纤维增强活性矿物料改性RAC力学性能及微观机理研究

张海军

(黄淮学院建筑工程学院 河南 驻马店 463000)

0 引言

再生混凝土(RAC)作为一种新型节能环保型材料，它是将建筑垃圾中的废弃混凝土经过回收、破碎、清洗、分级等一系列工序，加工成再生骨料，然后与天然骨料以不同比例拌和而成[1]。但是，由于再生骨料表面粗糙、孔隙多、附着旧砂浆等一系列缺陷，使得再生混凝土强度和相比于普通混凝土低[2-4]。这让再生混凝土的使用受到限制。

为了使再生混凝土得到更好应用，满足材料强度和韧性要求。国内外学者对再生混凝土性能增强方法进行大量研究。目前，通过纤维和活性矿物料使再生混凝土性能增强的研究较为广泛。李恒等人[5]对掺入矿渣、硅灰和粉煤灰的再生混凝土进行研究，研究发现粉煤灰-硅灰复掺对再生混凝土力学性能提升效果较好。Awoyera P O等人[6]研究发现再生骨料替代率20%基础上掺入定量偏高岭土具有较高的强度。刘康宁等人[7]通过单掺和复掺粉煤灰和硅灰对再生混凝土进行了性能增强试验研究。而对于纤维增强的再生混凝土的研究，王大光等人[8]研究发现混凝土中添加钢纤维可以有效抑制裂纹扩展程度，提高抗拉强度，偏高岭土细颗粒填料可以与氢氧化钙结合,进而提高混凝土的耐久性和抗压强度。陆虓等人[9]研究发现，再生骨料含量和纤维降低了混凝土工作性能和抗压强度，而纤维掺入对抗弯强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的提升,纤维含量越多,提升作用越显著。董腾等人[10]研究发现，玄武岩纤维可以有效改善RAC力学性能，但是过量纤维的掺入使得纤维分布不均匀，反而导致RAC力学性能降低。周航等人[11]采用正交试验法研究再生粗骨料掺量、橡胶粒径、橡胶掺量和玄武岩纤维掺量对混凝土拌合物性质及力学性能的影响规律；孙呈凯等人[12]对再生骨料进行一次改性、二次改性，用改性后再生粗骨料制备PVA纤维再生混凝土，对比不同改性再生混凝土的力学性能。黄军福等人[13]研究了纤维的掺加量、长度和分散剂对其在透水混凝土中的分散性及透水混凝土性能的影响规律，结果表明: PVA纤维掺加量和长度对分散效果影响显著,对力学性能改善较为明显。

因此，为了改善再生混凝土强度和延性，本文共计设计了16组配合比，研究了纤维和偏高岭土复合作用下再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压强度与劈裂抗拉强度关系，最后，通过X射线衍射(XRD)分析，对宏观力学性能改善进行解释。

1 试验状况

1.1 试验材料

本次试验所用的胶凝材料由强度等级为 P·O 42.5R的秦岭牌普通硅酸盐水泥和偏高岭土组成，两种材料矿物化学成分如表1所示。

表1 偏高岭土和水泥化学成分

粗骨料由天然碎石和再生骨料两部分组成，其中再生骨料是由陕西建新环保科技发展有限公司提供的城中村拆迁后再经过破碎、筛分、清洗的废旧混凝土骨料，通过人工将其夹杂在其中的玻璃、瓦砾、塑料、杂草等进行清除。细骨料为浐河河砂，经测试骨料物理性指标如表2所示。

表2 骨料物理性能指标

试验所用纤维分别为PVA纤维、玄武岩纤维，两种纤维的各项性能指标如表3所示。

表3 纤维各项指标

1.2 试验配合比

本次试验参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，选择再生骨料替代率30%，水胶比为0.35，分别设计了OPC组(偏高岭土取代水泥量为0%)；偏高岭土取代水泥量依次为5%、10%、15%、20%、25%的RM组； 在RM组的基础上掺入1.3%(占胶凝材料的比例)PVA纤维的RM-PF组和掺入1.3%玄武岩纤维的RM-BF组；共计16组。其中每立方米中胶凝材料550 kg、砂656 kg、天然骨料772 kg、再生骨料331 kg、水193 kg。为了避免由于再生粗骨料吸水率高导致工作性能差等问题，采用附加水进行补偿，使拌和后的再生混凝土坍落度保持在70～90 mm范围内。具体配合比设计如表4所示。

