玄武岩-聚丙烯混杂纤维再生混凝土粘结性能研究

杜鹏

（焦作大学 土木建筑工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

随着土木工程建设的快速发展，建筑垃圾大量产出与建筑材料短缺的矛盾日益突出[1]。再生骨料混凝土是将废弃混凝土进行处理替代天然骨料，以解决天然砂石骨料日渐枯竭的难题，有效减少对天然砂石的开采量，减轻建筑垃圾对自然环境造成的污染[2]。由于再生混凝土骨料棱角过多，表面包裹着水泥砂浆，空隙率大、表观密度低、吸水率高、压碎指标大等，导致再生骨料混凝土耐久性差、强度低，成为制约再生混凝土应用的瓶颈[3]。为弥补再生骨料混凝土耐久性、强度低等缺陷，提高再生混凝土骨料的利用率，可将聚丙烯纤维和玄武岩纤维掺入再生混凝土中，制备混杂纤维再生混凝土。混杂纤维均匀地分布于再生混凝土中，可有效提高再生混凝土的抗弯和抗拉性能，增强材料的韧性和耐久性能。孔祥清等[4]研究了钢-聚丙烯混杂纤维类型、掺量、长径比对再生混凝土力学性能的影响，结果表明，钢-聚丙烯混杂纤维再生混凝土的抗压强度较素混凝土提高17.7%，劈拉强度提高57.8%。任磊等[5]研究了高温环境下混杂纤维再生混凝土构件的力学行为，分析了混杂纤维再生混凝土的应用前景。章文姣等[6]的研究表明，掺入钢纤维和聚丙烯混杂纤维后，再生混凝土的破坏形式由脆性变成弹性。王社良等[7]的研究表明，掺入混杂纤维可以显著提高再生混凝土的抗震性能。从国内研究情况看，目前的混杂纤维再生混凝土大多是掺入钢纤维和聚丙烯混杂纤维，掺入玄武岩和聚丙烯混杂纤维的研究还不多见。本文以玄武岩-聚丙烯混杂纤维再生混凝土作为研究对象，分析了冻融循环次数、玄武岩-聚丙烯混杂纤维掺量对其粘结性能的影响，为提高混杂纤维再生混凝土与玄武岩纤维增强复合筋间的粘结性能提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P·O42.5级，山东恒华水泥有限公司；粉煤灰：大唐首阳山电厂产的F类Ⅰ级粉煤灰，表观密度2230 kg/m3；细骨料：中粗砂，细度模数2.72，表观密度2.695 g/cm3，洛阳砂石厂；再生粗骨料：由40年以上废弃房屋拆除的烧结砖或承重墙混凝土小砌块破碎制成，粒径5～20 mm，表观密度2520 kg/m3，吸水率5.07%，含水率2.2%，压碎指标16.5%；聚丙烯纤维：长18 mm，束状，断裂伸长率15%，抗拉强度300～770MPa，弹性模量3500 MPa，常州利尔德通新材料科技有限公司；玄武岩纤维：长18 mm，短切连续，断裂伸长率3.2%，抗拉强度3000 MPa，郑州登电玄武石纤有限公司；水：饮用水；BFRP3-12玄武岩纤维增强复合筋（以下简称复合筋）：直径12 mm，抗拉强度750 MPa，断裂伸长率1.8%，北京喜卡复合材料科技有限公司；聚羧酸盐高效减水剂：襄阳嘉源建材有限公司，减水率≥23%。

1.2 试验仪器设备

WAW-4000B型电液伺服压力试验机，珠海三思泰捷电气设备有限公司；DHG-9240A型干燥箱，深圳爱特尔电子科技有限公司；140型强力搅拌机，济宁格森工程机械有限公司；XT350型混凝土切割机，济宁信通机械设备有限公司；KDR-16型混凝土冻融试验仪，北京国奥路业精密仪器有限公司；605A-01型电子游标卡尺，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司。

1.3 试验方案

再生混凝土配合比设计采用试配法，设计强度等级为C40，将不同配合比试件养护7 d后进行强度测试，最终确定再生混凝土的配合比为：m（水泥）∶m（细骨料）∶m（粗骨料）∶m（粉煤灰）∶m（减水剂）∶m（水）=186.3∶259∶410∶65.5∶0.2∶79，分别掺入不同体积掺量的聚丙烯、玄武岩纤维。鉴于纤维尺寸较小，制备时应先将纤维与水泥充分拌合，然后加入搅拌机进行搅拌。根据不同试验目的，共制作了8组试件，每组3个，各组试件中纤维掺量和试验方案设计见表1。普通中心拔拉试验采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，中心预埋1根BFRP3-12玄武岩纤维增强复合筋，复合筋在混凝土中的埋藏长度为60 mm。将制备好的混杂纤维再生混凝土浇注到试模中，放入标准养护室养护28 d后进行测试。冻融试验采用“气冻水融”慢冻法[8]，将制备好的试件在冻融机内-10℃的环境下养护28 d，随后取出在15℃的水中浸泡5d。为了避免水流入影响复合筋与混凝土的粘结性能，在试件表面混凝土与复合筋接触处进行石蜡填缝。

