聚丙烯纤维再生骨料混凝土抗冻性能研究

李金泽，孟云芳，3，李 瑞，贺普春（.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川7500；.宁夏大学机械工程学院，宁夏银川7500；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川7500）

聚丙烯纤维再生骨料混凝土抗冻性能研究

李金泽1，孟云芳1，3，李 瑞2，贺普春1
（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021；2.宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川750021）

为响应国家“十二五”发展纲要，节约能耗 ，开发绿色环保型混凝土，二次利用废弃物，即再生骨料。通过正交设计研究不同水胶比、再生粗骨料、粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维掺量等因素在不同水平下对混凝土抗压强度及工作性的影响，对其进行优选组对比试验，确定了混凝土的最优配合比，并进行了抗冻融试验。研究结果表明几种组分复掺达到最佳比例时，混凝土强度和抗冻性显著改善。研究结果为再生骨料的大量应用和进一步研究提供了数据支持。

再生骨料；混凝土；正交试验；抗冻性

随着城市化水平的提高 ，城市建设进一步加快，我国建筑的平均寿命不到30 a，这使得建筑垃圾大量产生 ，建筑垃圾已占到垃圾总量的三到四成。作为建筑垃圾之一的废弃混凝土，简单的填埋处理，不仅占用了有限的土地资源，还要花费一定的财力物力。废弃混凝土的二次利用，国内外学者已经研究了好多年，并且已经取得了一定的成果。再生骨料是由废弃混凝土破碎而来，大量利用废弃混凝土是保护环境和可持续发展的必然选择［1］。本文通过硅灰、聚丙烯纤维复掺来改善再生骨料的天然缺陷，提高再生骨料混凝土的抗冻性能，为再生骨料混凝土在干旱寒冷地区的应用发展做了一些探索。

1 试验原材料

（1）水泥:试验用的水泥来自于宁夏赛马水泥厂 ，型号为PO32.5R，实测强度为39.01 MPa，各项性能指标符合《普通硅酸盐水泥》［2］（GB175-2007）标准中的规定。

（2）粗骨料:试验所用的粗骨料分为再生骨料和天然骨料。天然骨料用的是人工碎石，粒径为4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～16.00 mm、16.00 mm ～25.00 mm三种颗粒级配 ，表观密度为 2 690 kg/m3，堆积密度为1 430 kg/m3，吸水率为0.47%，压碎指标为9.64%。试验所用再生骨料由实验室废弃的强度等级为C25～C40混凝土经人工破碎而来，过筛调整为连续颗粒级配，粒径为4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～16.00 mm、16.00 mm～25.00 mm三种颗粒级配，表观密度为2 520 kg/m3，堆积密度为1 380 kg/m3，吸水率为 3.55%，压碎指标为14.53%［3］。

（3）粉煤灰:试验用的粉煤灰采购于宁夏银川热电厂，质量等级为Ⅰ级，各项技术指标均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》［4］（GB1596-2005）要求，见表1。

表1粉煤灰的物理性能

（4）细骨料:本次试验采用的天然细骨料取材于宁夏镇北堡产的人工水洗山砂，表观密度为2 610 kg/m3，堆积密度为1 445 kg/m3，吸水率为0.8%，各项技术指标均符合规范要求。

（5）硅灰:本次试验所用的硅灰来自于新疆哈密八一铁合金有限公司，各项技术指标均符合规范要求。

（6）聚丙烯纤维:选择北京国豪化工机械有限公司生产的聚丙烯纤维，其物理性能见表2。

表2聚丙烯纤维各项性能指标

2 再生骨料混凝土正交试验设计方案

再生骨料混凝土设计强度等级为C30，水泥选用PO32.5R级水泥。根据施工要求的拌合物稠度和已知的粗骨料的种类及最大粒径，确定混凝土的用水量为185 kg/m3。因素水平如表3，养护方法选择标养。砂率取固定值0.36。

表3正交试验因素水平表

3 正交试验结果分析

3.1 试验结果

将成型的试块在标准养护室里养护28 d后测得的抗压强度如表4所示。

3.2 结果分析

3.2.1 极差分析对抗压强度做极差分析，结果列于表5。在上表中因素A（水胶比）对应的值表示水平一下的混凝土28 d抗压强度的平均值，R的值表示同因素不同水平下K的差值的绝对值中的最大值，该值越大 ，反映了该因素对混凝土抗压强度的影响就越大［5］。

第13号试块抗压强度为50.43 MPa，抗压强度最大，相应的试验条件为:A2B1C3D2E1。通过表5极差分析，因素主次顺序为:A＞B＞C＞D＞E，各因素优化水平为A3B1C1D3E2。

3.2.2 方差分析对抗压强度做方差分析，结果列于表6。

表4 混凝土28 d 抗压强度试验结果

表5 混凝土28 d 正交试验抗压强度极差分析表

表6 混凝土28 d 正交试验抗压强度方差分析表

在标准养护条件下，由表6分析可得，除了因素A水胶比对在生骨料混凝土的28 d抗压强度有一定影响外，其他各因素均不显著，得到的影响主次顺序为:A→B→C→D→E，与极差分析所得到的主次顺序一致。