表4 试验配合比(单位：kg/m3)

续表4 试验配合比(单位：kg/m3)

1.3 试块制备与测试

本次试验将每组配合比所需的集料和胶凝材料放入实验室双卧轴搅拌机搅拌2 min，然后加入纤维和水搅拌3 min，其中纤维采用分散慢加，避免团聚。最后将拌合物放入磨具并在振动台上振捣，在实验室条件下静置24 h后脱模，将试验放入温度为(20±2) ℃，相对湿度95%以上的标准养护箱养护28 d。根据 GB/T 50081—2003《普通混凝土力学性能试验方法标准》、CESC 13-2009《纤维混凝土试验方法标准》，通过更换夹头，在MTS微机控制电液伺服万能试验机对100 mm×100 mm×100 mm的试块测试立方抗压强度和劈裂抗拉强度。

2 试验结果与讨论

2.1 立方体抗压强度

立方体试块经28 d标准养护后，各配合比抗压强度由图1所示。

图1 抗压强度对比分析

从图1可以看出，OPC组抗压强度最低，主要由于再生骨料存在微裂纹以及表面附着的旧砂浆等缺陷，使得再生混凝土内部形成薄弱区，这些薄弱区在受应力时容易引发裂纹，最终形成贯穿裂缝，导致抗压强度降低。在RM组中，当水泥被偏高岭土以5%、10%、15%、20%、25%取代时，再生混凝土抗压强度相比于OPC组分别提高了15.93%、21.89%、24.59%、23.71%、20.82%，可以看出偏高岭土对抗压强度有正向影响。此外，在偏高岭土取代率15%时，对再生混凝土抗压强度增强效果最明显，而大于15%后对抗压强度增强效果呈现减小趋势。上述分析说明，当偏高岭土取代水泥量在合理范围内时，偏高岭土内部活性SiO2能充分与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，生成大量C-S-H凝胶，填充RAC内部新老砂浆界处微裂缝和孔隙，可有效改善新老砂浆界面结合力，使得偏高岭土对抗压强度增强效果呈增长趋势。但是，当偏高岭土取代水泥的量超过一定范围后，由于水泥被大量取代，水泥熟料稀释，水化产物中的Ca(OH)2含量也相应减少，二次水化后生成额外C-S-H凝胶量减小，对抗压强度增强效果开始呈现减小趋势。

从图1还可以看出，偏高岭土取代率为: 5%、10%、15%、20%、25%时，分别掺入一元PVA纤维和一元玄武岩纤维，RM-PF组抗压强度相比于RM组分别增加了11.54%、11.36%、18.74%、10.44%、10.18%；RM-BF组抗压强度相比于RM组分别增加了6.97%、1.02%、12.78%、3.24%、8.13%。其中，偏高岭土取代率15%时，RM15-PF和RM15-BF相比于RM15增强效果最明显。这主要是因为掺入的纤维乱向分布于再生混凝土内部，与凝胶相互包裹在一起，形成空间网格体系，并且这种网格体系随着再生混凝土内部C-S-H胶凝的量增加而越牢固稳定，在加载过程中，能够有效消耗加载过程中的能量，使得强度提高。另外，发现掺入PVA纤维对抗压强度增强效果高于玄武岩纤维，这是由于PVA纤维强度和亲水性均高于玄武岩纤维，不容易团聚所致。

2.2 立方体劈裂抗拉强度强度

立方体试块各配合比劈裂抗拉强度由图2所示，从图2可以看出，OPC组劈裂抗拉强度为2.56 MPa，而偏高岭土以不同比例取代水泥后，劈裂抗拉强度显著增强，其中，RM组劈裂抗拉强度相比于OPC组提升了12.29%～21.97%，并且偏高岭土取代率15%时，RM15劈裂抗拉强度为3.28 MPa，达到最大值。这种增加主要归因于偏高岭土的火山灰效应改善了界面过渡区存在贯穿裂缝、连通孔和微孔，提高了基体内部密实度。此外，偏高岭土取代率小于15%时，RM5、RM10、RM15劈裂抗拉强度随着取代率增加呈增长趋势，而偏高岭土取代率大于15%后，RM20和RM25劈裂抗拉强度呈现减小趋势。如前所述，主要由于水泥熟料稀释效应造成。

