玄武岩纤维再生混凝土的轴心抗压性能研究

边昊博,刘元珍,白睿奇,郭耀东

(太原理工大学 土木工程学院,山西 太原 030024)

随着建筑垃圾资源化的提出,以建筑垃圾作为骨料的再生混凝土成为近年来国内外学者研究的热点[1]。根据大量的研究可知,以建筑垃圾作为原材料制成的再生粗骨料表面粗糙,且残留有旧水泥浆,同时在破碎过程中产生了许多微裂缝,导致再生骨料相较于天然骨料具有强度等级低、孔隙率高等缺陷,这些缺陷直接影响了再生混凝土的力学性能[2-5]。文献[6-10]研究发现再生混凝土立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉的破坏形态和普通混凝土基本一致,立方体抗压强度和轴心抗压强度随着再生骨料取代率的增加而降低;文献[11]研究发现再生骨料的掺入使得混凝土轴心抗压强度降低5%～11%。为了改善再生粗骨料所造成的不良影响,研究人员相继提出了不同的改善方法。其中一种较好的方法是将纤维掺入再生混凝土中,利用其良好的增强增韧性能来改善再生混凝土的力学性能[12-13]。

玄武岩纤维(basalt fiber,BF)作为一种新型绿色混凝土增强材料,具有良好的综合性能,且相较于其他纤维,其造价成本更低。玄武岩纤维对于再生混凝土的力学性能有一定的积极作用,文献[14]研究得出,当玄武岩纤维长度为12 mm、掺量为0.3%时，再生混凝土的抗压效果最佳;文献[15]研究发现,再生粗骨料取代率为0时,再生混凝土轴心抗压强度在玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时最高,但对取代率为50%和100%的再生混凝土来说,4 kg/m3为纤维最佳掺量。为了更深入了解玄武岩纤维对再生混凝土力学性能的影响,为模拟分析和后续构件力学性能研究提供基础数据,本文以掺入玄武岩纤维作为改善再生混凝土性能的手段,分析再生粗骨料取代率和玄武岩纤维掺量对混凝土轴心抗压强度的影响,并建立在不同再生粗骨料取代率下轴心抗压强度与玄武岩纤维掺量之间的函数关系。

1 试验设计

1.1 试验材料

本试验的胶凝材料选用P·O 42.5的普通硅酸盐水泥和硅灰,细骨料及天然粗骨料分别选用天然河砂和碎石,同时选用粒径大小为4.75～20.00 mm的再生粗骨料,骨料的物理指标见表1所列。

表1 骨料的物理指标

玄武岩纤维物理性能如下:长度为18 mm,密度为2 650 kg/m3,拉伸强度为3 800～4 840 MPa,弹性模量为79.3～93.1 GPa,断裂伸长率为3.1%,纤维直径为15 μm。选用高性能聚羧酸减水剂作为试验用减水剂,其减水率为35%～40%,实验用水为自来水。

1.2 配合比及试验方法

本文以强度等级为C35的再生混凝土为基础,通过调整各成分用量来确定试验所需的各种配合比。依据JGJ/T 221—2010和JGJ 55—2011中的配合比设计方法,并在课题组对再生混凝土的研究成果基础上,确定本文的配合比具体如下:水泥、粗骨料、砂、水、硅灰、减水剂均为363.0、1 211.0、682.0、196.0、27.0、1.5 kg/m3;水灰比为0.5;砂率为36.03%。

采用等体积取代法将再生粗骨料取代天然粗骨料,本文再生粗骨料取代率设计为0、50%、100%。同时在配合比不变的基础上,采用纤维体积率法,直接将纤维掺入混凝土拌合物中,本文中的玄武岩纤维掺量设计为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

本试验方法按照GB/T 50081—2019进行,所用试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm,每组3个,共12组。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果分析

取每组配合比下3个试件轴心抗压强度的平均值作为试件的压力值,其试验结果见表2所列。

表2 不同试件的轴心抗压强度和提高率

2.1.1 再生粗骨料的影响

由表2可知,混凝土轴心抗压强度随再生粗骨料取代率的提高整体呈下降的趋势,其中,当取代率为50%时,轴心抗压强度降低率的平均值为1.85%;当取代率为100%时,其降低率的平均值为8.80%。

这是由于再生粗骨料表面残留有部分旧水泥砂浆,再生粗骨料与新水泥浆的接触面积减小,使得混凝土内部各组分之间的黏结力降低。此外再生粗骨料在破碎过程中还会受到机械力的作用,会产生微小裂缝,当试件承受荷载时,骨料的微裂缝会进一步扩展连通,导致试件的承载力下降。综上所述,再生粗骨料对混凝土的轴心抗压强度有不利影响。

