)變能，大大提高混凝土的動力性能[2]。因此，橡膠再生混凝土是一種富有發(fā)展前景的環(huán)保建筑材料。

現(xiàn)有研究表明，與天然骨料相比，再生骨料和橡膠骨料均會降低混凝土的抗壓強度。Xiao等[1]收集了近年的試驗研究數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當再生粗骨料替代率不超過30%時，再生混凝土的抗壓強度變化并不明顯，但替代率為100%時，其抗壓強度下降約為10%～25%。至于橡膠，通常是以細顆粒或粉狀代替混凝土細骨料。AlTayeb等[3]、Valadares等[4]、Fonseca等[5]先后對橡膠混凝土抗壓強度進行了試驗研究，結(jié)果顯示當混凝土中橡膠的體積分數(shù)超過6%時，混凝土的抗壓強度會明顯下降。為了提高混凝土抗壓性能，摻入硅粉是一種非常有效的處理方法。大量研究表明，摻入硅粉能夠增加再生混凝土的密實度，提高混凝土的抗壓強度[68]。然而，關(guān)于硅粉對再生混凝土力學性能的影響，現(xiàn)有的研究缺少對外摻和內(nèi)摻2種方法的對比，尚未見關(guān)于外摻和內(nèi)摻硅粉對橡膠再生混凝土抗壓強度影響的研究報道。另外，為了提高混凝土的抗折和抗沖擊性能，在混凝土中加入高韌性材料是一種非常不錯的選擇[9]，比如摻入鋼纖維[1011]或聚丙烯纖維（PPF）[12]等材料。

本文擬以橡膠顆粒代替細骨料，再生混凝土代替粗骨料，通過外摻PPF或鋼纖維，內(nèi)摻或外摻硅粉，對該類環(huán)保型混凝土的抗壓性能進行試驗研究，探討不同硅粉摻入方式、不同纖維類型對該類混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，并初步探明其破壞機理。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本文試驗采用石井水泥廠生產(chǎn)的42.5R級普通硅酸鹽水泥。天然骨料采用花崗巖碎石，再生骨料采用深圳市綠發(fā)鵬程環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的骨料。再生骨料和天然骨料均采用粒徑為5～10 mm和10～20 mm的骨料，按1∶1混合而成，且均為連續(xù)級配，其吸水率分別為2.1%和0.9%。天然細骨料采用連續(xù)級配、密度為2.69 g·cm-3、細度模數(shù)為2.52、吸水率為0.8%的粗河砂。試驗用水為飲用自來水。PPF為河北廊坊防火保溫密封材料有限公司生產(chǎn)，其基本性能見表1。鋼纖維采用衡水橡膠城提供的剪切波浪型纖維，其是由普通鋼板剪切并經(jīng)壓制成型，長度為32 mm，長徑比為45，抗拉強度為800 MPa。硅粉為成都東藍星科有限公司生產(chǎn)，技術(shù)指標如表2所示。減水劑采用廣東省江門強力建材科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，其技術(shù)指標見表3。橡膠顆粒直徑范圍為0.85～1.40 mm，密度為1.05 g·cm-3，熔點為170 ℃。圖1為橡膠顆粒、鋼纖維、再生骨料和硅粉的外觀形態(tài)。

1.2 試驗裝置

本文研究是在MATEST C088O1材料壓縮試驗機上實施軸壓試驗，采用力控制模式，加載速度為0.5 MPa·s-1，試驗加載裝置如圖2所示。2 試驗結(jié)果與討論

本文研究的所有試件均在養(yǎng)護28 d后進行軸壓試驗。軸壓試驗中，普通混凝土試件和其他組試件分別加載至峰值后降至峰值荷載的20%和40%停止加載，立方體抗壓強度如表4所示。

2.1 破壞模式

在軸壓過程中，普通混凝土試塊中部的表層首

與普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纖維混凝土在加載接近峰值荷載時，裂縫數(shù)量更多，但裂縫寬度更小。當荷載降至峰值的20%時，試件未見混凝土脫落，表面保持完整。在荷載從峰值的20%降至峰值的40%過程中，表層的混凝土開始外鼓，但試件最終裂而不碎，沒有出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象。圖4為硅粉聚丙烯纖維混凝土承受軸壓后搗開的破壞形態(tài)。與普通混凝土相似，硅粉聚丙烯纖維混凝土的受壓破壞斷面主要出現(xiàn)在天然粗骨料與砂漿的粘結(jié)面。值得提出的是，硅粉聚丙烯纖維混凝土出現(xiàn)了一定數(shù)量的天然粗骨料被劈裂的現(xiàn)象；聚丙烯纖維既出現(xiàn)被拔出的現(xiàn)象，也出現(xiàn)被拔斷的現(xiàn)象（圖4）。這說明硅粉的摻入較大提高了粗骨料與砂漿粘結(jié)面的強度，導致部分粗骨料破壞。另外，聚丙烯纖維的存在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能，使得混凝土破壞時表面更加平整。

硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土的破壞過程與硅粉聚丙烯纖維混凝土相似，破壞后兩者的表面均保持較完整，但后者的裂縫數(shù)量更少，裂縫寬度更小。這主要是因為聚丙烯纖維細長，且與混凝土粘結(jié)良好，在混凝土內(nèi)部起串連作用，而鋼纖維雖強度更高，但其與再生混凝土粘結(jié)不好，導致混凝土破壞后內(nèi)部更為松散，如圖5（a）所示。對于硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土，試塊的破壞斷面主要是再生粗骨料與砂漿的粘結(jié)面，但是也出現(xiàn)一定數(shù)量再生粗骨料被劈裂的現(xiàn)象，磚塊被劈裂的現(xiàn)象較為明顯，見圖5（b）；混凝土中的鋼纖維均是被拔出，未見被拔斷的現(xiàn)象。從本文研究試驗現(xiàn)象來看，無論是鋼纖維還是聚丙烯纖維，它們摻入混凝土一定程度上抑制了裂縫的擴展，混凝土基體并沒有明顯的剝落現(xiàn)象，混凝土試件表面均能保持較完整。這表明混凝土在受壓過程中，纖維有效地減少了裂縫尖端的應(yīng)力集中，起到了耗散破壞能量的作用，增加了混凝土的延性。值得提出的是，與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在混凝土中的粘結(jié)性能更好。

