磁化水钢纤维再生混凝土早期强度研究

丁亚红，陈 冰，武 军，张向岗，徐 平

(河南理工大学土木工程学院，焦作 454000)

0 引 言

随着新型城镇化建设以及现代综合交通运输体系发展规划深入推进，我国进入大规模建设基础设施时期，建筑材料尤其是混凝土用量剧增。巨量砂石骨料的需求必然消耗大量自然资源，进而造成骨料原生地生态环境破坏，不利于社会的可持续发展。因此如何有效解决巨量砂石需求和自然资源消耗问题，是当前中国面临的重大挑战。同时，由于建筑物、道路、桥梁等改扩建以及地震等自然灾害，每年会产生大量的建筑垃圾。目前我国绝大部分建筑垃圾未经任何处理，便被运往郊区露天堆放或填埋，不仅占用大量土地，而且对周边水资源、空气质量以及土壤造成严重的二次污染，建筑垃圾资源利用率不足10%，远远低于英国、日本、韩国等国家[1]。

再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)是将废弃混凝土经过二次破碎制成再生骨料，部分或者全部替代天然骨料制备的混凝土，实现了资源的再次利用，有显著的环保、经济和社会效益。但是再生骨料与天然骨料相比存在孔隙率高、吸水率大、强度低等缺陷，因此再生混凝土的基本力学性能和耐久性都普遍低于普通混凝土[2-3]。磁化水是近些年来发展的一门新技术，并且在农业增产、医疗杀菌、工业除垢等方面得到广泛应用[4-6],磁化水混凝土的推广对于我国节能减排具有非常重大的意义。李月光等[7]对磁化器的种类和磁化参数的选取以及磁化水的性质如何影响混凝土的力学性能和耐久性进行了总结；方江华等[8]将磁化水混凝土工程实际应用的技术问题做出了系统的总结和研究；费厚乾等[9]为改善混凝土脆性低，易开裂的缺点，对磁化水钢纤维混凝土进行力学试验与分析。

水在混凝土制备过程中必不可少，水的性质改变对水化反应有显著的影响，最终对混凝土的力学性能产生影响。普通水流经磁化器磁化后，其水分子结构的改变使得水分子表面张力和分子间的引力变小，使得更为活跃的单个游离水分子数目增加，单分子水的物理化学活性和渗透力较强，更容易进入水泥颗粒内部，加速水泥的水化反应，缩短水泥的反应时间，因此磁化水应用于普通混凝土的研究表明：磁化水能够提高水泥石与骨料的界面粘结力，从而提高混凝土的力学性能和抗渗性[10-12]。磁化水作用机理：若干单个水分子是通过氢键连接形成水分子团，水在常温下是以水分子团的形式存在的，根据分子运动角度分析，水分子团通过氢键的不断形成和断裂以此来保持动态平衡，此时水分子的表面张力是一定的，而水经过磁场的时候在洛伦兹力的作用下水分子团的氢键发生断裂，形成若干单个水分子，并且水分子之间的平均间距变大，表面张力降低，分子活性增强，与水泥的水化反应较未磁化的更加充分，水化产物较多并且颗粒更加细小，可以更好地填充骨料空隙，降低孔隙率提高混凝土的密实度和水化产物的胶结能力，从而提高抗压强度。而钢纤维具有抗拉强度高、延性好、耐疲劳性强等优异的物理性能，国内外学者将钢纤维加入再生混凝土进行研究发现，钢纤维能够有效提高再生混凝土的劈拉强度和延性[13]。目前磁化水应用于再生混凝土的研究未见涉及，为此，本文提出开展磁化水钢纤维再生混凝土立方体早期抗压强度和劈裂抗拉强度性能的试验研究，从宏观和微观两方面分析磁化水和钢纤维体积掺量对再生混凝土力学性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料

