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混杂纤维层数对再生混凝土力学性能的影响研究

2024-08-16 92 上传者：管理员

摘要：为改善再生混凝土的强度和韧性，采用质量分数为12%的粉煤灰代替部分水泥，并以占总质量百分比为28%的再生粗骨料代替部分天然粗骨料配制的再生混凝土作为基准组，以此进行不同层数混掺纤维的再生混凝土试验。研究结果表明：增加混杂纤维的撒布层数能够提升再生混凝土的抗压强度，但提升的程度有限；当混杂纤维层数为2层时，能够使混凝土的劈裂抗拉强度显著增加；随着混杂纤维层数的不断增加，再生混凝土的拉压比表现出先增大后减小的变化趋势，弹强比则先减小后增大趋势；再生混凝土力学指标均处于良好状态的最佳纤维撒布层数为4层。

关键词：
再生混凝土
力学性能
抗压强度
拉压比
混杂纤维层数
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为了减少建筑领域产生的垃圾对人类生产生活环境造成污染，可以将废弃的混凝土循环利用并加工成再生骨料，将其继续应用于建筑工程领域中，进而实现建筑垃圾回收再利用[1-4]。然而，在实际应用中再生骨料存在诸多问题，限制其进一步应用，尤其是再生混凝土的力学性能有待提高。

近些年来，为实现再生骨料混凝土的力学性能提升，研究人员们对此开展了多方面的探索。牛海成团队[5]探究了混杂纤维对再生混凝土轴压应力—应变关系的影响，结果显示再生混凝土的抗压强度略低于天然骨料混凝土，但适当掺入纤维可以提高再生混凝土的抗压强度和弹性模量。韩慧优等[6]及章文姣等[7]也对混合纤维掺量进行过试验，发现加入钢纤维可显著改善其抗压、抗拉强度及弹性模量。金贤泽等[8]对复合纤维再生混凝土的力学特性进行了初步研究，发现混合纤维掺入后，其抗压强度提高幅度不大，而抗拉强度却有较大提高。此外，何旭升等[9]发现，在再生混凝土中加入适当的纤维，可以显著提高其弯曲强度和变形能力。

综上可知，目前关于纤维改善再生骨料混凝土力学性能的研究成果较多，但大多关注纤维的种类和掺量等因素，较少涉及纤维的掺入方式问题，如纤维的撒布层数等。鉴于此，本文拟在已有的研究成果基础上，通过改变不同层数的纤维分布方式，探究混杂纤维层数对再生骨料混凝土抗压、劈裂、弹性模量、拉压比、弹强比等性能的具体影响规律，并达到降低所用纤维掺入量的目的。

1、试验

1.1试验材料与配比

拟采用掺有质量分数12%胶凝材料的粉煤灰替代部分水泥，用质量分数28%的粗骨料替代部分天然粗骨料，并将其与其他混凝土原料混合制备基准组再生混凝土。在此基准组再生混凝土的基础上，对不同纤维撒布层数的再生混凝土进行了试验研究。其中，混杂纤维包括钢纤维与聚丙烯纤维。钢纤维长度为19 mm，弹性模量为218 GPa，抗拉强度为1 200 MPa，等效直径为0.44 mm。聚丙烯纤维为单丝束状，长度为20 mm，弹性模量为3.6 GPa，直径为0.047 mm。将钢纤维与聚丙烯纤维混杂至再生混凝土中时，钢纤维质量分数为0.7%，聚丙烯纤维质量分数为0.1%。试验用的再生混凝土水胶比取0.3，砂率48%，减水剂用量1%。表1所示为再生混凝土中不同纤维层数量的试验方案，经过28 d的标准养护后，依次测试不同混杂纤维层数的再生骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比、弹强比等力学性能指标。

表1再生混凝土试验方案

在配制好再生混凝土后，将其置于常温(20±2)℃、湿度不小于95%的标准养护室内进行养护。再生混凝土的配比参数如表2所示。

表2再生混凝土的配比参数

1.2测试方法

在基准组再生混凝土的基础上，采用分层浇筑法按不同纤维分布层数配制4种混合纤维再生混凝土，并将其与基准组再生混凝土进行对比。设计了5种不同配比的再生混凝土，并对其进行了力学性能测试。在养护室内进行28 d以上养护后，测试其立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比及弹强比。为了保证测试的准确性，每个试验都进行了两次，然后用平均的数据来表示测试的结果。本次试验的混凝土试件厚度为190 mm，纤维撒布时尽量使各层保持均匀，纤维撒布的位置如图1所示。

