钢纤维-玄武岩纤维混杂对再生混凝土抗冻性能的影响

侯晋杰，贾迎泽，赵强

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 前 言

纤维增强高性能混凝土是近年来研究的热点，纤维对混凝土基本力学性能、耐久性能以及长期性能均有一定的积极影响[1-3]。目前关于单一纤维对混凝土的研究已经做了大量的工作，但随着研究的深入，多个学者发现单一纤维对优化混凝土性能有一定的局限性，不同纤维性能优势互补更加符合复合材料增强理论[4-6]。有研究表明[7]，钢纤维具有阻止混凝土基体裂缝发展的作用，从而使混凝土的抗拉、抗剪、抗冲击、韧性、耐久性能得到提高；当钢纤维体积掺量为1%～2%时，抗拉强度提高了27%～52%，抗剪强度提高了45%～90%[8-9]。而玄武岩纤维对混凝土具有阻裂、增韧的效果，尤其对混凝土早期抗开裂作用，可以极大地减少混凝土早期裂缝出现，进而提高混凝土基体的密实性，增强混凝土的抗冻性能[10-11]。因此本文在保证钢纤维提高再生混凝土基本力学性能基础上，研究玄武岩纤维对钢纤维再生混凝土抗冻性能的影响，充分发挥不同纤维的性能优势。并从理论上揭示混杂纤维增强再生混凝土的耐久性机理，促进混杂纤维再生混凝土在实际工程中的应用。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：太原狮牌P·O42.5 水泥；硅灰：四川某硅粉厂生产，比表面积18 954 m2/kg，烧失量2.28%；河砂：太原某砂厂提供，细度模数2.37，表观密度2700 kg/m3，吸水率3.6%，含泥量1.4%，粒径0.075～4.75 mm；天然粗骨料(NCA)：太原某砂石厂提供，粒径5～20 mm 的碎石，表观密度2470 kg/m3，压碎指标13.1%；再生粗骨料(RCA)：某小区废旧混凝土梁经颚式破碎机破碎、筛分、清洗组配后得到，符合GB 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中5～20 mm 连续级配要求，压碎指标14.48%；聚羧酸减水剂(PC)：减水率35%～40%，固含量40%；水：自来水；钢纤维(SF)：太原某钢纤维厂生产，断面呈矩形，纵向为扭曲状；玄武岩纤维(BF)：大同某玄武岩纤维厂生产，2 种纤维的技术性能见表1。

表1 钢纤维和玄武岩纤维的技术性能

1.2 配合比设计

本文主要考虑纤维种类和掺量对再生混凝土抗冻性能的影响，在再生混凝土配合比的基础上，根据单一变量原则调整各成分变量，最终确定配合比。本研究中再生粗骨料等体积取代50%天然粗骨料，钢纤维体积掺量分别为0、1%、2%，玄武岩纤维体积掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%，再生混凝土的具体配合比见表2。

表2 再生混凝土的配合比

1.3 试验方法

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行冻融循环试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm；抗压强度试件尺寸为 100 mm×100 mm×100 mm。采用混凝土快速冻融试验机进行试验，经在水中冻融循环 0、50、100、150、200 次后，测试混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度来表征试件的抗冻性。

2 试验结果与分析

2.1 纤维增强再生混凝土冻融后的质量损失率

单掺钢纤维、玄武岩纤维以及2 种纤维复掺再生混凝土不同冻融循环次数后的质量损失率见图1。

图1 纤维增强再生混凝土不同冻融循环次数后的质量损失率

由图1 可见，随着冻融循环次数的逐渐增加，未掺纤维的普通再生混凝土、钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的质量损失均逐渐增大。在经历50 次冻融循环时，单掺1%、2%钢纤维的再生混凝土质量损失率较普通再生混凝土分别降低了37.1%、67.8%；单掺0.1%、0.2%、0.3%玄武岩纤维的再生混凝土质量损失率较普通再生混凝土分别降低了24.1%、36.2%、37.3%；复掺钢纤维和玄武岩纤维再生混凝土的质量损失率较普通再生混凝土平均降低了76.8%。随着冻融循环次数的增加，试件表面裂缝逐渐增多，冻融损伤不断增加，质量损失率也开始增大。经历150 次冻融循环后，未掺纤维的再生混凝土表面疏松、石子外露、砂浆大面积脱落，轻微触碰即成松散状态；而掺入钢纤维和玄武岩纤维可有效抑制再生混凝土表面的剥蚀作用，表面无贯穿裂缝，仍具有一定抗压强度，试件完整性较好，与普通再生混凝土相比，钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的质量损失率分别平均降低了57.1%、23.6%、62.6%。经历200 次冻融循环后，钢纤维再生混凝土、钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的质量损失率最低分别为2.93%、2.67%。复掺0.2%BF+2%SF 的再生混凝土性能较优，250 次冻融循环后质量损失率为3.78%。掺入纤维的再生混凝土试件质量损失率较普通再生混凝土更低，且混杂纤维对降低再生混凝土质量损失率较单一纤维效果更加明显。这是因为，钢纤维与玄武岩纤维在再生混凝土基体内部形成网构骨架，能有效降低骨料以及砂浆的损失。