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从表2可以看出，BFRAC50-0.3试验组试件的轴心抗压强度略高于BFNC-0.3,这可能是再生粗骨料质量差异性较大导致的,部分再生粗骨料上附着的旧水泥砂浆较少,使此部分骨料强度高于普通骨料,从而导致混凝土的轴心抗压强度略有提升[16]。现有研究也表明，再生混凝土的抗压强度高于普通混凝土,主要原因如下:再生粗骨料能够与新拌水泥浆很好的融合,且两者之间可能会发生化学反应;再生粗骨料吸水率高,搅拌后可以吸收多余水分,降低混凝土拌合物的有效水灰比[17]。

2.1.2 玄武岩纤维的影响

在相同再生粗骨料取代率的情况下,玄武岩纤维掺量对混凝土轴心抗压强度的影响如图1所示。

图1 玄武岩纤维掺量对轴心抗压强度的影响

从图1可以看出,混凝土轴心抗压强度随着玄武岩纤维的掺量呈先增加后下降的趋势,且当玄武岩纤维掺量为0.1%时,轴心抗压强度的提升效果最明显。其中,再生粗骨料取代率为100%、玄武岩纤维掺量为0.1%的试验组中,轴心抗压强度提高率最大,达到了6.32%。

因此,合适的玄武岩纤维掺量对再生混凝土有一定的增强作用,主要原因如下:

(1) 玄武岩纤维有着较高的弹性模量和抗拉强度,掺入混凝土中的纤维相当于乱向分布的细小钢筋,承担了裂缝处较多的拉力,当受到荷载作用时,纤维自身的断裂和拔出都会消耗一定的能量,从而减缓了裂缝的延伸,提高了混凝土的轴心抗压强度。

(2) 玄武岩纤维的掺入显著改善了混凝土基体的微观结构,杂乱无序的纤维可以减少混凝土内部有害孔,并增加无害孔及微孔的比例,使混凝土变得更加密实[18-20]。

同时,一定掺量的玄武岩纤维能够良好地分散在混凝土的基体中,形成乱向分布的三维网状结构,增强了骨料之间的黏结力,当混凝土承受外部荷载时,玄武岩纤维通过与基体之间的粘结作用承担部分外力,使混凝土抗压强度得到显著的提高。

再生混凝土的轴心抗压强度随玄武岩纤维掺量变化的拟合结果如图2所示。

图2 再生混凝土轴心抗压强度与纤维掺量的关系

从图2可以看出，再生混凝土的轴心抗压强度与玄武岩纤维掺量之间呈非线性的函数关系。

再生混凝土轴心抗压强度随玄武岩纤维掺量的变化关系式见表3所列。

表3 再生混凝土轴心抗压强度随纤维掺量变化的关系式

2.2 试件破坏形态分析

再生粗骨料取代率为50%,玄武岩纤维掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%时的破坏形态如图3所示。

图3 试件破坏形态

由图3可知,在玄武岩纤维掺量为0的混凝土试件中,随着荷载的增加,可以看出试件表面裂缝出现及发展的全过程,且试件崩裂声音较大,有明显的脆性破坏特征。通过观察不同玄武岩纤维掺量的试件破坏形态可知,纤维掺量为0的试件表面不完整,有较多混凝土脱落,随着玄武岩纤维掺量的增加,试件表面裂缝数量减少且混凝土脱落减少,试件表面基本保持完整,且达到极限荷载时破坏崩裂声音变小。由此可见,玄武岩纤维的掺入在一定程度上提高了混凝土抵抗变形的能力,阻止了裂缝的产生,同时裂缝处的纤维会随着裂缝的发展而被拔出或拔断,消耗了一定的能量,延缓了裂缝的发展。

3 结 论

本文通过玄武岩纤维再生混凝土的轴心抗压强度试验,探究再生粗骨料取代率和玄武岩纤维掺量对混凝土轴心抗压强度的影响规律,得出以下结论:

(1) 在相同玄武岩纤维掺量的情况下,再生粗骨料不利于混凝土的轴心抗压强度。其中,当再生粗骨料取代率为50%时,轴心抗压强度降低率的平均值为1.85%;当取代率为100%时,其降低率的平均值为8.80%。

(2) 在相同再生粗骨料取代率的情况下,混凝土轴心抗压强度的提高率随玄武岩纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势。在再生粗骨料掺量为100%试验组中,玄武岩纤维掺量为0.1%时轴心抗压强度的提高效果最明显,提高幅度可达6.32%。

(3) 根据拟合结果可知,再生混凝土的轴心抗压强度与玄武岩纤维掺量之间呈非线性函数关系,且拟合后的R2在0.940 0～0.990 0之间,说明有很好的拟合度。