不同掺入率玄武岩纤维对无熟料水泥再生混凝土梁的抗裂性能影响

王 聪,裴长春

(延边大学工学院结构工程系,吉林 延吉 133002)

近年来,随着建筑业的高速发展,大量的建筑物被拆除重建,从而产生大量的建筑垃圾。据2016年的统计资料表明：我国建筑垃圾产量达到15亿吨,未来将可能达到24亿吨/年。还有,2016年我国水泥产量达到24亿吨[1],既消耗了大量石灰石等资源,又产生大量的二氧化碳。近年来,合理处理这些废弃物逐步得到国内外广大学者们的青睐。经研究资料表明：可以再生骨料代替天然骨料[2],以工业生产中产生的废弃物,如矿渣、粉煤灰等取代水泥作为胶凝材料,配制出再生混凝土。但配制出的再生混凝土由于强度、抗裂性能等性能有大幅度的降低[3-4]而推广应有受到一定的限制。

为了提高再生混凝土的各项性能,提高资源的合理利用率及降低环境污染,本文以矿渣、粉煤灰和低纯度石灰粉代替100%传统水泥,以再生骨料部分代替天然骨料拌制再生混凝土,并改变玄武岩纤维的不同掺入率分析再生混凝土的抗裂性能,为再生资源的扩大应用提供技术参考。

1 试验方案设计

1.1 试验方案设计

本试验水胶比为0.3,以75%的矿渣、20%的粉煤灰、5%的低纯度石灰石粉作为胶凝材料100%替代水泥,以30%的废弃混凝土再生骨料替代部分天然骨料,并改变玄武岩纤维的掺入率4个水准,共设计5组再生混凝土。本试验配合比设计见表1。

表1 试验配合比设计

注：SFC为无熟料水泥再生混凝土；SFCBx为无熟料水泥玄武岩纤维再生混凝土,其中B代表玄武岩纤维下标x值代表玄武岩纤维掺量,下标值1,2,3,4分别代表掺入玄武岩纤维0.06%,0.09%,0.12%和0.15%。

本试验所有组梁长度均为1500mm,截面尺寸均为120mm×180mm,受拉钢筋选用HRB335级B14钢筋。箍筋为HPB300级A8@100钢筋。

1.2 试验原材料

本试验中使用的胶凝材料分别为S95级高炉矿渣,II级粉煤灰和低纯度石灰石粉。再生骨料通过废弃混凝土破碎形成,其粒径为5～25mm；天然骨料为粒径5～25mm具有连续级配的石子,其密度为2700kg/m3,；细骨料为天然砂。玄武岩纤维为20mm长短切玄武岩纤维。激发剂为NaOH和KOH颗粒。减水剂为液态聚羧酸高效减水剂。

1.3 试验方法

本试验的试验梁均采用四点加载试验法,为防止集中应力对试验结果产生影响,在加载点及约束点预埋了刚性铁块。试验操作均满足GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》。

2 梁开裂与极限荷载分析

2.1 梁破坏形态分析

当荷载为23kN左右时,在梁跨中下部出现第一条裂缝,随着荷载不断增加,裂缝数量不断增加,裂缝长度不断加长。对于无熟料水泥玄武岩纤维再生混凝土梁与无熟料水泥再生混凝土梁相比,随着荷载增加其裂缝数量明显降低,裂缝宽度变小,并且由主裂缝所产生的支裂缝出现较少,裂缝长度较短。当荷载继续增加,试件梁的挠度逐渐增加,当受拉钢筋屈服时,跨中挠度发展迅速,混凝土受压区出现破碎,直达梁完全破坏。

2.2 裂缝发展情况

图1为无熟料水泥玄武岩纤维再生混凝土梁的荷载-裂缝宽度曲线图。由图可以看出,随着玄武岩纤维掺入率的增加,同级荷载下的最大裂缝宽度有所变小。玄武岩纤维的掺入对梁的最大裂缝宽度的减小有明显效果,这是由于玄武岩纤维与无熟料水泥具有较好的粘结性,有效缓解了裂缝尖端的应力集中,降低裂缝宽度的扩大,对混凝土有较好的增韧效果和抗裂效果。

图2为无熟料水泥不同掺入率玄武岩纤维再生混凝土梁的荷载-裂缝数量图。由图可以看出,加载初期,SFC的初始裂缝出现相对较早,裂缝数量随荷载增加发展迅速,裂缝数量增加。而随着玄武岩纤维掺入率的增加,初始裂缝出现较晚,裂缝数量减少2～3条,对试件梁的抗裂作用较为明显[5]。

图1 不同掺入率玄武岩纤维无水泥熟料再生混凝土梁的荷载—裂缝宽度

图2 不同掺入率玄武岩纤维无水泥熟料再生混凝土梁的裂缝数量图

2.3 荷载—挠度关系

图3为不同掺入率玄武岩纤维无水泥熟料再生混凝土梁的荷载-挠度曲线图。由图可知：随着荷载的继续增加,相同荷载情况下,SFC梁相对NC梁挠度变化较大,但掺入玄武岩纤维后无熟料水泥再生混凝土梁的挠度均有所减少。以SFCB4梁与SFC相比,最大挠度减小43%,极限荷载增加8%。由此可以看出,玄武岩纤维对无熟料水泥再生混凝土梁的挠度发展具有抑制作用,提高了梁的抗裂性能。

图3 不同掺入率玄武岩纤维无水泥熟料再生混凝土梁的荷载-挠度曲线

2.4 梁的跨中受拉钢筋应变分析

图4为无熟料水泥不同掺入率玄武岩纤维再生混凝土梁的荷载-钢筋应变曲线图。由图中可以看出：加载初期都为弹性阶段,受拉钢筋产生的拉应力较小,应变值与荷载成正比例变化。当荷载持续增加后,各组梁出现明显变化,当玄武岩纤维掺入率在0.06%时,相同荷载作用下钢筋应变最小,与SFC相比减小10%。可以看出在无熟料水泥再生混凝土中添加玄武岩纤维可以与基体产生粘结作用,为受拉区钢筋分担部分应力,从而是钢筋变形的速度得到缓解降低钢筋应变。

图4 不同掺入率玄武岩纤维无水泥熟料再生混凝土梁的荷载-应变曲线

3 结论

本文通过研究不同掺入率的玄武岩纤维对无熟料水泥再生混凝土的基本力学性能及梁试件的抗裂性能,得出以下结果:①玄武岩纤维无熟料水泥再生混凝土梁的开裂宽度和裂缝数量随着玄武岩纤维的掺入率增加而减少,当玄武岩纤维掺入率为0.12%时能够最有效的减小无熟料水泥再生混凝土梁裂缝的开裂宽度和裂缝数量；②无熟料水泥再生混凝土梁的挠度随着玄武岩纤维掺入率的增加而减小；③无熟料水泥玄武岩纤维再生混凝土梁跨中受拉钢筋的应变随荷载的变化趋势与普通混凝土梁的变化趋势相似。

[1]刘建军,姜芳禄,张海辉.矿渣微粉高性能混凝土及工程应用[J].中国港湾建设,2006(12):33-36．

[2]杭美艳,张培育,徐雅丽,等.再生混凝土技术性能研究[J].江西建材,2015(12):33-38．

[3]吴铭辉.再生混凝土高性能化的研究现状[J].江西建材,2014(01):12-13．

[4]陈伟,王均,张可等.玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响[J].材料科学与工程学报,2017(35):144-148．

[5]张明涛,赵敏,谭克锋.新型无熟料矿渣水泥的试验研究[J].硅酸盐通报,2011(20):920-924．