钢-聚丙烯纤维混杂纤维再生骨料混凝土力学性能研究.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 材料及应用材料及应用67摘要：为了实现废弃混凝土的资源化利用，文章通过掺入钢纤维和聚丙烯纤维来改性再生骨料混凝土的力学性能，对改性再生骨料混凝土试件进行抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。研究结果表明，当再生骨料最佳替代率为 30%时，单独掺入钢纤维时的最佳纤维掺量在 0.9%左右，而聚丙烯纤维掺量至少为 0.3%；当钢纤维掺量为 1.2%、聚丙烯纤维掺量为 0.3%时，抗压强度和劈裂抗拉强度均达到最高值，且对再生混凝土的破坏形态影响最为显著。关键词：废弃混凝土；再生粗骨料；钢纤维；聚丙烯纤维分类号：TU528混凝土自出现以来就在国家基础设施建设方面带来了明显的经济和社会效益，但其大量的使用也对自然环境造成不可逆转的破坏1。相关数据显示，我国建筑垃圾的数量已经占到城市垃圾总量的30%40%，其年产生量已经超过 3.5109 t，并且以每年 10%的增速在继续增加。因此，利用废弃混凝土进行研究的重要性日益突出。吴全强等2在研究中发现钢纤维的合理掺量为1.5%左右。当取代率低于 40%时，掺入钢纤维可以使其达到普通混凝土的相似强度及收缩水平。孔祥清等3也在研究发现单掺钢纤维或混合掺入钢/聚丙烯纤维均能提高再生混凝土的抗拉和抗折性能。混合掺入钢/聚丙烯纤维对再生混凝土的劈裂抗拉和抗折强度的提高作用较单掺钢纤维的作用更为显著。在以上研究基础上，文章主要研究在再生混凝土中掺入钢-聚丙烯混杂纤维，以期改善再生混凝土的力学性能，并通过试验得到相应配合比。1 试验概况1.1 试验原材料水泥采用 PO42.5 普通硅酸盐水泥，细骨料为人工砂，减水剂为粉末状聚羧酸减水剂，外掺料为铣削型钢纤维、聚丙烯纤维，粗骨料为选用碎石及再生粗骨料。该试验所使用的废弃混凝土主要来自贵州浩博工程质量检测有限公司，强度在 C25 C40。将废弃混凝土进行破碎、筛取、清洗后依据再生混凝土结构技术标准（JGJ/T 4432018）要求，选取粒径为5 20 mm 骨料作为再生粗骨料。天然骨料及再生骨料物理参数如表 1 所示，铣削型钢纤维和聚丙烯纤维物理性能如表 2 所示。表 1 天然骨料和再生骨料物理参数 单位：kgm-3物理参数天然骨料再生骨料吸水率0.83%7.40%堆积密度633326表观密度735573压碎值18.50%22.40%表 2 铣削型钢纤维和聚丙烯纤维物理性能物理性能铣削型钢纤维聚丙烯纤维长度/mm3818等效直径/mm0.5500.035抗拉强度/MPa680498长径比69.1514.3钢-聚丙烯纤维混杂纤维再生骨料混凝土力学性能研究*张浩原，张腾元，冯 霄，杨豪杰，李冰涛，李 勤六盘水师范学院 土木与规划学院，贵州 六盘水 553004文章编号：2096-3092（2024）02-0067-03*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“变废为宝-纤维增强再生混凝土性能研究”（202210977038）；国家级大学生创新创业训练计划项目“重获新生一种建筑固废物质量提升技术”（202310977181）作者简介：张浩原，男，六盘水师范学院本科在读，研究方向为土木工程。通信作者：张腾元，女，中国矿业大学博士在读，讲师，研究方向为混凝土的再生利用。材料及应用 材料及应用 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料681.2 试验方案该试验步骤按照 纤维混凝土试验方法标准 （CECS 132009）进行，依据 纤维混凝土应用技术规程（DBJ 08-591997）制备钢纤维再生骨料混凝土，依据混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T50081-2019）对纤维再生混凝土进行抗压及劈裂抗拉强度试验。因为再生骨料混凝土强度都能满足 C30 强度，随着再生骨料的增多，耐久性也随之减弱。为保证建筑物质量和使用寿命，建议使用 30%的再生骨料。故该试验在30%再生骨料替代率的基础上进行。纤维再生混凝土配合比如表 3 所示。试验采取试件尺寸为 100 mm100 mm100 mm的立方体，试验设备为 DYE-2000 型电液式压力试验机。2 试验结果与分析2.1 抗压强度试验及分析（1）由再生混凝土力学性能试验发现，当替代率为 30%时，再生混凝土的抗压强度为 41.97 MPa，单掺聚丙烯纤维之后抗压强度得到有效提高。当聚丙烯纤维掺量为 0.1%、0.2%、0.3%时，再生混凝土强度为 44.84 MPa、45.55 MPa、47.09 MPa，在原有基础上分别提高了 6.84%、8.53%、12.20%，可见聚丙烯纤维能够提高再生混凝土的抗压强度。（2）根据单掺钢纤维的试验结果分析发现，钢纤维掺量为 0.6%时，抗压强度为 46.36 MPa，提高率为10.46%；掺量达到 0.9%时，强度达到 48.55 MPa，提高率为 15.68%。但是随掺量增加，强度出现降低，当掺量为 1.2%时，抗压强度在 0.9%的基础上降低了2.12%，这说明钢纤维掺量不宜过高，0.9%为最佳。