杨 潇

[中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100161]

水泥混凝土路面具有强度高耐磨性好等优点，但是传统水泥混凝土为脆性材料，抗拉抗折强度较低[1]。近年来，发达国家对混凝土路面局部修复技术进行研究，虽然提出了一些修复方法，包括：复合修补剂、特种水泥、纤维混凝土等。但是仍存在一定局限性，其中最为有效的方法为采用纤维材料增强水泥基复合材料的强度。目前，国内外用于修复路面的纤维混凝土主要包括3类：钢纤维、碳纤维和合成纤维[2-4]。其中，针对钢纤维再生混凝土配合比设计的研究还较少。尹诗钦[5]等提出了以再生混凝土的吸水性能为主要参数的设计方法，钢纤维体积率每增加1%，砂率增加1.6%；高丹盈[6]等提出“等效水泥体积”的配合比设计方法，通过试验验证了该方法设计的再生混凝土的弹性模量、抗压强度和塌落度与天然混凝土相似。周静海[7]对钢纤维再生混凝土抗压性能进行研究，表明在钢纤维的作用下，显著提高再生混凝土开裂后的抗压性能，受钢纤维的影响，试件的最大裂缝宽度变化不明显。本文以钢纤维再生混凝土作为研究对象，通过正交试验设计试件的配合比，对不同配合比试件工作性能进行分析，通过碳化试验对钢纤维再生混凝土碳化深度的影响因素进行研究，为混凝土材料的可持续发展提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验仪器

试验仪器包括：WAW-4000B型电液伺服压力试验机(珠海市三思泰捷电气设备有限公司)；DHG-9240A型干燥箱(深圳市爱特尔电子科技有限公司)；XT350型混凝土切割机(济宁市信通机械设备有限公司)；CCB-70型碳化试验箱(上海荣计达实验仪器有限公司)；605A-01型电子游标卡尺(哈尔滨量具刃具集团有限责任公司)。

1.2 试验材料

采用P.O42.5普通硅酸盐水泥(山东省恒华水泥有限公司)；再生粗骨料取自当地商品混凝土试样；细骨料属于中粗砂，细度模数为2.72，洛阳砂石厂生产；天然粗骨料为石灰石碎石，洛阳砂石厂生产；钢纤维为剪切型波纹型，天津远大钢铁公司生产；水为生活饮用水；聚羧酸盐高效减水剂，襄阳嘉源建材有限公司生产。

1.3 试验方案

按文献[8]方法计算再生混凝土配合比，在拌和的混凝土中均匀分布不同比例的钢纤维，然后将钢纤维混凝土浇注到试模中，放入标准养护室养护28 d，然后将石蜡涂抹于试件表面，通过碳化试验箱对其进行碳化试验，并测试不同碳化龄期的碳化深度。碳化试验采用150 mm×150 mm×350 mm的棱柱体试件，试件标准养护28 d龄期时开始进行碳化试验，测定标准碳化环境下的3 d、7 d、14 d和28 d时的碳化深度。

2 钢纤维再生混凝土配合比研究

2.1 正交实验分析

选定钢纤维体积率、再生粗骨料取代率、水胶比作为配合比试验中的影响参数，对不同因素条件下混凝土强度及工作性能进行研究。每个参数选取3个水平，根据正交试验方法，得到9组不同的配合比的钢纤维再生混凝土立方体试块，测定试件的塌落度、抗劈拉强度以及抗压强度。钢纤维再生混凝土正交试验方案如表1所示。

表1 钢纤维再生混凝土正交试验方案Table 1 Orthogonal test scheme of steel fiber recycled concrete因素水胶比(A)再生骨料取代率(B)/%钢纤维体积率(C)/%10.40020.46501.230.541001.8

2.2 塌落度分析

3种不同水平条件下各因素对塌落度的影响，如图1所示，主要由于单方用水量保持不变，随着水胶比的增大塌落度先增大后减小；水胶比较大时，水泥浆量减小，导致塌落度随着水胶比先增后减。随着再生骨料取代率和钢纤维体积率的增加塌落度不断减小。

图1 各因素对塌落度的影响Figure 1 Effects of various factors on collapse degree

各因素对塌落度的方差、极差分析计算结果见表2。

由表2可知，再生骨料取代率的极差值最大达到18.22；钢纤维体积率的极差值为13.27；水胶比的极差仅为4.95，表明单方用水量不变时，水胶比对塌落度影响较小。随着再生骨料取代率的增加，塌落度会迅速减小，在混凝土搅拌过程中再生骨料会吸取部分自由水，对其工作性能产生影响。随钢纤维体积率的增大试件的塌落度明显减小，极差为13.27，F比值为18.41，主要由于提高钢纤维的用量，降低了拌合物的流动性。因此，为了提高钢纤维再生混凝土的工作性能，对用水量计算时需同时考虑钢纤维体积率与再生骨料取代率的影响。