表1 各组试件中纤维掺量和试验方案

试验加载采用WAW-4000B型电液伺服压力试验机，加载速率为20 N/s，计数间隔为2 s。为了防止加载过程中发生偏移，试验装置下部设有调节螺栓。

2 试验结果及分析

2.1 拉拔试验结果

混杂纤维再生混凝土与复合筋间的拉拔特性曲线分为：微滑移、内裂滑移、拔出破坏、残余应力4个阶段。本文设计的工况中，除D50和D70为劈裂破坏外，其余工况均为拔出破坏。各工况滑移峰值、粘结应力峰值、首次出现裂缝的滑移、首次出现裂缝的粘结应力试验值见表2。D50试件的滑移峰值和粘结应力峰值最大，分别为4.48 mm和25.01 MPa，因此其出现劈裂破坏。

表2 拉拔试验结果

2.2 纤维掺量对粘结性能的影响

不同纤维掺量下试件的粘结滑移曲线见图1。

图1 不同纤维掺量下试件的粘结滑移曲线

由图1可见，与不掺纤维的再生混凝土相比，4种混杂纤维再生混凝土在应力峰值处的滑移量均有所增大，BP0404试件的峰值滑移量增大最显著。粘结滑移曲线下降阶段，混杂纤维再生混凝土的延性均优于不掺纤维的再生混凝土，试件粘结应力随着滑移量的增加而缓慢下降。4种混杂纤维再生混凝土的粘结应力峰值均低于不掺纤维的再生混凝土，混杂纤维再生混凝土中，BP0204试件的粘结应力最大，BP0402、BP0202试件次之，BP0404试件最小。聚丙烯纤维具有较好的韧性，可以改善复合筋与混凝土基体间的咬合性能；玄武岩纤维具有较好的亲水性，可以提高混凝土的抗裂收缩能力。将混杂纤维掺入再生混凝土后，由于混杂纤维和BFRP复合筋间具有较好的咬合效应，拉拔过程需要更多的能量，从而提高了混凝土与BFRP复合筋间的延性。但是随着混杂纤维掺量的增加，纤维在混凝土基体中易成团，产生负混杂效应，使混凝土与BFRP复合筋间的粘结应力减小。

综上所述，当再生混凝土复掺0.4%聚丙烯纤维和0.2%玄武岩纤维时，粘结滑移曲线下降段更加稳定，混杂纤维再生混凝土具有较好的粘结强度和延性。

2.3 冻融次数对粘结性能的影响

选择BP0204试件作为对照组，各试件在不同冻融次数下的粘结滑移曲线见图2。

图2 不同冻融次数下试件的粘结滑移曲线

由图2可见，4组试件的粘结滑移曲线上升阶段基本重合，随着冻融次数的增加，粘结应力峰值逐渐提高。与BP0204试件相比，经冻融循环的混杂纤维混凝土试件粘结强度提高12%～24%。但D50和D70试件粘结应力峰值出现后，马上发生劈裂破坏，滑移曲线不存在下降段。D30试件粘结应力峰值出现后，粘结应力迅速下降到9.2 MPa附近。这是因为，冻融循环产生的二次水化提高了混凝土粘结强度，但随着冻融次数的增加，再生混凝土冻融损伤程度增加，粘结强度降低。

3 结论

（1）玄武岩-聚丙烯混杂纤维掺入再生混凝土后，BFRP复合筋与再生混凝土的粘结强度有所下降。混杂纤维可以限制混凝土内部裂缝的产生和发展，使再生混凝土的延性有所提高，但混杂纤维掺量过多则不利于混凝土粘结强度的提高。

（2）当再生混凝土中复掺0.4%聚丙烯纤维和0.2%玄武岩纤维时，粘结滑移曲线下降段更加稳定，混杂纤维再生混凝土具有较好的粘结强度和延性。

（3）随着冻融次数的增加，粘结应力峰值逐渐提高，但会导致再生混凝土冻融损伤程度增加，试件发生劈裂破坏。