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聚丙烯腈纤维废陶瓷再生骨料混凝土力学性能优化研究

2024-08-23 46 上传者：管理员

摘要：为了使掺入聚丙烯腈纤维的废陶瓷再生骨料混凝土力学性能达到最优，选取了废陶瓷骨料掺量、聚丙烯腈纤维掺量以及聚丙烯腈纤维长度3个因素，每个因素合理选取5个水平，设计3因素5水平的正交试验。试验结果表明：当废陶瓷骨料掺量取55%～60%、聚丙烯腈纤维掺量取0.8 kg/m3、聚丙烯腈纤维长度取12 mm时，混凝土抗压强度最佳；当废陶瓷骨料掺量取45%～50%、聚丙烯腈纤维掺量取1.2 kg/m3、聚丙烯腈纤维长度取15 mm时，混凝土抗折强度最佳，均达到了设计的C30强度标准。对试验数据进行极差分析和方差分析，得到各因素对试件抗压强度和抗折强度影响的敏感度顺序以及显著性程度。

关键词：
废陶瓷骨料
抗压强度
抗折强度
正交试验
聚丙烯腈纤维
配合比
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近年来，再生骨料混凝土受到国内外广大学者的关注，我国作为世界上陶瓷生产消耗大国，废陶瓷再生骨料混凝土逐渐成为关注的焦点。但由于废陶瓷再生骨料混凝土的陶瓷釉面与砂浆界面粘结性能差，导致其力学性能不足。现有研究均表明：废陶瓷再生骨料混凝土的抗压强度和抗折强度等较天然碎石混凝土低。由于未能找到经济高效的处理界面的方法，从而使废陶瓷再生骨料混凝土始终处于理论研究阶段，无法将其大规模投入实际生产中。

为了弥补废陶瓷再生骨料混凝土力学性能不足的缺陷，现提出采用新型建筑材料聚丙烯腈纤维用于再生混凝土增韧。聚丙烯腈纤维具有良好的韧性、抗冲击、抗渗性、抗冻性、高温稳定、低温防裂、抗疲劳等性能，且具有价格低廉和施工方便的优势，逐渐受到建筑工程领域的青睐。

现有研究表明：将聚丙烯腈纤维掺入混凝土中，可显著提高混凝土各方面的力学性能。因此本研究选取不同的废陶瓷骨料掺量、聚丙烯腈纤维掺量以及聚丙烯腈纤维长度，进行配合比设计和正交试验设计，测试聚丙烯腈纤维废陶瓷再生骨料混凝土（Polyacrylonitrile Fibre Waste Ceramic Recycled Aggregate Concrete，以下简称PCRAC）的抗压强度和抗折强度，通过极差分析和方差分析，衡量3个因素对PCRAC的强度影响，找到PCRAC的最优配合比。

1、试验材料及方案设计

1.1试验原材料

水：PCRAC拌和用水来自实验室自来水，无色无味，满足规范要求。

胶凝材料：采用P·O 42.5R级水泥，各项性能指标见表1。

表1水泥性能指标

细骨料：采用绵阳天然河砂，依据GB/T14684—2022《建设用砂》相关标准，经鉴定属于Ⅱ区中砂，其余各项性能指标见表2。

表2河沙性能指标

粗骨料：试验采用天然碎石与废陶瓷颗粒按一定比例混合而成，其粒径均控制在5～25 mm。天然碎石来源于绵阳某砂石厂，废陶瓷颗粒来源于绵阳某商贸城陶瓷专卖区商家丢弃的卫生洁具，回收后经颚式破碎机破碎人工筛选而成。依据GB/T 14685—2022《建设用卵石、碎石》与GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》相关规定，天然碎石与废陶瓷颗粒的主要性能指标见表3。

表3粗骨料性能指标

聚丙烯腈纤维：购买于山东某公司，颜色呈金黄色，吸水性小，导热性极低，抗低温性强。为满足试验要求，本次购买6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm的5类不同长度规格的纤维，其余性能指标均相同。经验证，纤维符合国家相关要求，具体性能指标见表4。

表4聚丙烯腈纤维性能指标

1.2废陶瓷骨料掺量配合比设计

本次试验混凝土设计强度等级为C30，水灰比为0.52。为研究混凝土抗压强度和抗折强度，将废陶瓷骨料掺量分为5个水平，并设置天然碎石混凝土C作为对照组。依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》相关标准，并考虑到废陶瓷骨料的吸水性，设计废陶瓷再生骨料混凝土配合比见表5，每组试验组包含3个抗压试件和3个抗折试件。

表5废陶瓷再生骨料混凝土配合比

1.3正交试验设计

本次试验共设计废陶瓷骨料掺量、聚丙烯腈纤维掺量以及聚丙烯腈纤维长度3个因素，每个因素设计5个水平。其中，废陶瓷骨料掺量水平1为45%～50%，水平2为50%～55%，水平3为55%～60%，水平4为60%～65%，水平5为65%～70%；聚丙烯腈纤维掺量水平1为0.6 kg/m3，水平2为0.8 kg/m3，水平3为1.0 kg/m3，水平4为1.2 kg/m3，水平5为1.4 kg/m3；聚丙烯腈纤维长度水平1为6 mm，水平2为9 mm，水平3为12 mm，水平4为15 mm，水平5为18 mm。通过SPSS24软件生成试验正交表，见表6。

