王 娣陈自豪戚国峰元成方，*
（1.郑州大学土木工程学院，郑州 450001；
2.郑州共图建设工程检测有限公司，郑州 450001）
我国城市化建设的步伐不断加快，由此产生的建筑垃圾也不断增加，这使得我国面临着环境污染、资源缺乏等严峻挑战。对建筑垃圾资源化利用是减少环境污染和实现废弃物再利用的有效方法［1］，将废弃混凝土、烧结砖等建筑垃圾进行加工制备再生骨料混凝土。相关研究发现，再生骨料混凝土的界面过渡区是受力薄弱环节，经常出现初始裂缝［2］。同时，再生骨料在破碎过程中内部会产生许多细小裂缝，更易产生集中应力，使其承载力和传力能力下降［3］。由此可见，需要通过预处理解决再生骨料混凝土性能缺陷问题。研究表明，纳米二氧化硅活性高，粒径小，分散性能良好，可均匀分布在混凝土基体中与Ca（OH）2晶体反应生成C-S-H凝胶，填充骨料内部的微细孔隙，改善孔结构和表面形态，提高再生骨料混凝土的密实性和抗压强度［4-6］。同时，纳米二氧化硅能够在混凝土中发生一系列反应，修复再生骨料表面的老旧砂浆，对界面过渡区以及新砂浆具有强化作用，从而提高再生混凝土的力学性能［7］。纤维材料可在混凝土基体中起到桥联作用，有利于基体的抗裂，延缓混凝土中微裂缝的形成和开展［8-9］。聚乙烯醇（PVA）纤维和聚丙烯（PP）纤维是较为常用的两种工程纤维，其材性优异，能够改善混凝土的力学性能［10-13］。同时，由于该类纤维熔点低，还可提高混凝土高温环境下抵抗剥落的能力以及混凝土的耐久性能［14］。综上所述，采用PVA纤维、PP纤维及纳米SiO2对再生骨料混凝土进行改性，具有较好研究价值和应用前景。
1.1 原材料
试验采用日本生产单丝聚乙烯醇纤维（PVA纤维）和国产单丝聚丙烯纤维（PP纤维），材料性能见表1；
利用郑州市某工程检测公司强度等级C30—C50的废弃混凝土试块、市内房屋拆迁所得强度等级MU10—MU20的废弃烧结砖制备再生混凝土和再生砖骨料，再生骨料的技术指标见表2；
天然骨料为4.75～19.0 mm连续级配碎石、细度模数2.6的中砂；
水泥为郑州地区生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥；
外加剂采用FDN-1型高性能减水剂，减水率26.5%；
试验拌合水和养护水为郑州市普通自来水；
采用浙江宇达化工生产NS-30型纳米硅溶胶，技术指标见表3。
表1 纤维的材料性能Table 1 Material properties of fiber
表2 再生骨料的技术指标［15］Table 2 Technical indicators of recycled aggregate
表3 NS-30型纳米硅溶胶技术指标Table 3 Technical indicators of NS-30 nano silica sol
1.2 再生骨料改性
将废弃混凝土和废弃砖块进行破碎、筛分获取满足要求的再生骨料。加入自来水对纳米硅溶胶进行稀释并搅拌，得到不同质量浓度的纳米硅溶胶溶液，将混合再生骨料进行浸泡（图1）。试验发现［16］，综合考虑时间和成本因素，采用浓度2%的硅溶胶溶液浸泡2天的机制对再生骨料的改性效果较好。再生骨料改性前后的技术指标见表4。
表4 再生骨料改性前后的相关物理性能Table 4 Related physical properties of recycled aggregate before and after modification
图1 再生骨料的改性Fig.1 Modification of recycled aggregate
纳米硅溶胶有效降低了再生骨料的吸水率和压碎指标。同时，骨料表面的纳米SiO2颗粒不仅能够填充骨料孔隙，提高了密实度，还可参与水泥水化反应，生成C-S-H凝胶，进一步填充基体孔隙，改善再生混凝土的整体性，提高再生混凝土的力学性能。
1.3 配合比设计
试验参照《普通混凝土配合比设计规程》设计强度等级C50的普通混凝土，然后将天然骨料由改性处理后的砖砼体积比为3∶7的混合再生骨料全部取代，同时将不同掺量的PVA纤维或PP纤维加入混凝土中，制备纤维纳米再生骨料混凝土，配合比如表5所示。
表5 纤维纳米再生骨料混凝土配合比Table 5 Mix ratio of fiber nano recycled concrete
1.4 试验方法
依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）进行混凝土流动性测试。依据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13—2009）［17］规定的干拌法制备纤维纳米再生混凝土，以防止纤维结团。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2016）［18］进行混凝土力学性能试验，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件。
2.1 试验结果
纤维纳米再生混凝土力学性能试验结果如表6所示。
表6 力学性能试验结果Table 6 Mechanical performance test results
2.2 力学性能指标的经时变化规律
纤维纳米再生混凝土力学性能指标随龄期的变化规律如图2所示，各组混凝土28 d强度指标随纤维掺量变化如图3所示。