试验所用水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为细度模数为2.8的普通河沙；天然粗骨料为粒径10～20 mm碎石；再生粗骨料来源是河南理工大学铺设管道产生的废弃混凝土，经颚式破碎机二次破碎制得，粒径5～10 mm；磁化水为普通自来水经过磁化器磁化后的水，磁化器为永久磁化器，装置图如图1所示；钢纤维为端钩形，由上海真强钢纤维有限公司生产制造；采用聚羧酸高效减水剂，减水率为20%。钢纤维具体力学性能参数如表1所示,粗骨料物理性能指标如表2所示。

图1 磁化器装置图

表1 钢纤维力学性能参数

表2 粗骨料物理性能指标

1.2 试验设计

根据文献[14-15]的研究结果，选用水流速度为2.4 m/s,循环次数为10次，磁场强度分别为：0 mT、200 mT、260 mT、320 mT，钢纤维用体积掺量法分别为：0%、0.6%、1.2%，采用粒径5～10 mm的再生粗骨料和10～20 mm的天然粗骨料形成粒径5～20 mm的连续级配粗骨料；根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55—2011设计混凝土强度为C40，水灰比为0.37，砂率是34%,在此条件下进行混凝土配合比设计。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》 GB/T 50081—2019设计立方体试块抗压和劈裂抗拉试验，试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块进行试验，抗压试验折算系数为0.95，每组试块数量为3个，劈裂抗拉试验折算系数为0.85，每组试块数量为3个，共16组96个试块，在标准条件下养护7 d，具体试块编号和混凝土配合比设计如表3所示。其中以M200-SF1.2-R为例，表示磁场强度200 mT和1.2%体积掺量下的钢纤维磁化水再生混凝土。

表3 混凝土配合比设计

2 结果与讨论

2.1 破坏过程与形态

图2依次为磁化水普通混凝土、磁化水再生混凝土、0.6%钢纤维磁化水再生混凝土、1.2%钢纤维磁化水再生混凝土四组立方体试块抗压破坏形态。由图2可知，再生混凝土和普通混凝土的受压破坏属于典型的脆性破坏，试块外观完整度比较差，四周出现大面积破碎颗粒的脱落，破坏的同时伴有巨大声响，受压过程中裂缝发展比较快，而加入钢纤维的再生混凝土试块在受压过程中裂缝发展相对普通混凝土较慢，破坏时产生的声音比较沉闷细小，破坏后表面脱落的破碎颗粒较少，仍然能够保持试块的完整性，明显改变了试块的破坏形态。这是由于钢纤维的桥接作用降低了裂缝的发展速度，减小了再生混凝土的损伤破坏程度，提高了再生混凝土抵抗变形的能力。

图3依次为磁化水普通混凝土、磁化水再生混凝土、磁化水再生混凝土试块一分为二、0.6%钢纤维磁化水再生混凝土、1.2%钢纤维磁化水再生混凝土五组试块劈裂抗拉破坏形态。

图2 混凝土试块的受压破坏形态

图3 混凝土试块的受拉破坏形态

由图3可知，普通混凝土和再生混凝土受到劈拉破坏时会产生一条从上而下贯穿的主裂缝，使试块沿着裂缝方向一分为二，试块破坏时会发出脆裂的声音，并且其周围分布细裂缝较少，试块四周没有明显的颗粒剥落；加入钢纤维的再生混凝土试块在劈裂破坏的过程中,试块破坏产生的声音较普通混凝土小，无明显的脆裂声，主裂缝产生较大宽度，但试块仍然保持完整，试块四周分布的细小裂缝数量较多。由于钢纤维的桥接作用有效抑制了试块脆性破坏，使荷载产生的破坏向试块的四周发展，产生较多的裂缝，端钩形钢纤维本身具有抗拉性能，因此在试块受到荷载破坏时依然能够保持其完整性。