图1纤维撒布的层数和位置(单位：mm)

2、结果与分析

2.1混凝土抗压强度

纤维撒布层数对再生混凝土的立方体抗压强度的影响如图2和图3所示。

图2再生混凝土立方体抗压强度

图3再生混凝土棱柱体抗压强度

如图2所示，JZ再生混凝土的抗压强度为71.9 MPa,B1组的抗压强度为73.1 MPa,B2组的抗压强度为74.3 MPa,B3组的抗压强度为74.0 MPa,B4组的抗压强度为79.2 MPa。研究结果表明，掺入不同层数的混杂纤维能有效地提高再生混凝土的立方抗压强度。试验结果表明：B1、B2、B3和B4组的抗压强度分别提高了1.7%、3.3%、2.9%和10.2%。从这些数据可以看出，随着混杂纤维撒布层数的增加，再生混凝土的立方体抗压强度普遍有所提高，特别是B4组显示出较大幅度的增强效果，这可能归因于更多撒布层数的纤维提供了更多的互锁和桥接能量，从而在负载作用下抑制了微裂缝的发展和传播，增加了混凝土的整体稳定性和负载承受能力。

由图3可知，JZ再生混凝土的抗压强度为67.3 MPa,B1组的抗压强度为67.2 MPa,B2组的抗压强度为67.2 MPa,B3组的抗压强度为69.5 MPa,B4组的抗压强度为72.2 MPa。可以看出，B1和B2组的棱柱抗压强度较基准混凝土降低0.15%，而B3和B4组的棱柱抗压强度比标准混凝土提高3.3%和7.3%。从上述数据可以观察到，B1和B2组的纤维层数导致混凝土抗压强度略微下降，但B3和B4组的纤维层数可以显著提高混凝土的抗压性能，尤其是B4组，其增强效果最为明显。对于B1和B2组，所撒布的纤维层数可能没有达到改善混凝土抗压性能的临界值，未能在混凝土基体中发挥足够的增强作用。对于B3和B4组，所用的纤维撒布层数对提高混凝土的抗压强度起了积极作用，特别是B4组的纤维层数使得混凝土具有更佳的黏结性，更有效地提高混凝土的整体抗压强度。

2.2混凝土劈裂抗拉强度

从图4可以看出，再生混凝土的劈裂抗拉强度与混杂纤维层数有关。JZ再生混凝土的劈裂抗拉强度为5.41 MPa,B1组的劈裂抗拉强度为5.55 MPa,B2组的劈裂抗拉强度为6.10 MPa,B3组的劈裂抗拉强度为5.81 MPa,B4组的劈裂抗拉强度为6.08 MPa。试验结果表明，随着混杂纤维层数的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度有所提高。此外，即使是掺入层数较少的纤维(如在B1组)，劈裂抗拉强度也有增长，尽管提升幅度较小。混杂纤维在其中起到“微钢筋”的作用，可能是因为它们在混凝土基体中桥接了微裂缝，防止孔隙之间的连通，从而延缓了裂纹的产生并抑制已有裂纹的进一步扩展。这种机制有助于提升混凝土整体的韧性和耐拉性能，即便是小幅度提高纤维层数也可能会带来一定程度的增强效果。

图4再生混凝土的劈裂抗拉强度

2.3混凝土弹性模量

由图5可知，JZ再生混凝土的弹性模量可达1.69×104MPa,B1组的弹性模量为1.65×104MPa,B2组的弹性模量为1.64×104MPa,B3组的弹性模量为1.75×104MPa,B4组的弹性模量为1.84×104MPa。研究结果表明，随着混杂纤维层数的不断增加，其弹性模量呈现先降低后提高的趋势。与JZ再生混凝土相比，B1、B2组的弹性模量分别降低了2.37%和2.96%,B3、B4组的弹性模量分别提高了3.55%和8.88%。这一结论与上文混凝土棱柱体抗压强度的结论相似。