由图2（a）与图3可知，不同纤维掺量的纳米再生混凝土立方体抗压强度均随着龄期增长呈增加趋势，初期强度增加迅速，后期强度平稳缓慢增加。加入PVA纤维或PP纤维后，纳米再生混凝土28 d抗压强度均小于基准混凝土，这表明纤维的掺入均削弱了纳米再生混凝土的抗压强度。PVA纤 维 掺 量 为0.3 kg/m³、0.6 kg/m³、0.9 kg/m³和1.2 kg/m³时，混凝土28 d立方体抗压强度分别下降了9.8%、5.7%、9.4%和3.5%。这是由于PVA纤维与基体间的疏水性质使得混凝土固化期间限制了水泥水化所需要的水进入砂浆结构中，同时易在界面过渡区形成气泡，增加了混凝土的孔隙率［19］。掺入等量PVA纤维和PP纤维后，PVA纤维纳米再生混凝土的立方体抗压强度相对更高，说明PP纤维对纳米再生混凝土抗压强度具有更大的削弱作用，这是因为PVA纤维的弹性模量高于PP纤维，引入气泡的同时，在相同应变条件下能够承受更大的压力。
图2 纤维纳米再生混凝土力学性能指标随龄期变化图Fig.2 Changes of mechanical properties of fiber nano recycled concrete with age
图3 纤维纳米再生混凝土28 d力学性能指标随纤维掺量变化图Fig.3 Changes of the 28 d mechanical performance indicators of fiber nano recycled concrete with fiber content
由图2（b）与图3可见，各组混凝土抗折强度均随龄期的增加而增大，开始时增长速度较快，一段时间后增长速度开始缓慢。随着PVA纤维掺量增大，混凝土抗折强度先增大后减小，具体表现为掺入0.3 kg/m³的PVA纤维时，再生混凝土28 d抗折强度略有降低；
掺入0.6 kg/m³、0.9 kg/m³和1.2 kg/m³的PVA纤维时，再生混凝土28 d抗折强度分别为基准组的102.1%、108.3%和104.2%，说明掺加适量的PVA纤维可以提高再生混凝土的抗折强度，掺量为0.9 kg/m³时的增强效果最为显著。这是因为PVA纤维与混凝土基体之间具有桥接作用，纤维能够跨越微裂缝，使混凝土能更好地承受拉力作用，从而增强抗折能力。对比分析后发现，PVA纤维比PP纤维的增强效果更好。
由图2（c）与图3可见，随着龄期的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度初期增长显著，后期趋于平稳。对比分析后发现，随着PVA纤维掺量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度先上升后下降；
掺量为0.9 kg/m³时，龄期28天的纤维纳米再生混凝土劈裂抗拉强度为基准组的106.3%。这是因为适量的纤维在混凝土基体中可以桥接裂缝，把混凝土内部的集中应力通过纤维进行应力重分布，在混凝土受荷开裂的过程中承受更多拉应力，增强混凝土韧性［11，20］。对比分析发现，PP纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度为PVA纤维再生混凝土的93.3%，表明弹性模量较高的PVA纤维具有比PP纤维更强的增韧效果，更加有利于基体的抗裂，延缓混凝土中微裂缝的形成和发展。
2.3 力学性能指标的相关性分析
将纤维纳米再生混凝土各项力学性能指标进行数据拟合分析，结果如图4所示。
由图4可见，纤维纳米再生混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的幂函数相关系数为0.923，抗折强度与立方体抗压强度的幂函数相关系数为0.946，均表现出良好的相关性。而抗折强度与劈裂抗拉强度之间相关性较低，相关系数仅为0.758。实际工程中，在纤维纳米再生混凝土的立方体抗压强度已知的情况下，可基于上述经验公式推算纤维纳米再生混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，全面了解混凝土力学性能的变化情况。
图4 聚乙烯醇纤维纳米再生混凝土力学性能指标关系图Fig.4 The correlation between the mechanical performance indicators of PVA fiber nano recycled concrete
（1）掺入PVA纤维和PP纤维均会削弱纳米再生混凝土的抗压强度，PP纤维相比PVA纤维具有更大的削弱作用。
（2）随着PVA纤维掺量的增加，纤维纳米再生混凝土抗折强度先增大后减小。适量的PVA纤维可以提高其抗折强度，纤维掺量为0.9 kg/m³时的增强效果最为显著。与PP纤维相比，掺入PVA纤维能达到更好的抗折性能增强效果。
（3）随着PVA纤维掺量的增加，纤维纳米再生混凝土的劈裂抗拉强度先上升后下降。纤维掺量为0.9 kg/m³时，其28 d抗拉强度达到最大。PVA纤维具有比PP纤维更强的增韧效果，能获得更好的劈拉性能增强效果。
（4）PVA纤维纳米再生混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度、抗折强度与抗压强度之间均具有良好的相关性。在抗压强度已知的情况下，可基于经验公式推算纤维纳米再生混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度。
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