聚丙纤维再生混凝土的性能分析

图4.4　不同引气减水剂掺量下混凝土坍落度与再生粗骨料掺量的关系图

1.再生混凝土的和易性

根据表4.2的试验结果，绘制出不同引气减水剂掺量下，坍落度与再生粗骨料掺量的关系图如图4.4所示。从图4.4中可看出，相同引气减水剂掺量下，随着再生粗骨料掺量的增加，坍落度呈明显降低趋势，原因是再生粗骨料较天然碎石表面粗糙、孔隙多、吸水率大、用浆量多，因而降低混凝土坍落度，同时再生粗骨料表面粗糙，增大拌合物在拌和与浇注时的摩擦阻力，使混凝土拌合物的保水性和粘聚性增强。另外随着引气减水剂掺量的增加，相同再生粗骨料掺量下，再生混凝土拌合物坍落度明显增加，原因是引气减水剂有增大混凝土拌合物流动性效果，这与普通混凝土流动性随引气减水剂掺量的变化规律是一致的。

2.再生混凝土的力学性能

当用再生混凝土立方体试件进行单轴静力受压试验时，再生混凝土的荷载变形曲线如图4.5所示，再生混凝土的受压破坏发展过程及各阶段情况如下。

图4.5　再生混凝土的荷载变形曲线图

Ⅰ阶段：荷载到达“比例极限”（为极限荷载的30%）以前，界面裂缝无明显变化，荷载与变形比较接近直线关系。

Ⅱ阶段：荷载超过“比例极限”以后，界面裂缝的数量、长度和宽度都不断增大，界面借摩阻力继续承担荷载，但尚无明显的砂浆裂缝。此时变形增大的速度超过荷载增大的速度，荷载与位移之间不再为线性关系。

Ⅲ阶段：荷载超过“临界荷载”（为极限荷载的70%～90%）以后，界面裂缝继续发展，开始出现砂浆裂缝，并将邻近的界面裂缝连接起来成为连续裂缝。此时变形增大的速度进一步加快，荷载—位移曲线明显地弯向变形轴方向。

Ⅳ阶段：荷载超过极限荷载以后，连续裂缝急速发展，此时再生混凝土的承载能力下降，荷载减小而变形迅速增大以至完全破坏，荷载—变形曲线逐渐下降而最后结束。

图4.5中的位移较大是由于试件放在加载设备中，试件与承压板球头之间有一定的距离，导致位移变化较大而试件还没有受压；部分曲线没有下降段是由于在加载过程中当伺服试验机上显示压力减小时，即停止加载。由图4.5可以看出再生混凝土的荷载变形曲线具有以下重要特征。

（1）不同强度等级的再生混凝土应力—应变曲线的形状较为类似，均由上升段和下降段组成，且都有比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点。

（2）当应力低于峰值应力的40%～70%时，应力与应变近似成比例增长，上升段接近直线；随着应力的增加，再生混凝土的塑性变形加快发展，曲线的斜率变小，至峰值应力时曲线呈水平，但没有水平段；随后曲线迅速下跌，下降段较陡。

（3）随着再生混凝土抗压强度增加，峰值应变略有增加，下降段变陡。

将伺服试验过程进行整理，可得出应力—应变关系曲线如图4.6～图4.9所示，从图4.6～图4.9中看出：随着再生粗骨料掺量的增加达到峰值，强度在降低，应变也在加大，弹性模量减小。