混凝土试块标准养护7 d后进行力学性能试验，每组试块及对应强度的试验结果表4所示。

表4 混凝土试块7 d强度试验结果

2.2 抗压强度试验

根据表4数据绘制不同磁场强度下对混凝土试块7 d抗压强度影响的关系，如图4所示。其中N代表普通混凝土，R代表再生混凝土，SF0.6(1.2)-R代表钢纤维掺量为0.6%(1.2%)的再生混凝土。根据图4可知，对于普通混凝土，随着磁场强度的增加，相应磁场强度制备的磁化水拌制混凝土试块7 d抗压强度是逐渐递增的，当磁场强度为320 mT时,磁化水拌制的混凝土试块抗压强度较普通水拌制的试块增加了8%；对于再生混凝土，随着磁场强度的增加，磁场强度在0～200 mT范围内立方体抗压强度增加，增幅为15%，磁场强度在200～260 mT范围内，立方体抗压强度减小，降幅是16%，磁场强度在260～320 mT范围内，立方体抗压强度增加，增幅为20%。钢纤维强度高、延性好等物理性能具有提升混凝土强度的效果，所以加入钢纤维的试块强度与未加入的相比有较大提升：对于钢纤维掺量为0.6%的再生混凝土，随着磁场强度的增加，试块的7 d抗压强度变化的趋势是先增后减，磁场强度在0～200 mT范围内立方体抗压强度是增加的，增幅约为6%，200～260 mT范围内，抗压强度也是上升的，增幅约为13%，260～320 mT范围内强度则是降低的，降幅约为12%；对于1.2%钢纤维掺量的再生混凝土，随着磁场强度的增加，试块的7 d抗压强度同样呈现出先增后减的趋势，磁场强度在0～200 mT范围内，抗压强度是增加的，增幅约为5%，与0.6%钢纤维掺量再生混凝土不同的是，200～260 mT范围内，立方体抗压强度则是下降的，降幅约为11%，260～320 mT范围内，立方体抗压强度则是继续下降，降幅约为20%。

从图4中可以看出，1.2%和0.6%钢纤维再生混凝土试块两者的7 d抗压强度随着磁场强度的变化规律相似，均呈先增后降的趋势。这是因为与普通混凝土相比，钢纤维的加入使得纤维与混凝土形成界面薄弱层[16]，水在磁化过程中存在最佳磁场强度，在不超过最佳磁场范围内的水分子活性较强[12]，在最佳磁场强度下水分子活性较强，此时水化产物提供的界面粘结力能够弥补薄弱层，试块抗压强度在掺入适量钢纤维时会大幅提升，但随着磁场强度的增加，超过最佳磁场范围后，此时水分子的活性逐渐减弱，水化产物提供的界面粘结力不足使试块抗压强度降低。不同试验的配合比以及材料的不同，因此相同的磁场范围也会有些差异，试验中钢纤维掺量的不同使得磁化水的作用效果不同，试验结果表明，当钢纤维掺量为1.2%、磁场强度为200 mT时磁化水在混凝土中作用效果较好，当钢纤维掺量为0.6%、磁场强度为260 mT时混凝土立方体试块的抗压强度较优。

而未加钢纤维的再生混凝土试块7 d抗压强度随着磁场强度的增加呈现出上下波动的变化，原因是水分子流经磁场时同时存在氢键的形成和断裂，磁化过程当中二者出现的概率交替变化，磁化水活性的增强取决于氢键形成和断裂的强弱程度以及磁场对氢键断裂形成的磁化程度，若磁化效果不好，此时水化产物无法较好地填充再生骨料的空隙，使混凝土密实度不高，具有一定的随机性[17]，因此导致了未加钢纤维再生混凝土在260 mT磁场强度出现强度降低的现象。

图4 混凝土试块的7 d抗压强度

图5 混凝土试块的7 d劈裂抗拉强度

2.3 劈裂抗拉强度试验

根据劈裂抗拉强度试验结果绘制曲线如图5所示。由图5可见，对于普通混凝土和再生混凝土，随着磁场强度的增加，混凝土试块的早期劈裂抗拉强度均有不同程度提升，但增幅较小。加入钢纤维的再生混凝土与未加入相比，试块的早期劈裂抗拉强度有了较高提升，最高增幅达到30%，其中0.6%和1.2%钢纤维掺量的混凝土劈裂抗拉强度均在260 mT磁场强度时达到最大。结果表明，钢纤维掺量为1.2%、磁场强度为260 mT时再生混凝土试块的劈裂抗拉强度较优。