（3）以聚丙烯纤维掺量为定量绘制分析图，如图1 所示。当掺入混杂纤维之后，抗压强度得到明显提高，且均高于同配合比的普通混凝土。将聚丙烯纤维掺量作为定量时，随着钢纤维掺量的增加，再生混凝土的抗压强度依次增加。聚丙烯纤维掺量440.1%0.2%0.3%46485052545658抗压强度/MPa0%钢纤维掺量0.6%钢纤维掺量0.9%钢纤维掺量1.2%钢纤维掺量图 1 以聚丙烯纤维掺量为定量的分析图（4）以钢纤维掺量为定量绘制分析图，如图 2 所示。当钢纤维掺量为 0.6%、聚丙烯纤维掺量为 0.2%时，强度比聚丙烯纤维掺量为 0.1%时降低 0.21 MPa。当聚丙烯纤维掺量达到 0.3%时，抗压强度得到明显提高。表 3 纤维再生混凝土配合比 单位：kg编号水水泥细骨料天然粗骨料再生粗骨料聚丙烯纤维掺量钢纤维掺量减水剂RA-3190360740777333002.88F-1-01903607407773330.9102.88F-2-01903607407773331.8202.88F-3-01903607407773332.7302.88F-0-1190360740777333047.102.88F-0-2190360740777333070.562.88F-0-3190360740777333094.202.88F-1-11903607407773330.9147.102.88F-1-21903607407773330.9170.562.88F-1-31903607407773330.9194.202.88F-2-11903607407773331.8247.102.88F-2-21903607407773331.8270.562.88F-2-31903607407773331.8294.202.88F-3-11903607407773332.7347.102.88F-3-21903607407773332.7370.562.88F-3-31903607407773332.7394.202.88造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 材料及应用材料及应用69钢纤维掺量460.6%0.9%1.2%485052545658抗压强度/MPa0%聚丙烯纤维掺量0.1%聚丙烯纤维掺量0.2%聚丙烯纤维掺量0.3%聚丙烯纤维掺量图 2 以钢纤维掺量为定量的分析图2.2 劈裂抗拉强度试验及分析（1）通过再生混凝土劈裂抗拉试验，发现当替代率为 30%时，劈裂抗拉强度为 2.53 MPa，而普通混凝土为 2.90 MPa。在再生混凝土中掺入纤维，能够显著提升再生混凝土的劈裂抗拉强度，而聚丙烯纤维相较于钢纤维对劈裂抗拉强度影响更为显著。（2）通过分享单掺聚丙烯纤维、单掺钢纤维的再生混凝土劈裂抗拉试验结果发现，随着聚丙烯纤维掺量、钢纤维掺量的增加，劈裂抗拉强度平均上升0.78 MPa 和 0.71 MPa，均高于普通混凝土的劈裂抗拉强度。当钢纤维掺量为 1.2%时，劈裂抗拉强度的增长率最高。（3）以聚丙烯纤维掺量为定量图绘制分析图，如图 3 所示。将聚丙烯纤维掺量作为定量时，观察钢纤维掺量对聚丙烯纤维再生混凝土劈裂抗拉强度的影响。随着钢纤维掺量增加，劈裂抗拉强度依次增加。聚丙烯纤维掺量0.1%0.2%0.3%3.23.33.43.53.63.73.83.9劈裂抗拉强度/MPa0%钢纤维掺量0.6%钢纤维掺量0.9%钢纤维掺量1.2%钢纤维掺量图 3 以聚丙烯纤维掺量为定量的分析图（4）以钢纤维掺量定量绘制分析图，如图 4 所示。当钢纤维掺量为 0%、0.6%时受聚丙烯纤维影响的增长率几乎相同，但是当钢纤维掺量增加为 0.9%、聚丙烯纤维掺量达到 0.2%时，再生混凝土的劈裂抗拉强度降低。当钢纤维掺量为 1.2%、聚丙烯纤维掺量为 0.3%时，劈裂抗拉强度是所有组合里面强度最高的。钢纤维掺量3.20.6%0.9%1.2%3.43.63.84.0劈裂抗拉强度/MPa0%聚丙烯纤维掺量0.1%聚丙烯纤维掺量0.2%聚丙烯纤维掺量0.3%聚丙烯纤维掺量图 4 以钢纤维掺量为定量的分析图3 结论（1）单掺钢纤维时，再生混凝土的强度能够得到明显提高，在掺量达到 1.2%时强度降低，说明单掺钢纤维掺量不宜过高，在 0.9%左右为最佳。单掺聚丙烯纤维时，对再生混凝土的强度提高作用有限。（2）混杂纤维能够显著增强再生混凝土的力学性能，且随着钢纤维掺量的增加并未发生强度降低现象。聚丙烯纤维对再生混凝土的抗拉性能提升较为显著，在与钢纤维结合使用之后，劈裂抗拉强度也得到了较大的提升。（3）纤维掺入再生混凝土虽然能够增加力学性能，但是也增加造价，因此在工程中应根据需求来确定纤维的种类以及掺量。聚丙烯纤维价格较低，且聚丙烯纤维的抗拉强度达到了 498 MPa，在配置再生骨料混凝土时可选择其替代一部分钢纤维。参考文献1 张志伟.复合胶凝材料的再生粗骨料混凝土力学性能研究D.南昌:华东交通大学,2022.2 吴全强,肖 泽林,李舵.钢纤维增强再生混凝土力学及收缩性能试验研究J.湖南交通科技,2020,46(2):45-48.3 孔祥清,何文昌,周聪,等.混杂掺入钢/聚丙烯纤维再生混凝土力学性能及抗冲击性能试验研究J.建筑科学,2020,36(3):94-99.