图4.6　再生粗骨料掺量为0时的应力—应变关系图

图4.7　再生粗骨料掺量为40%时的应力—应变关系图

图4.8　再生粗骨料掺量为70%时的应力—应变关系图

图4.9　再生粗骨料掺量为100%时的应力—应变关系图

从破坏形态看，掺加聚丙烯纤维的再生混凝土表现出较大的塑性，随着掺量的增加，塑性更加明显，而不掺加聚丙烯纤维的再生混凝土破坏时呈明显脆性。再生混凝土的破坏基本上为粗骨料和水泥凝胶体面之间的粘结破坏。再生混凝土试块的破坏断面主要是天然粗骨料界面，但也发现有粗骨料被劈开的情况，这与再生粗骨料本身强度降低，在破碎机械中不断受到冲撞、研磨、损伤积累，再生骨料内部产生大量微裂纹有关。当不掺聚丙烯纤维时，随着荷载增大，试块内的应力不断增加，试块中开始出现裂缝，起初出现的裂缝靠近试块上下端表层，在试块高度中央为垂直方向，沿斜向往上、下端发展，至加载面出转向试块角部，形成正倒相连的四角锥形。在再生混凝土中掺加聚丙烯纤维后破坏形态有所不同，随着荷载的增加首先在上下底端出现微细裂纹，随后在侧面产生竖向裂缝，并随着荷载的增大，裂缝逐渐加大，最后呈塑性破坏，破坏过程如图4.10～图4.15所示。由于聚丙烯纤维在混凝土内的均匀分布抑制裂缝的发展，使试块保持良好的完整性，在整个承压过程中没有出现明显的剥落现象，整体性依然比较完好；劈裂抗拉试验中对不掺聚丙烯纤维的再生混凝土沿劈裂面完整地断开，而掺有聚丙烯纤维的再生混凝土，只沿劈裂面有一条明显的裂纹，整体完整性好。

图4.10　纤维再生混凝土抗压过程 （1）

图4.11　纤维再生混凝土抗压过程 （2）

图4.12　纤维再生混凝土抗压过程 （3）

图4.13　纤维再生混凝土抗压过程 （4）

图4.14　纤维再生混凝土抗压过程 （5）

图4.15　纤维再生混凝土抗压过程 （6）

对16组试件标准养护28d后，再进行抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量试验，试验结果见表4.3。

表4.3　再生混凝土28d抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量试验结果

根据表4.3中试验结果绘制抗压强度与劈拉强度关系图，如图4.16所示，并回归成下式：

式中 ft——劈拉强度；

fcu——抗压强度。

图4.16　再生混凝土劈拉强度ft与抗压强度fcu的关系图

从图4.16中可以看出，随着再生混凝土立方体抗压强度的增加，其劈裂抗拉强度也随之增加，但离散性较大，主要原因是试验数据太少。

根据表4.3中试验结果绘制抗压强度与弹性模量关系图，如图4.17所示，并回归成下式：

图4.17　再生混凝土弹性模量Ec与抗压强度fcu的关系图

从图4.17中可以看出，再生混凝土弹性模量较相同抗压强度的普通混凝土低，这主要是由于再生骨料弹性模量较低和再生骨料在生产过程中产生大量的缺陷。

3.再生混凝土试验结果正交分析

（1）再生混凝土试验结果直观分析。

从表4.3中16组试验结果可以看出：

1）不掺加再生粗骨料的N1、N2、N3、N4这4组普通混凝土，N1号 （水平组合为A1＝0、B1＝0、C1＝0）试验的28d抗压强度、抗压弹性模量最高，分别为48.7MPa、42.9GPa；N2号 （水平组合为A1＝0、B2＝0.4%、C2＝0.2%）试验的28d劈拉强度最高为4.26MPa；选择最佳配合比相应的水平组合为A1＝0、B2＝0.4%、C1＝0，这时抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量为最高。

2）再生混凝土R11号试验的28d抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量最高，分别为42.9MPa、3.87MPa、35.6GPa，相应的水平组合 （A3＝70%、B3＝0.7%、C1＝0）是当前最好的配合比，但它不一定就是最佳配合比。因为在本次正交试验中诸因素对试验结果的影响是有主有次的，这个主次关系可以用正交设计中极差的大小来表达。

3）再生混凝土R11号试验的抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量较不掺加再生粗骨料的普通混凝土最佳配合比组合的抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量分别降低12%、9%、17%。