3.3 正交试验的最优配合比优选（综合平衡法）

根据以上分析可知，在不同的考核指标下，优选出的最优配合比也不完全相同，现将各指标的分析结果列于表7中，再采用综合平衡法，进行最终最优配合比的确定。所谓综合平衡法，就是针对正交试验中的多指标的直观分析，把各个指标的分析结果进行综合平衡，根据实际情况作出调整，最后寻求最优的配合比。

表7正交试验最优配比优选对比

（1）因素A水胶比:在标准养护条件下，当因素A为第一水平时，混凝土的抗压强度高，但工作性较差；因素A为第二水平时，混凝土力学性能能达到配置要求，且具有良好的工作性。因素A为第三水平时，混凝土力学性能较低。所以选择水胶比A2为宜。

（2）因素B粉煤灰:在标养条件下，随着粉煤灰量的增加，混凝土28 d抗压强度呈降低趋势，在不影响混凝土设计强度的情况下尽可能的多用粉煤灰，可以提高混凝土的经济性和工作性 ，故选择粉煤灰B3为宜［7］。

（3）因素C再生骨料取代率:由直观分析和极差分析可知，随着再生骨料取代率为20%、40%、60%，混凝土28 d抗压强度为46.098 MPa、44.710 MPa、43.970 MPa，混凝土随着再生骨料取代率的增加，混凝土的强度逐渐降低［8-9］，但幅度较小，为了提高再生骨料利用率，再生骨料取代率宜选择水平C3。

（4）因素D硅灰:由直观分析和极差分析可知，随着硅灰用量的增多，混凝土28 d的抗压强度提高，但是混凝土的成本随着硅灰用量的增多而增加［10］。故选择D2为宜。

（5）因素E纤维:由方差分析可知，聚丙烯纤维对混凝土的强度影响不是很大 ，当掺量为E2时，混凝土的28 d抗压强度相对较高，聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冻抗裂等性能［11-14］。所以纤维的掺量宜选择水平为E2（0.9 kg/m3）。

结合分析结论，并兼顾经济性，综合考核指标，最后确定混凝土最优配合比，配置出工作性能良好强度较高的混凝土，确定混凝土的最优配合比为: A2B3C3D2E2。为了进一步研究再生骨料混凝土耐久性能，对正交实验结果中优选出的优配合比与普通混凝土及全再生粗骨料混凝土进行对比试验，考察优选结果的合理性。试验安排如表8。

表8对比试验表

以上各配合比单方用量如表9所示。

表9 优选组对比试验单方材料用量表　　单位:kg/m3

3.4 优选组对比试验

优选组对比试验在标准养护条件下混凝土28 d抗压强度及力学性能对比如表10所示。

表10试验数据对比

坍落度试验表明:按照普通混凝土配合比设计方法设计再生骨料混凝土，随着再生骨料取代率的增加，混凝土拌合物的塌落度大幅降低。

抗压强度试验表明:三组试验强度值均符合C30强度等级的设计要求，其中Z组（全再生骨料组）抗压强度最低。Y组接近于J组。

4 抗冻性能分析

4.1 试验方法

目前，我国混凝土抗冻性常用的试验方法主要是按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》［15］（GB/T50082-2009）中规定的分为慢冻法和快冻法两种。

本试验采用快冻法 ，每25次冻融循环，利用混凝土动弹模量测定仪来精准测量混凝土的动弹性模量，以测得的动弹性模量计算得到的相对动弹性模量作为评价指标［16］。

4.2 试验设计

试件成型:试验共三组，材料用量配合比及单方用量见表8、表9，试件模型尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，每组3个试件，原材料与力学性能试验所用的原材料一致，标准方法成型，在标准养护条件下28 d后进行冻融试验。

4.3 对比组数据

一般情况下，混凝土受到反复冻融作用后，由于内部开裂和表面剥落而导致质量和动弹性模量下降，且其质量和动弹性模量下降程度是决定该混凝土抗冻融性能优劣的重要指标。本试验中每隔25次冻融后进行测试，并计算相对动弹性模量下降程度，试验结果如表11所示。

表11冻融试验动弹性模量结果

为了更好地比较三组混凝土随冻融循环次数的增加，相对动弹性模量的变化规律，根据表11的数据绘出相对动弹性模量下降趋势图，见图1。

图1 相对动弹性模量下降趋势图

4.4 结果分析

由表11和图1可看出，三组混凝土随着冻融次数的增加，相对动弹性模量都呈下降趋势。在前75次冻融循环中，三组混凝土的相对动弹性模量下降趋势都较缓。从第75次冻融循环之后，Z组（全再生骨料组）的相对动弹性模量急剧下降，到125次冻融循环后，相对动弹性模量为52.26%，低于破坏值60%，已经破坏。J组和Y组从第125次冻融循环之后，相对动弹性模量的下降趋势变快 ，在第200次冻融循环之后，J组、Y组的相对动弹性模量为61.82%、54.7%，表明Y组已经破坏，J组接近破坏。综上，Z组抗冻性能最差，Y组接近J组的抗冻性能，并且远高于Z组。