图5再生混凝土的弹性模量

2.4混凝土拉压比

拉压比是指劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比，是衡量混凝土材料脆性性能的一个重要指标。拉压比增大表示混凝土脆性减小。

从图6可以看出，JZ再生混凝土的拉压比为0.074,B1组的拉压比为0.075,B2组的拉压比为0.081,B3组的拉压比为0.078,B4组的拉压比为0.075。结果表明，随着混杂纤维层数增多，其拉压比先增后降，在相同条件下，B2组为最大。B2和B3组分别提高了9.46%和5.40%，与JZ再生混凝土相比，掺入不同层数纤维的再生混凝土的脆性降低，塑性有所提高。这些结果凸显了纤维在提高混凝土抗拉能力和降低材料脆性方面的重要作用。纤维的引入增加了材料的韧性，允许裂缝在断裂前更加均匀分布，并在一定程度上防止了裂缝的快速扩展。因此，掺入纤维的再生混凝土的塑性有所提高，使得材料变得相对不那么脆，更适合承受实际工程中的复杂载荷。

图6再生混凝土的拉压比

2.5混凝土弹强比

弹强比是指弹性模量与棱柱体抗压强度之比，是衡量混凝土抗裂性的一个重要指标。

从图7可以看出，JZ再生混凝土的弹强比为249.46,B1组的弹强比为244.56,B2组的弹强比为248.21,B3组的弹强比为252.49,B4组的弹强比为258.54。研究结果表明，随着混杂纤维层数的不断增大，其弹强比呈现出先降低后上升的趋势。与JZ再生混凝土相比，B1、B2组的弹强比降低2.0%、0.5%，而B3、B4组的弹强比提高1.2%、3.6%。这表明，在混杂纤维层数初期增加时，可能由于基质中孔隙的增多而暂时影响了混凝土的抗裂性，导致弹强比的下降，但随着混杂纤维层数的进一步增加，混凝土的抗裂能力得到恢复甚至提升。这可能是因为纤维层数增加到一定程度后，纤维网络结构更加完善，能够更有效地阻止裂缝的扩展，提高混凝土的弹强比和整体抗裂性。

图7再生混凝土的弹强比

3、结语

本文探究了混杂纤维撒布层数对再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比和弹强比的影响，具体结论如下。

(1)在混凝土中增加混杂纤维的数量可以显著提高其立方体抗压强度，特别是当混杂纤维的层数达到3～4层时。这可能是因为更多的纤维增强了混凝土基体之间的连接和桥联作用，尤其是在微裂纹形成初始阶段，有效地延缓了裂纹的扩展，从而提高材料的承载能力。

(2)再生混凝土劈裂抗拉强度明显受到纤维层数增加的影响，尤其是在加入2层纤维时效果最显著，而3～4层的再生混凝土劈裂抗拉强度也高于基准组。纤维的存在可以在微裂缝形成时提供桥连作用，分散裂缝扩展能量，从而提升材料抗拉性能。

(3)弹性模量随纤维层数增加呈现先下降后上升的趋势，可能与纤维与基体间的相互作用有关。初始阶段，较少的纤维分布可能影响材料的整体密实度和均匀性，从而降低弹性模量。当纤维层数增加到3～4层时，纤维能有效地提升混合体的均匀性和密实度，从而增加弹性模量。

(4)随着混合纤维布层数增多，混凝土的拉压比呈现出先增加后降低的趋势，弹强比呈现出先降低后增加的趋势。试验结果显示，不同的纤维撒布层数显著影响再生混凝土的相关力学性能指标，综合认为混杂纤维撒布层数为4层时，再生混凝土的综合力学指标较好。

参考文献:

[1]王峦.城市建筑施工扬尘污染的现状及治理对策[J].四川水泥,2022(6):157-158.

[2]杜娅妮.大型建筑工程中污染控制与治理研究[J].环境科学与管理, 2018, 43(12):95-100.

[3]柳颖.建筑工程施工现场环境保护及污染控制措施探究[J].安徽水利水电职业技术学院学报, 2017, 17(2):4-7.

[4]卢金锁,李少杭.建筑外墙的污染及相关因素分析[J].四川建筑科学研究, 2014, 40(6):302-306.