4）抗压强度满足C30设计强度要求的是：普通混凝土N1、N2、N3组；再生混凝土R5、R6、R11、R12、R15、R16组。初步分析其原因是由于引气减水剂掺量的增加导致强度降低，当其掺量为0.4%、0.6%时，普通混凝土和再生混凝土抗压强度均不能满足要求。而再生粗骨料的掺量对强度影响不大，R6组 （40%掺量）、R11组 （70%掺量）、R16组 （100%掺量）的抗压强度分别为42.4MPa、42.9MPa、42.0MPa，比N1组抗压强度48.7MPa降低12.9%、11.9%、13.8%，但都可满足设计强度要求。因此，在实际工程应用中选取再生粗骨料替代天然碎石配制混凝土可以满足强度要求。

（2）再生混凝土试验结果极差分析。

根据正交理论，分别计算出再生粗骨料掺量A、聚丙烯纤维掺量B和引气减水剂C掺量对再生混凝土抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量影响的极差值，见表4.4和表4.5。极差大的因素说明它在3个水平之间变化时对所测指标造成的影响大，通常认为是重要因素。

表4.4　各因素对试验结果的极差分析

注 Ki、ki分别表示第i水平每个因素的试验结果总和及平均值；R表示极差。

由表4.4可以得出以下结论：

1）影响再生混凝土抗压强度、劈拉强度因素的主次顺序是C＞A＞B，即引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量；

2）影响再生混凝土抗压弹模因素的主次顺序是A＞C＞B，即再生粗骨料掺量＞引气减水剂掺量＞聚丙烯纤维掺量；

表4.5　极差分析表

3）引气减水剂掺量C是影响再生混凝土抗压强度的重要因素；再生粗骨料掺量A是影响抗压弹性模量的重要因素；聚丙烯纤维掺量B对再生混凝土这3个力学性能指标影响不大。

（3）再生混凝土试验结果方差分析。

极差法是直观地描述问题，计算量小，简单易懂，但极差法没有试验过程，且试验条件改变所引起的数据波动和由试验误差所引起的数据波动没有严格地区别开来，也没有提供一个标准判断所考察因素的作用是否显著。因此，为了弥补极差（直观）分析的这些不足，现采用方差分析的方法，通过因素显著性检验判别各因素对指标的显著性影响大小，计算结果见表4.6～表4.8。

表4.6　抗压强度方差分析表

从表4.6可看出，FA＞F0.01，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响抗压强度主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量和再生粗骨料掺量对抗压强度影响特别显著，聚丙烯纤维掺量对抗压强度的影响较弱。

表4.7　劈拉强度方差分析表

从表4.7可看出，F0.1＜FA＜F0.05，FB＜F0.1，F0.05＜FC＜F0.01。

各因素影响劈拉强度的主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量对劈拉强度影响显著，再生粗骨料掺量对劈拉强度影响一般，聚丙烯纤维掺量对劈拉强度的影响不明显。

表4.8　抗压弹模方差分析表

从表4.8可看出，FA＞F0.01，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响抗压弹模主次顺序为：再生粗骨料掺量＞引气减水剂掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

再生粗骨料掺量和引气减水剂掺量对劈拉强度影响特别显著，聚丙烯纤维掺量对劈拉强度影响较弱。

（4）再生混凝土试验结果点图分析。(www.xing528.com)

为了更直观地分析各因素水平的变化对再生混凝土抗压强度、劈拉强度和抗压弹模的影响关系并推荐最佳配合比，分别对表4.3中数据进行绘制点图，如图4.18～图4.20所示。

图4.18　抗压强度正交分析点图

通过对图4.18的分析，可以得出如下结论：

28d再生混凝土抗压强度最佳配合比为A2B3C1。

图4.19　劈拉强度正交分析点图

图4.20　抗压弹性模量正交分析点图

随着引气减水剂掺量的增加，再生混凝土抗压强度显著减小，当掺量为0.2、0.4、0.6时，再生混凝土抗压强度较不掺引气剂时分别降低2.3%、15.5%、21.1%。

再生混凝土抗压强度随着再生粗骨料掺量的增加而减小。当再生粗骨料掺量为40%、70%、100%时，再生混凝土抗压强度分别较普通混凝土降低9.1%、9.3%、11.2%。