5 结 论

（1）制备的混凝土再生骨料取代率越大，混凝土抗压强度越低，但是下降幅度不是很大，再生骨料的掺量从20%、40%到60%的混凝土强度均能达到设计强度。

（2）由正交试验分析可得，配比A2B3C3D2E2的再生骨料混凝土最优 ，水胶比0.43，粉煤灰掺量20%，再生骨料取代率60%，硅灰掺量4%，聚丙烯纤维掺量0.9 kg/m3，砂率0.36，混凝土抗压强度达到40.12 MPa，满足95%的强度保证率，其工作性、力学性能及抗冻性良好。

（3）按照普通混凝土配合比设计方法设计用再生骨料取代天然骨料的混凝土的配合比 ，如不增加单位用水量，随着再生骨料取代率的提高，其工作性能不断降低。

（4）混凝土的抗冻性试验表明:标养条件下，三组混凝土抗冻性大小顺序为J＞Y＞Z。其中Y组抗冻性能非常接近J组，且远远高于Z组（全再生粗骨料组）。再生骨料取代率为60%时，复掺硅灰、聚丙烯纤维可以明显改善再生骨料混凝土的抗冻性能。

［1］ 王 亨，单玉坤.再生混凝土的研究发展现状综述［J］.黑龙江科技信息，2011，（22）:265.

［2］ 中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 .GB175-2007.普通硅酸盐水泥［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［3］ 张晓华，孟云芳，贾 军 ，等.粉煤灰、矿粉与再生粗骨料混凝土配合比设计正交试验研究［J］.混凝土，2014，（6）:137-140，160.

［4］ 中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB1596-2005.用于水泥和混凝土中的粉煤灰［S］.北京:中国标准出版社 ，2005.

［5］ 邵淑彩.应用数理统计（第二版）［M］.武汉:武汉大学出版社，2005.

［6］ 尚 鑫，孟云芳.稻壳灰改善混凝土导热性试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2014，12（2）:213-219.

［7］ 李 俊，尹 健，周士琼 ，等.粉煤灰与矿渣对再生骨料混凝土力学性能影响的研究［J］.混凝土，2005，（6）:80-83，86.

［9］ 李 俊，尹 健，周士琼 ，等.基于正交试验的再生骨料混凝土强度研究［J］.土木工程学报，2006，39（9）:43-46.

［10］ 雷秀玲，叶远胜，陈国明，等.硅粉混凝土性能研究与应用［J］.东北水利水电，2009，27（4）:16-19.

［11］ 李文武，刘肖凡，李 凯.聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响［J］.武汉工业学院学报，2013，32（2）:89-92.

［12］ 李伏琦，付 诚，张 静.聚丙烯纤维对混凝土性能的影响研究［J］.全面腐蚀控制，2012，（8）:39-43.

［13］ 谢祥明，余青山 ，胡 磊.聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研究［J］.重庆建筑大学学报，2008，30 （3）:8-12.

［14］ 黄功学，赵 军 ，高丹盈.聚丙烯纤维混凝土抗拉性能试验研究［J］.灌溉排水学报，2009，（3）:58-60.

［15］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 .GB/T50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［16］ 李清海，史新亮，孙 蓓，等.橡胶微粒路面混凝土抗冻性研究［J］.混凝土与水泥制品，2008，（5）:21-23.

Study on the Anti-frost Property of Concrete with Polypropylene Fiber and Recycled Aggregate

LI Jin-ze1，MENG Yun-fang1，3，LI Rui2，HE Pu-chun1
（1.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021，China；2.School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021，China；3.Ningxia Engineering Technology Research Center of Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation，Yinchuan，Ningxia 750021，China）

In order to reduce energy consumption，develop green and environment-friendly concrete，and recycle the waste，namely recycled aggregate，in response to the national“Twelfth Five-year”development plan，experiments were conducted to study the optimal mix ratio with recycled coarse aggregate.The effect of different water binder ratio，different amount of recycled coarse aggregate，fly ash，silica fume and polypropylene fiber on the compressive strength and performance of the concrete was studied by orthogonal experiments.According to the results of optimization tests，，the optimal mix ratio was determined and then testified by frost-resistance tests.The test results indicate that when the mixing amount of different materials reaches an optimal ratio，the strength and frost-resistance of the concrete will be greatly improved.This study will provide some statistical support for the broad application and further research of recycled aggregate.

recycled coarse aggregate；concrete；orthogonal experiment；frost-resistance

TU528.572

A

1672—1144（2015）02—0181—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.038

2014-12-22

2015-01-27

李金泽（1988—），男，陕西定边人，硕士研究生，研究方向为灌区混凝土抗冻裂耐久性研究及新材料开发。E-mail:289041130@qq.com

孟云芳（1952—），女，宁夏银川人，教授 ，主要从事水工建筑材料、混凝土抗冻裂方向的教学科研工作。

E-mail:2979526409@qq.com