2.2 纤维增强再生混凝土冻融后的相对动弹性模量

单掺钢纤维、玄武岩纤维以及2 种纤维复掺再生混凝土不同冻融循环次数后的相对动弹性模量见图2。

图2 纤维增强再生混凝土不同冻融循环次数后的相对动弹性模量

由图2 可见，随着冻融循环次数的增加，未掺纤维的普通再生混凝土、钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的相对动弹性模量均逐渐减小，且普通再生混凝土的减小速率最快。150 次冻融循环时，钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的相对动弹性模量平均值分别为82.60%、81.07%、83.88%；200 次冻融循环后，各组混凝土的相对动弹性模量平均值分别为72.83%、69.87%、66.10%。经历250 次冻融循环时，各组试件相对动弹性模量由大到小的顺序 为 RACS2B0.3＞RACS2B0.2＞RACS1B0.3＞RACS2B0.1＞RACS1B0.2＞RACS1B0.1＞RACS2＞RACB0.3＞RACS1＞RACB0.2＞RACB0.1＞RAC。可以看出，掺入纤维可以减缓冻融后再生混凝土相对动弹性模量下降的速率，混杂纤维的作用效果更明显。因为纤维发挥了阻裂、增强的作用，能有效降低了微裂缝的发展，增加混凝土的密实性，从而改善了再生混凝土的抗冻性能。复掺0.2%BF+2%SF 的再生混凝土经250 次冻融循环后相对动弹性模量为66.82%。

2.3 纤维增强再生混凝土冻融后的抗压强度

单掺钢纤维、玄武岩纤维以及2 种纤维复掺再生混凝土不同冻融循环次数后的抗压强度见图3。

图3 纤维增强再生混凝土不同冻融循环次数后的抗压强度

由图3 可知，随着冻融循环次数的增加，冻融损伤不断增强，试件的抗压强度均逐渐降低。0 次冻融循环时，与未掺纤维的普通再生混凝土相比，钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的抗压强度分别平均提高了24.5%、12.9%、35.6%。经历100 次冻融循环后，未掺纤维的再生混凝土试件表面疏松、石子外露、砂浆大面积脱落；而掺入钢纤维和玄武岩纤维的再生混凝土表面无贯穿裂缝，仍具有一定抗压强度，试块完整性较好。与未经冻融循环时相比，普通再生混凝土、钢纤维再生混凝土、玄武岩纤维再生混凝土以及钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的抗压强度分别降低了40.1%、26.6%、28.2%、24.8%。复掺0.2%BF+2%SF的再生混凝土性经250 次冻融循环后抗压强度为25.92 MPa。相对于普通再生混凝土，掺入纤维的混凝土试件强度损失率更低，分析其原因，纤维在混凝土基体中形成类似钢筋骨架的支撑作用，能够抑制再生混凝土内部的微裂缝、孔隙和缺陷的产生和发展，极大地减弱了试件内部的应力集中，从而对减弱了冻融破坏的损伤，起到了增强作用。

3 结 论

(1)掺钢纤维、玄武岩纤维纤维的再生混凝土质量损失率、相对动弹性模量、立方体抗压强度均优于未掺纤维的普通再生混凝土。

(2)经冻融循环后，钢纤维-玄武岩纤维再生混凝土的质量损失率更小、相对动弹性模量更大、立方体抗压强度更高，即掺混杂纤维的再生混凝土抗冻性优于单掺纤维再生混凝土的抗冻性。

(3)按玄武岩纤维0.2%、钢纤维2%复掺时再生混凝土的性能较优，250 次冻融循环后质量损失率为2.78%，相对动弹性模量为66.82%，抗压强度为25.92 MPa。