聚丙烯纤维掺量对再生混凝土抗压强度影响很小，随着其掺量的增加再生粗骨料抗压强度变化很小。

通过对图4.19的分析，可以得出如下结论：

28d再生混凝土劈拉强度最佳配合比为A2B2C1。

随着引气减水剂掺量的增加，再生混凝土劈拉强度显著减小，当其掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，再生混凝土劈拉强度分别较不掺加引气减水剂时降低0.7%、7.3%、11.3%。

随着再生粗骨料掺量和聚丙烯掺量的增加再生混凝土劈拉强度减小，当再生粗骨料掺量为100%时，混凝土劈拉强度较普通骨料混凝土 （掺加再生粗骨料为0）劈拉强度降低8%。

当聚丙烯纤维掺量为0.4%时，劈拉强度有最大值。

通过对图4.20的分析，可以得出如下结论：

28d再生混凝土抗压弹性模量最佳配合比为A2B3C1。

随着引气减水剂掺量的增加，再生混凝土抗压弹性模量明显减小，当其掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，再生混凝土抗压弹性模量分别较不掺加引气减水剂时降低4.4%、9.5%、17.7%。

随着再生粗骨料掺量的增加再生混凝土抗压弹性模量显著减小，当再生粗骨料掺量为40%、70%、100%时，再生混凝土抗压弹性模量分别较普通混凝土降低19.0%、20.0%、22.8%。

当聚丙烯纤维掺量为0.7%时再生混凝土抗压弹性模量有最大值。

通过对以上再生混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量的点图分析，可总结出以下结论：①满足抗压强度最高的正交组合为A2B3C1；②劈拉强度最高的正交组合为A2B2C1；③抗压弹性模量最高的正交组合为A2B3C1。当引气减水剂掺量为0.2%时，抗压强度和抗压弹性模量较不掺引气减水剂时分别降低2.3%、4.4%。当再生粗骨料掺量为70%时，抗压强度和抗压弹性模量较其掺加为40%时仅分别降低0.2%、1.2%。因此，为使再生骨料得到更大的利用，使再生混凝土的应用得到更快的发展，综上所述，选择同时满足再生混凝土良好和易性和抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量要求的最佳正交组合为A3B3C2，即再生粗骨料掺量为70%、聚丙烯纤维掺量为0.7%、引气减水剂掺量为0.2%。

出现上述结论的主要原因是：

1）引气减水剂掺量的增加可以提高混凝土和易性以及抗冻、抗渗、延缓碳化等耐久性能，但会降低其强度。随着引气量的增加，混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量均显著下降。

2）再生混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗压弹性模量较普通混凝土降低。原因是与天然碎石相比，再生粗骨料密度低、压碎指标大，骨料本身强度较低；另外，再生粗骨料其表面附着有大量水泥砂浆，骨料与新旧水泥浆之间存在一些结合较弱的区域，导致强度通常较低。

3）聚丙烯纤维是一种低弹性模量的人工合成纤维，其在混凝土基体中主要起到3个作用：①提高基体的抗拉强度；②阻止基体中原有缺陷的扩展；③提高基体的抗变形能力。因此，聚丙烯纤维对再生混凝土的劈拉强度影响较大。但随着纤维掺量的增加，再生混凝土的劈拉强度提高幅度逐渐减小，这是因为随着掺量增加，纤维分散性降低，有些纤维会在混凝土拌和中成团结坨形成薄弱区，所以并非纤维掺量越大越好。