表2 试件塌落度分析Table 2 Analysis of collapse degree of specimens因素自由度平方差平方和极差变方差平方和F比值A224.754.9549.502.97B2255.8218.22511.5330.49C2156.8213.27315.3318.41误差28.323.2716.53—

2.3 劈拉强度分析

3种不同水平时各因素对劈拉强度的影响，如图2所示。可以看出增加水胶比，试件的劈拉强度明显降低；随钢纤维体积率的增加，试件的劈拉强度有所提高；劈拉强度随再生骨料取代率的增加先增加后减小。

图2 各因素对劈拉强度的影响Figure 2 Effects of various factors on splitting tensile strength

各因素对劈拉强度的方差、极差分析计算结果见表3。

由表3可知，3种影响因素中，再生骨料的取代率对劈拉强度的影响最小，极差仅为0.53；水胶比对劈拉强度的影响次之，钢纤维体积率对劈拉强度的影响较为显著，极差达到2.47。水灰比对劈拉强度影响的显著程度明显小于钢纤维体积率，主要由于钢纤维加入再生混凝土中阻裂增韧效果较好，有效阻止基体裂纹的扩展，使再生混凝土的劈拉强度得到显著提高。

表3 劈拉强度结果分析Table 3 Analysis of splitting tensile strength因素自由度平方差平方和极差变方差平方和F比值A21.141.182.296.69B20.240.530.481.40C24.582.479.1826.93误差20.170.860.34—

2.4 抗压强度分析

3种不同水平条件下，各因素对抗压强度的影响如图3所示。可以看出增加钢纤维体积率，试件的抗压强度基本保持不变；抗压强度随着再生骨料取代率的增加先增加后下降；增加水胶比，试件的劈拉强度明显降低；再生骨料取代率为50%时，拌合物的密实性有所增加，混凝土粗骨料的颗粒级配更好，使得试件强度有较大程度的提高。改变钢纤维体积率和水胶比，抗压强度的变化趋势与钢纤维天然混凝土比较接近。

图3 各因素对抗压强度的影响Figure 3 Effects of various factors on compressive strength

各因素对抗压强度的方差、极差分析计算结果见表4。

由表4可知，钢纤维体积率极差为1.32，F比值为0.13，对抗压强度影响最小；再生骨料取代率对抗压强度的影响较小，极差为4.21，F比值为1.13；水胶比极差最大为9.81，且F比值大于F0.1的临界值，是抗压强度的主要影响因素。

表4 试件抗压强度结果分析Table 4 Analysis of compressive strength of specimens因素自由度平方差平方和极差变方差平方和F比值A2129.209.81258.5910.99B213.384.2126.781.13C21.551.323.110.13误差211.663.7323.33—

3 钢纤维再生混凝土抗碳化性能研究

3.1 碳化试验

钢纤维再生混凝土碳化性能受到钢纤维、再生骨料的影响比较复杂。通过碳化试验分析钢纤维体积率、再生骨料取代率、抗压强度对抗碳化性能研究。不同配合比条件下钢纤维再生混凝土材料性能指标，见表5。

表5 钢纤维再生混凝土材料性能指标Table 5 Performance indicators of steel fiber recycled con-crete material试件编号劈拉强度/MPa抗压强度/MPa塌落度/mmF1.2R50C304.8435.0556.56F1.2R50C455.6347.2759.59F1.2R50C606.7962.9262.62F1.2R0C455.6645.8564.64F1.2R30C455.5946.4658.58F1.2R100C455.4047.6753.53F0R50C452.8045.3565.65F0.6R50C454.1546.0662.62F1.8R50C457.0948.5855.55F2.4R50C457.6950.4049.49注:表5中试件编号以F1.2R50C45为例,表示钢纤维体积率为1.2%,再生骨料取代率为50%,抗压强度C45。

碳化深度随抗压强度的增加而减小，随碳化时间的增加而增大。试件各龄期碳化深度试验值，见表6。

表6 试件不同碳化龄期试验值Table 6 Test values of different carbonation ages for speci-mens试件编号不同龄期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.7132.7133.9205.475F1.2R50C451.2972.1482.9114.079F1.2R50C600.9311.5052.1193.039F1.2R0C451.5152.1293.0004.029F1.2R30C451.3372.1482.8414.010F1.2R100C451.2081.9502.7823.901F0R50C451.4552.4063.0894.425F0.6R50C451.3662.0893.0204.277F1.8R50C451.1981.8222.5843.653F2.4R50C451.2571.9212.7233.851