2.2 抗壓強度

圖6為各組混凝土與普通混凝土抗壓強度之比。從圖6可見，與普通混凝土相比，內(nèi)摻和外摻硅粉的橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強度分別降低了31.4%和20.6%。這一方面是因為再生粗骨料本身的多孔性、強度低以及其破碎過程中產(chǎn)生的預(yù)損傷等原因，另一方面是因為以細骨料身份摻入的橡膠顆粒具有較強的憎水性和較大的孔隙率，致使其與膠凝材料沒有粘結(jié)牢固，降低混凝土密實性，導致橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強度明顯降低[13]。

為了分析硅粉對橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強度的影響，圖7給了本次試驗和本課題組[14]前期沒摻硅粉的試驗結(jié)果。從圖7可以看出，隨著橡膠摻量的增加，橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強度隨之下降。與同批次的普通混凝土相比，沒摻硅粉、橡膠替代率為16%的混凝土抗壓強度下降了40%，而內(nèi)摻10%硅粉、橡膠替代率為20%的混凝土抗壓強度只下降了31%。由圖7的變化趨勢可推測，內(nèi)摻10%硅粉至少能給橡膠替代率為20%的橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強度帶來15%的提高，而外摻3%硅粉則能進一步提高抗壓強度，其增幅約為26%。由此可見，摻入硅粉是提高橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓性能的有效方法。究其原因，硅粉的摻入不僅改善了硬化水泥漿體與粗骨料間的粘結(jié)界面，而且硅粉顆粒散布在橡膠顆粒表面，改善了漿體與橡膠顆粒間的界面，增強其粘結(jié)強度。另外，與內(nèi)摻法相比，外摻法的膠凝材料總質(zhì)量多于內(nèi)摻法的膠凝材料，而且外摻法的水泥含量多于內(nèi)摻法，產(chǎn)生的水泥水化物也更多，硅粉與其反應(yīng)更加充分，更有效地產(chǎn)生CSH溶膠。因此，外摻法相比內(nèi)摻法能更有效提高橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強度。然而在經(jīng)濟性上，內(nèi)摻法更加節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

另外，從圖6可以看出，與普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度提高了38%。吳建華等[12]利用與本試驗相同含量的硅粉和聚丙烯纖維對再生混凝土進行強化，試驗結(jié)果顯示強化后再生混凝土抗壓強度的提高率達到了30%。對于普通混凝土，許多試驗已經(jīng)表明，內(nèi)摻10%硅粉時，其抗壓強度提高率約為20%[7，15]。由此可見，硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入無論對天然混凝土還是再生混凝土的抗壓性能都有很好的強化作用，比單摻硅粉更強。這一方面是因為聚丙烯纖維亂向分布的摻入，形成了立體骨架，改善了混凝土的延性，阻止了微裂縫擴展，增強其抗裂性能[16]；另一方面硅粉的火山灰效應(yīng)和微填充效益改善了水泥漿體與骨料的界面性能，增強了混凝土的密實性和與纖維的粘結(jié)性能。兩者相輔相成，取得了較單摻其中任一種材料更好的改性效果。

2.3 塌落度

圖8為各組混凝土的塌落度。從圖8可以看出，硅粉聚丙烯纖維混凝土的塌落度較普通混凝土下降30 mm，工作性能最差。這一方面是因為內(nèi)摻硅粉較多，硅粉顆粒較水泥顆粒要小很多，其吸水量比水泥顆粒要大；另一方面是因為聚丙烯纖維亂向分布，形成立體骨架，兩者的共同作用，導致了塌落度的下降。再生骨料有較強的吸水性，所以本文試驗根據(jù)再生骨料的吸水率補充了附加水。與普通混凝土相比，內(nèi)摻10%和外摻3%硅粉的橡膠鋼纖維再生混凝土的塌落度則分別下降了20 mm和0 mm。硅粉和鋼纖維對再生混凝土塌落度有負作用，而橡膠是憎水材料，它起到了滾珠的作用，使得硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土中的游離水增加。因此，橡膠抵消了硅粉和鋼纖維部分的負作用，增加其塌落度。由此可見，硅粉和纖維材料在混凝土的復(fù)合摻入時還需特別考慮其工作性能，控制其水灰比或調(diào)整減水劑的用量都是不錯的選擇。

3 結(jié) 語

（1）硅粉和聚丙烯纖維或鋼纖維的復(fù)合摻入能明顯提高混凝土抗壓的延性。與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在混凝土中的粘結(jié)性能更好。

（2）硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入無論對天然混凝土還是再生混凝土的抗壓性能都有很好的強化作用。

（3）內(nèi)摻10%硅粉能給橡膠替代率為20%的橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強度帶來15%以上的提高，而外摻3%硅粉則能提高同類混凝土抗壓強度的26%。

（4）硅粉和纖維材料的復(fù)合摻入會明顯降低混凝土的塌落度，橡膠顆粒的存在可以抵消它們部分的負作用，建議調(diào)整水灰比或減水劑用量來改善其工作性能。

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