4.含气量与再生混凝土强度的关系

引气剂是一种表面活性剂，它能使混凝土在搅拌过程中产生大量的微小气泡，不同引气减水剂掺量下再生混凝土的内部气泡分布如图4.21～图4.24所示。

图4.21　引气减水剂掺量为0时混凝土内部气泡分布图

图4.22　引气减水剂掺量为0.2%时混凝土内部气泡分布图

图4.23　引气减水剂掺量为0.4%时混凝土内部气泡分布图

图4.24　引气减水剂掺量为0.6%时混凝土内部气泡分布图

（1）含气量与再生混凝土抗压强度的关系。

对表4.2和表4.3的试验结果绘制含气量与再生混凝土抗压强度、劈裂强度、抗压弹性模量的关系，如图4.25～图4.36所示。

图4.25　再生粗骨料掺量为0时抗压强度与含气量的关系图

图4.26　再生粗骨料掺量为40%时抗压强度与含气量的关系图

图4.27　再生粗骨料掺量为70%时抗压强度与含气量的关系图

图4.28　再生粗骨料掺量为100%时抗压强度与含气量的关系图

从图4.25～图4.28可看出，随着引气减水剂的增加，混凝土拌合物的含气量明显增加，而抗压强度随之降低。

当再生粗骨料掺量为0，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压强度下降7.4%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压强度下降3.1%。

当再生粗骨料掺量为40%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压强度下降7.7%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压强度下降2.0%。

当再生粗骨料掺量为70%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压强度下降9.3%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压强度下降1.4%。

当再生粗骨料掺量为100%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压强度下降10.0%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压强度下降3.1%。

（2）含气量与再生混凝土劈拉强度关系。

从图4.29～图4.32中可看出，随着引气减水剂的增加，混凝土拌合物的含气量明显增加，而劈拉强度随之降低。

图4.29　再生粗骨料掺量为0时劈拉强度与含气量的关系图

图4.30　再生粗骨料掺量为40%时劈拉强度与含气量的关系图

图4.31　再生粗骨料掺量为70%时劈拉强度与含气量的关系图

图4.32　再生粗骨料掺量为100%时劈拉强度与含气量的关系图

当再生粗骨料掺量为0，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降3.9%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降4.2%。

当再生粗骨料掺量为40%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降3.9%；引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降0.8%。

当再生粗骨料掺量为70%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降4.7%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降0.8%。

当再生粗骨料掺量为100%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%劈拉强度下降4.7%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，劈拉强度下降0.8%。

（3）含气量与再生混凝土抗压弹性模量的关系。

从图4.33～图4.36中可看出，随着引气减水剂的增加，再生混凝土拌合物的含气量明显增加，而抗压弹性模量随之降低。

图4.33　再生粗骨料掺量为0时抗压弹性模量与含气量的关系图

图4.34　再生粗骨料掺量为40%时抗压弹性模量与含气量的关系图

图4.35　再生粗骨料掺量为70%时抗压弹性模量与含气量的关系图

图4.36　再生粗骨料掺量为100%时抗压弹性模量与含气量的关系图

当再生粗骨料掺量为0，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降2.0%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降4.6%。

当再生粗骨料掺量为40%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降1.3%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降1.3%。

当再生粗骨料掺量为70%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降3.2%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降4.5%。

当再生粗骨料掺量为100%，引气减水剂掺量从0.2%增加到0.4%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降8.4%；当引气减水剂掺量从0.4%增加到0.6%时，含气量每增加1%，抗压弹性模量下降2.5%。

5.再生粗骨料强化后再生混凝土的抗压强度

再生粗骨料的主要缺陷就是骨料的颗粒较 “软”，表面附着有与大块体薄弱连接的小颗粒，为此要对再生骨料进行强化处理，使包裹在骨料表面的硬化水泥浆减少，以提高再生骨料的性能。将再生粗骨料经磨耗试验机强化后，按表4.3中R5～R16组配合比成型12组试件，养护28d后测试其抗压强度，试验结果见表4.9。

表4.9　再生粗骨料强化后混凝土抗压强度比较

续表

从表4.9中可看出，再生粗骨料强化后的混凝土抗压强度明显高于骨料强化前的强度，并且随着再生粗骨料掺量的增加，混凝土抗压强度增加得更大，当再生粗骨料掺量为100%时，抗压强度增长率可达到12.6%。强度增长率与再生粗骨料掺量的关系如图4.37所示。原因是再生粗骨料经机械强化后骨料包裹的硬化水泥浆减少，再生骨料性能随之提高，对R8、R15相对增长幅度较少，可能是由试件成型试件振捣不密实所造成。

图4.37　再生粗骨料强化后抗压强度增长率与再生粗骨料掺量的关系图