普通混凝土和再生混凝土随着磁场强度的增强试块劈裂抗拉强度得到提升，但增幅不大，这是由于磁化水主要是通过提高水分子的活性来促进水泥的水化反应，产生的水化产物更加细小，能够较好地填充骨料孔隙，提高混凝土的密实程度，但水化产物的界面粘结力有限，不能很好地抵抗劈拉荷载，因此其劈裂抗拉强度没有明显的提高。对于加入了0.6%和1.2%钢纤维掺量的再生混凝土试块，其劈裂抗拉强度随着纤维掺入量的增加有明显提升，这是因为端钩形钢纤维具有抗拉性，能够较好地抵抗外部荷载，有效抑制了裂缝的产生，从而提高了试块的劈裂抗拉强度[10]。对于钢纤维再生混凝土,随着磁场强度的增加其劈裂抗拉强度呈现出的变化规律，根据相关研究可知[9，13]，这是由于钢纤维的掺入使得混凝土与纤维存在界面过渡区，当磁化水的磁场强度在最佳范围内，水分子的活性较强，水化产物提供的界面粘结力能够弥补界面过渡区时，则该磁场强度下的劈裂抗拉强度得到提升。当超过最佳磁场强度时水分子的活性降低，提供的界面粘结力不足以很好地弥补过渡区，则试块强度呈下降趋势，因此在260 mT的磁场强度下0.6%和1.2%的钢纤维掺量的试块劈裂抗拉强度达到最大。

3 磁化水再生混凝土微观结构与机理分析

为了进一步分析磁化水对再生混凝土的力学性能增强机理，取260 mT磁场强度和未磁化的再生混凝土试块进行微观结构和机理分析。

图6(a)、(b)分别为普通水再生混凝土和磁化水再生混凝土水泥石基体微观结构的SEM照片。从图中可以看出，普通水拌制的再生混凝土水泥石浆体表面分布的孔隙、凹陷以及裂纹较多，水化产物中的氢氧化钙晶体分布较为松散，晶体层之间的空隙较大；磁化水再生混凝土的水泥石浆体表面则较为平整密实，表面的孔隙率与未磁化相比有明显改善，水化产物的板状氢氧化钙晶体较多，且分布较为均匀密实，晶体层之间的空隙较小，说明磁化水可以促进水泥的水化反应，并且使反应更加充分，产物更加细小，分布更加均匀，不仅优化了微观结构，还能更好地填补混凝土孔隙率，提高密实度。

图7(a)、(b)分别为普通水再生混凝土和磁化水再生混凝土水泥石界面微观结构的SEM照片，图中可以看出，普通再生混凝土的界面过渡区域分布的水化产物颗粒尺寸较大，孔隙较多，对于过渡区的填充效果不好，密实度较差；磁化水再生混凝土的界面过渡区水化产物的填充效果较好，界面间的空隙较小，水泥的水化产物颗粒更加细小，在过渡区之间分布更加均匀密实，提升了骨料与水泥浆体之间的粘结力，因此提高了力学性能。

图6 水泥石基体微观结构(2 000×)

图7 骨料界面的微观结构(2 000×)

4 结 论

(1)磁化水对于再生混凝土的7 d立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均有提升，磁场强度在320 mT时抗压强度较好，劈裂抗拉强度则增幅较小。

(2)磁化水可以提高再生混凝土的早期强度，对于破坏形态则无明显改变。普通水拌制的再生混凝土整体较为松散、不密实，磁化水可以使水化产物分布均匀密实，填补孔隙，明显优化混凝土微观结构。

(3)钢纤维可以提高再生混凝土的早期强度，对于再生混凝土的破坏形态也有明显改善。钢纤维掺量为0.6%时，再生混凝土立方体试块的抗压强度较优，钢纤维掺量为1.2%时，再生混凝土试块的劈裂抗拉强度较优。