3.2 抗碳化性能试验结果分析

不同抗压强度条件下，钢纤维再生混凝土碳化深度与碳化时间的变化规律见图4。

由图4可知，碳化龄期小于14 d时，碳化深度随碳化时间增加急剧增大;碳化龄期大于14 d时，碳化深度趋势逐渐变缓。在相同碳化时间条件下，随着试件抗压强度的增加碳化深度显著减小。主要由于抗压强度较大时，水泥基体的密实度大幅度增加，进而提高了试件的抗碳化能力。不同再生骨料取代率条件下，碳化时间对试件碳化深度的影响如图5所示。

图4 碳化深度随碳化时间变化趋势Figure 4 Trend of carbonization depth with carbonization time

图5 碳化深度与碳化时间的关系Figure 5 The relationship between carbonization depth and carbonization time

由图5可知，随着再生骨料取代率的增加，4条曲线变化趋势基本相同，4组试件在碳化深度随时间的变化趋势也基本一致，不同碳化时间处的碳化深度值也无明显变化，表明试件的抗碳化能力与再生骨料取代率的关系并不明显，主要由于4组试件的抗压强度比较接近。不同钢纤维体积率条件下，钢纤维再生混凝土碳化深度与碳化时间的变化规律如图6所示。

图6 碳化深度与碳化时间的关系Figure 6 The relationship between carbonization depth and carbonization time

由图6可知，随着钢纤维体积率的增加，碳化深度呈现先减小后增加的趋势。钢纤维体积率为2.4%时，在混凝土基体与钢纤维之间形成了薄弱粘结界面，容易造成纤维分布不均匀，导致钢纤维再生混凝土的碳化深度有所增加。钢纤维体积率为1.8%时，钢纤维再生混凝土的碳化深度最小，表明该条件下试件的抗碳化能力最强。由于试件的抗压强度在45.35～50.40 MPa之间，当适量钢纤维掺入再生混凝土中，增强了混凝土基体的密实度。同时，延迟了试件边缘裂缝的出现，对再生混凝土的碳化起到了抑制作用，降低了CO2的扩散速度，碳化速率减缓。

3.3 碳化深度计算模型

图7 碳化深度随的变化关系Figure 7 The relationship between the depth of carbonization and its variation

由本文试验数据得到的碳化深度的线性回归方程为：

(1)

式中：fcu为试件的立方体抗压强度，MPa；t为碳化时间，d。

钢纤维体积率在一定程度上会对碳化深度产生影响。由本文试验数据得到以下经验式：

R2=0.96

(2)

式中：xd为碳化深度，mm；Vf为钢纤维体积，kg/m3。

根据公式(2)得到钢纤维再生混凝土碳化深度的预测值如表7所示，对比表6可知试件碳化深度的计算值与试验值的吻合度较高。

表7 试件不同碳化龄期实测值Table 7 Measured values of specimens with different carbonization ages试件编号不同龄期(d)的碳化深度/mm371428试件编号不同龄期(d)的碳化深度/mm371428F1.2R50C301.802.753.895.50F1.2R100C451.332.022.864.06F1.2R50C451.342.042.894.08F 0R50C451.492.273.214.53F1.2R50C601.001.532.173.07F 0.6R50C451.412.153.044.30F1.2R0C451.382.112.974.21F1.8R50C451.291.962.773.92F1.2R30C451.362.082.944.16F2.4R50C451.241.892.683.79

4 结论

通过正交试验设计钢纤维再生混凝土试件的配合比，并对试件的塌落度、抗压和抗劈拉性能进行研究。研究了再生混凝土强度、钢纤维体积率、再生骨料取代率对钢纤维再生混凝土碳化深度的影响，得出以下结论：

a.钢纤维体积率对钢纤维再生混凝土抗拉强度的影响比较明显；再生骨料取代率、钢纤维体积率是钢纤维再生混凝土工作性能的主要影响因素；水胶比、再生骨料取代率是钢纤维再生混凝土抗压强度的主要影响因素。

b.当钢纤维体积率相同、抗压强度相近时，再生骨料取代率对钢纤维再生混凝土的抗碳化性能影响甚微；随着抗压强度的增加，钢试件的抗碳化性能显著增强。

c.当钢纤维体积率小于1.8%时，随着钢纤维体积率的增加试件的抗碳化性能不断提高；钢纤维体积率高于1.8%时，试件抗碳化性能随着钢纤维体积率的增加略有降低。