通过正交试验结果可知，本次正交试验与对照组共26组，每组试验的混凝土配合比通过废陶瓷骨料掺量水平，并结合表5确定。

1.4试件成型及养护

本试验抗压试件采用150 mm的立方体标准模具成型，抗折试件采用150 mm×150 mm×550 mm的标准模具成型，试验共制备了156个试件。制备过程中采用振捣台机械振捣密实后，用塑料薄膜覆盖表面保湿，静置24 h后脱模，然后立即置于温度为20℃（±2℃）、相对湿度为95%以上的标准养护室养护28 d。

表6 PCRAC抗压强度和抗折强度正交试验

1.5试验原理和方法

根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》相关规定，使用SYE—2000型压力试验机进行力学性能试验。依据式（1）计算抗压强度，根据式（2）计算抗折强度。

式中：fcc为混凝土立方体试件抗压强度，MPa;ff为混凝土立方体抗折强度，MPa;F为试件破坏荷载，N;A为试件承压面积、劈裂面面积，mm2;l为支座间跨度，mm;b为试件截面宽度，mm;h为试件截面高度，mm。

将达到龄期的试件从标准养护室取出，测量其尺寸，判断是否出现偏差，并观察是否破损，确认无误后擦干试件表面水分，以试件成型时的侧面作为承压面进行试验。将抗压试件试验加载速率控制在0.5～0.8 MPa/s，将抗折试件试验加载速率控制在0.05～0.08 MPa/s。

2、试验结果及分析

2.1试验现象及结果

PCRAC的抗压试验和抗折试验试件破坏形态如图1所示。通过观察可知，试件的破坏形态均呈现裂而不开，这是由于聚丙烯腈纤维均匀地分布在试件之中，纤维的拉结作用提升了试件的完整性。

图1试件破坏形态

(a）抗压试验破坏形态；（b）抗折试验破坏形态

通过对试验数据的整理，得到抗压试验和抗折试验的最终结果，见表7。

表7试验结果

通过对数据的分析可知，对于抗压试验，试验组数23的试件强度最高，即陶瓷掺量水平选择3，聚丙烯腈纤维掺量水平选择2，当聚丙烯腈纤维长度水平选择3时，抗压强度最高。对于抗折试验，试验组数17的试件强度最高，即陶瓷掺量水平选择1，聚丙烯腈纤维掺量水平选择4，当聚丙烯腈纤维长度水平选择4时，抗折强度最高。与对照组比较可知，聚丙烯腈纤维可以使废陶瓷再生骨料混凝土达到甚至超越天然碎石混凝土的强度。

2.2极差分析

(1）抗压强度极差分析。对抗压试验数据进行极差分析，见表8。由极差R值对比可知，对试件抗压强度试验影响最大的因素为聚丙烯腈纤维掺量水平，各因素影响的敏感度顺序为聚丙烯腈纤维掺量水平>聚丙烯腈纤维长度水平>废陶瓷骨料掺量水平。

表8抗压强度极差分析结果

(2）抗折强度极差分析。对抗折试验数据进行极差分析，见表9。由极差R值对比可知，对试件抗折强度试验影响最大的因素为废陶瓷骨料掺量水平，各因素影响的敏感度顺序为废陶瓷骨料掺量水平大于聚丙烯腈纤维长度水平大于聚丙烯腈纤维掺量水平。

2.3方差分析

(1）抗压强度方差分析。方差分析的目的是找出显著影响的因素、每个因素之间的交互作用和显著影响因素的最佳水平等。抗压强度方差分析结果见表10。

通过分析可知，3个因素的显著性水平P均大于0.05，因此本试验3个因素均不对试件抗压强度产生显著性差异。

表9抗折强度极差分析结果

表1 0抗压强度方差分析

(2）抗折强度方差分析。抗折强度方差分析结果见表11。通过分析可知，废陶瓷掺量水平显著性P小于0.05，即废陶瓷掺量对试件抗折强度产生显著性差异，而聚丙烯腈纤维的长度和掺量水平显著性P大于0.05，即聚丙烯腈纤维的长度和掺量对试件抗折强度无显著性差异。

3、结论

对于PCRAC的抗压性能而言，聚丙烯腈纤维掺量水平优于聚丙烯腈纤维长度水平，优于废陶瓷骨料掺量水平，3个因素均不对试件抗压强度产生显著性差异。

对于PCRAC的抗折性能而言，废陶瓷骨料掺量水平优于聚丙烯腈纤维长度水平，且优于聚丙烯腈纤维掺量水平。废陶瓷掺量水平对试件抗折强度产生显著性差异，而聚丙烯腈纤维的长度和掺量对试件抗折强度无显著性差异。

表1 1抗折强度方差分析

当废陶瓷骨料掺量取55%～60%，聚丙烯腈纤维掺量取0.8 kg/m3，聚丙烯腈纤维长度取12 mm时，PCRAC抗压强度最佳；当废陶瓷骨料掺量取45%～50%，聚丙烯腈纤维掺量取1.2 kg/m3，聚丙烯腈纤维长度取15 mm时，PCRAC抗折强度最佳，其强度均可达到，甚至高于同等级天然碎石混凝土的强度。

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基金资助:国家自然科学基金项目(51108393);国家重大科技专项项目(2016ZX05040–006);

文章来源:唐庆,桂小莉,何焱,等.聚丙烯腈纤维废陶瓷再生骨料混凝土力学性能优化研究[J].建筑技术,2024,55(16):2014-2018.