玄武岩纤维改善再生水泥混凝土抗裂性能研究

崔鹏

（1甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730030；2公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，甘肃 兰州 730030）

0 引言

建筑垃圾总量占中国城市垃圾总量的30%，是城市垃圾的主要来源[1]。近年来，兰州市大力进行旧城改造，计划建设地铁等市政工程，建筑垃圾数量明显增加。现阶段，建筑垃圾处理主要通过堆积和填埋进行，但是这种处理方式占用了大量的土地资源[2]，不仅增加了运输成本，还造成了城市污染和自然环境破坏，且在运输消耗过程中会产生大量扬尘、噪声，对生态环境和居民正常生活造成影响。建筑垃圾的循环利用和产业化可缓解其带来的生态和环境问题，节约资源，还能为当地建筑业提供可再生建材和就业岗位，促进可持续发展，实现良好的环境效益和社会效益[3]。

混凝土道路施工中使用水泥混凝土再生骨料，不仅可节约石材资源，还能保护混凝土密实性，减小材料对环境的影响。再生混凝土路面受车辆的负荷、温湿度等影响，后期多发生干燥现象。随着重载车增多，再生混凝土路面的损害更加严重。再生混凝土路面的开裂会降低其使用寿命。

目前，大多数抗裂水泥技术由于工艺复杂或成本高而难以推广应用。基体纤维改性混凝土性能优良，工艺简单，成本低廉，每吨造价约1万元，是水泥混凝土材料改性技术的研究热点[4]。玄武岩纤维被用作混凝土增强剂或“增强筋”，与纤维材料均匀混合，并分散在简单的混凝土基体中，形成复合混凝土材料。利用均匀分布的纤维改善混凝土的脆性可以提高混凝土板的抗裂强度[5]。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

由于本文采用再生骨料，一般情况下再生骨料强度较低，因此采用强度等级较高的水泥。按照施工经验及试验研究，再生混凝土一般采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥[6]。本文再生混凝土所用P.O42.5级普通硅酸盐水泥由祁连山水泥有限公司生产[7]，物理力学性能指标如表1所示，各指标均满足相关规范及行业标准的要求[8]。

表1 水泥的物理力学性能指标

玄武岩纤维的原材料一般是火山岩，强度、模量较高，抗压强度和抗剪强度也较高，加入再生混凝土中可提高其抗拉强度和韧性[9]。根据施工经验和试验研究，玄武岩纤维长度为18mm或24mm时，再生混凝土可获得更好的力学性能指标。本文采用12mm、18mm和24mm三种规格的纤维进行对比[10]。纤维长度较短时，在混凝土中发挥不了作用，在力学性能测试时，不是被拉断或压断，而是直接从混凝土中被拉出来。本文所用玄武岩纤维直径为24μm，其性能指标如表2所示[11]。

表2 玄武岩纤维性能

试验中再生混凝土采用的粗骨料粒径为5～20mm，选用的原因是堆积密度较小，骨料之间的接触面积较大，使得再生混凝土更加密实，可获得更高的强度[12]。再生水泥混凝土粗骨料性能指标如表3所示。

表3 再生水泥混凝土粗骨料性能

1.2 试验方案

根据前期试验确定再生混凝土的配合比。力学性能试验方案如表4所示。

表4 力学性能试验方案

取玄武岩纤维掺量为0、0.1%、0.15%，再生粗骨料的掺量0、20%、40%，进行收缩抗裂试验，试验方案见表5[13]。

表5 抗裂性能试验方案

再生混凝土收缩试验采用早期塑性收缩试验方法，以试件开始出现裂缝和出现贯通裂缝的时间来表征，见图1。

图1 收缩试验的测试示意图

2 试验结果分析

2.1 力学性能试验

表6显示了立方体抗压强度和不同纤维含量再生混凝土的抗弯强度，图2和图3显示了抗压强度和纤维含量之间的关系以及弯曲应力强度和纤维含量之间的关系[14]。

如表6、图2、图3所示，在混凝土中加入玄武岩纤维，其再生混凝土立方体抗压强度和抗弯曲拉伸强度均得到提高[15]。随着玄武岩纤维的增加，再生混凝土的抗压强度有先变高后再下降的趋势[16]，当纤维添加量为0.15%时，力学性能最好。XZ-102 抗压强度较XZ-002 素混凝土增长了5.4%，抗弯拉强度增长了13.3%；XZ-152抗压强度较XZ-002 素混凝土增长了6.4%，抗弯拉强度增长了17.3%；而XZ-202抗压强度较XZ-002素再生混凝土仅增长了4.1%，抗弯拉强度增长了15.1%。如纤维掺量过大，不仅工程的困难度会加大，施工成本也会变高，再生混凝土本身的强度和刚性会进一步减少，再生混凝土的性能会下降。当纤维掺量为0.10%、0.15%时，综合力学性能更佳。

表6 力学性能试验结果（MPa）

图2 抗压强度与纤维掺量的变化关系图

图3 抗弯拉强度与纤维掺量的变化关系图

2.2 塑性收缩开裂性能试验

塑性收缩试验结果如表7所示。

表7 塑性收缩试验结果

不同纤维掺量下再生混凝土的初裂时间和贯通时间折线图如图4～图6所示。

图4 纤维再生混凝土开裂时间（1）

图6 纤维再生混凝土开裂时间（3）

由图4～图6可知，随着纤维掺量的增大，再生混凝土抵抗塑性开裂的能力逐渐增强。由图4可知，XZ-10的初裂时间较XZ-00 提高了27.3%，贯通时间提高了12.1%，XZ-50 的初裂时间较XZ-10 提高了7.7%，贯通时间提高了3.1%。由图5可知，XZ-12 的初裂时间较XZ-02 提高了19.1%，贯通时间提高了11.7%，XZ-52 的初裂时间较XZ-12提高了6.9%，贯通时间提高了8.2%。由图6可知，XZ-14的初裂时间较XZ-04提高了19.1%，贯通时间提高了12.9%，XZ-54的初裂时间较XZ-14提高了8.1%，贯通时间提高了7.7%。

图5 纤维再生混凝土开裂时间（2）

不同再生粗骨料掺量下再生混凝土的初裂时间和贯通时间折线图如图7～图9所示。

图7 开裂时间随再生粗骨料掺量的变化（4）

图9 开裂时间随再生粗骨料掺量的变化（6）

由图7～图9可知，再生水泥混凝土失水快，力学性能差，结构强度低，抗塑性裂缝能力弱。由图7可知，XZ-02的初裂时间较XZ-00 低11.7%，穿透时间低6.5%，XZ-04的初裂时间较XZ-02低8.9%，穿透时间低8.1%。由图8可知，XZ-12的初裂时间较XZ-10低8%，穿透时间低7.2%，XZ-14的初裂时间较XZ-12低8.3%，穿透时间低7.3%。由图9可知，XZ-52的初裂时间较XZ-50低9.6%，穿透时间低7.6%，XZ-54的初裂时间较XZ-52低8.1%，穿透时间低7%。

图8 开裂时间随再生粗骨料掺量的变化（5）

3 结论

与未掺玄武岩纤维再生混凝土相比，掺玄武岩纤维再生混凝土的力学性能得到了改善[20]。当纤维含量为0.15%时，再生混凝土的力学性能最好，说明高纤维含量并不利于再生混凝土力学性能的提高。随着再生混凝土玄武岩纤维掺量的增加，玄武岩纤维抗再生混凝土塑性裂缝的能力降低[21]。