图2 劈裂抗拉强度对比分析

从图2还可以看出，在RM组中分别掺入一元PVA纤维和一元玄武岩纤维，由于纤维桥联阻裂效应存在，RM-PF组和RM-BF组劈裂抗拉强度明显高于RM组。偏高岭土取代率15%时，RM15-PF和RM15-BF劈裂抗拉强度相比于RM15分别增加了25.13%和20.30%，增强效果最明显，而偏高岭土取代率大于15%后，RM20-PF和RM25-PF劈裂抗拉强度呈现减小趋势，这主要是由于在偏高领土取代率15%时，再生混凝土内部生成额外C-S-H凝胶量最多，这些凝胶包裹着纤维，与纤维之间有良好粘结性。而随着偏高岭土取代率大于15%后，由于水泥熟料稀释效应，再生混凝土内部C-S-H凝胶量减少，导致凝胶与纤维之间粘结性能下降，劈裂抗拉强度也随之下降，这一趋势与抗压强度变化趋势一致。

综上所述，掺入纤维的RM-BF组和RM-PF组对劈裂抗拉强度和抗折强度增强效果优于抗压强度。从力学性能角度来看，RM15-PF力学性能最优，其次是RM15-BF。

2.3 抗压强度与劈裂抗拉强度相互关系

混凝土抗压强度fcu和劈裂抗拉强度fsts之间的关系可以用公式(1)表示。因此，本文通过非线性最小二乘法对立方体抗压强度和劈裂抗拉间的关系进行了拟合，提出了一对常数，即a=0.143和b=0.83，如图3和公式(2)所示。由图3可知，本文拟合的计算值和公式(2)的计算与实测试验值相对吻合较好。

(1)

(2)

图3 抗压强度与劈裂抗拉强度关系

2.4 XRD物相分析

结合各偏高领土取代率下再生混凝土力学性能试验结果，取OPC和RM组(RM5、RM10、RM15、RM20、RM25)再生混凝土样品进行XRD水化产物的物相分析试验，可以了解偏高岭土的强度作用机理，试验结果如图4所示。从图4各XRD图谱可以看出，水化产物的晶体物相主要包括：Quartz、Portlandite、Alite、Belite、Calcicium Silicate Hydrate。对比发现，随着偏高岭土取代率的增加，试样中Ca(OH)2的衍射峰值在降低，并且偏高岭土取代率大于15%后，试样中Ca(OH)2的衍射峰值很弱。这一方面是因为Ca(OH)2的形成主要是水泥熟料的Alite和Belite水化，而偏高岭土取代水泥后，水泥量减少，使得熟料Alite和Belite也相应减少，另一方面是因为偏高岭土内部活性SiO2与Ca(OH)2发生火山灰反应生成C-S-H凝胶，这也是Ca(OH)2消耗的主要原因。此外，对比各XRD图谱中C-S-H衍射峰值发现，偏高岭土取代水泥后, C-S-H衍射峰值明显增加，其中RM15的C-S-H衍射峰值最明显，这说明偏高岭土取代取15%时火山灰反应生成C-S-H凝胶最多，对再生混凝土内部缺陷改善效果明显，这一结果与相应宏观力学性能表现一致。

图4 XRD图谱

3 结论

(1)偏高岭土取代率分别为：5%、10%、15%、20%、25%，RM组中再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、均有所提升。并且，力学性能增强效果随着偏高岭土取代率增加呈现先增加后减小趋势。

(2)在RM组中分别掺入PVA纤维和玄武岩纤维后，RM-PF组和RM-BF组再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、相比于RM组进一步提升。在偏高岭土取代率15%时，RM15-PF和RM15-BF性能最好。

(3)通过非线性最小二乘拟合，建立了混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度之间的关系。

(4)通过对样品进行XRD微观分析，相比于OPC，随着偏高领土取代率增加，RM组再生混凝土内部Ca(OH)2含量在减小，表明Ca(OH)2偏高岭土内部活性SiO2发生二次水化反应，生成额外C-S-H凝胶，从而提高强度。