玄武岩增强再生砌块的抗折实验研究

梁宇超，袁若焜，朱雨婷

（江苏大学京江学院，江苏镇江 212000）

0 引言

近年来，我国社会经济增长迅速，综合国力显著提升，伴随我国新型城镇化建设加速推进，建筑垃圾排放量也呈现增长态势。据统计，目前我国建筑垃圾年产量达10t 吨级，其中拆除旧建筑所产生的建筑垃圾约占全国产量的58%，新建筑施工产生的建筑垃圾约占36%，其余少量由建筑装修产生。目前我国建筑垃圾的处理办法，除少量用于工程回填和再生利用外，大部分仍粗放式堆放处理，造成大气环境、土壤环境的直接或间接污染[1]。目前我国建筑垃圾资源化利用率仅为5%，而一些发达国家建筑垃圾资源化利用率达90%以上[2]。面对建筑垃圾堆放所带来的环境问题，建筑资源和土地资源的日益紧张，“十四五”建筑业发展规范提出以坚持创新驱动，绿色发展为基本原则之一，并将推广绿色建造方式作为主要任务之一。未来将在政府投资工程和大型公共建筑中全面推进绿色建造，积极推进施工现场建筑垃圾减量化与再利用。当下正处“十四五”时期，是实现碳达峰的关键阶段，建筑行业作为我国的支柱产业具有巨大减排潜力[3]，中共中央国务院印发的2030年前碳达峰行动方案的通知将城乡建设碳达峰行动列为重点任务之一，提出要加速推进城乡建设绿色低碳转型，推广绿色低碳建材，推动建材循环利用。

再生骨料是指固体废弃物经过粉碎、筛分等步骤，按一定比例混合以满足不同使用要求的骨料，其为建筑垃圾减量化提供了一种新的思路。纤维布加固作为一种比较新型的加固方法，是指在构件外侧粘贴纤维增强材料，使其在加固构件中承担拉应力，改善构件的受力状态，限制裂缝的产生和发展。目前市场上用于修复加固的纤维布主要是碳纤维布，其具有高效高强、耐腐蚀等特点，但其价格昂贵[4]。玄武岩纤维作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，其拉伸强度和弹性模量虽略低于碳纤维，但耐低温、耐高温性能突出且具有良好的化学稳定性，因此玄武岩纤维布也逐渐受到加固工程的青睐[5]。且因其良好的力学性能，近几年已成为国内外结构加固领域的研究热点。目前，纤维布加固方法主要有“U”型全包法、“U”型套箍锚固基底纤维布法[6]。本文在此基础上研究一种新型的加固方法，在保证达到预期力学效果的同时，有效减少纤维布用量，对推进材料革新与建筑节能事业的发展有重要的参考意义。

1 材料与方法

本阶段以抗压强度为指标，研究再生骨料取代率对于砂浆砌块力学性能的影响。

1.1 材料准备

水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥；天然骨料采用ISO 标准砂；再生骨料由废弃砖块、混凝土破碎后经清洗、晾晒获得。骨料级配均良好，其基本物理性能如表1所示。

表1 骨料基本物理性能

1.2 再生骨料取代率实验

本试验根据《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJ/T 98—2010）[7]进行配合比设计。再生骨料取代率设为0%、15%、30%、45%，依次对应A、B、C、D 四组，每组3个试件，试件尺寸采用100mm×100mm×100mm，试件制作后放置在温度为（20±5）℃的环境中，静置（24±2）h 后对试件编号、脱模。试件取出后，立即水平放置在（20±1）℃水中养护，刮平面应朝上，彼此间隔为10~20mm，并应避免用水直接冲淋试件，养护7d，取其抗压强度平均值作为最终试验结果。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[8]进行抗压强度计算。由于本试验采用的是非标准试件，对应的折算系数为0.95，故抗压强度计算如式（1）所示。

式中：f——立方体试件抗压强度试验值，MPa；N——立方体试件极限承载力，kN；A——立方体试件受力面积，mm2。

砂浆配合比与抗压强度试验结果如表2 所示。

表2 砂浆配合比与抗压强度试验值

由表2 可以看出，抗压强度随着再生骨料取代率的增加先降低后提高。当再生骨料取代率为15%时，抗压强度相比于天然骨料砂浆试块降低了6.9%；再生骨料取代率为30%时，抗压强度相比降低4.3%；再生骨料取代率为45%时，抗压强度相比提高7.2%。由表1可知，再生骨料的堆积密度和表观密度都低于天然骨料，导致其空隙率高于天然骨料。而再生骨料是细度模数为3.4 的粗砂，天然骨料是细度模数为2.6 的中砂，天然骨料的填充效应在一定程度上补偿了再生骨料高空隙率的负面影响，导致45%取代率的再生骨料砂浆试块性能一定程度上得以提升。故采用45%再生骨料取代率的配合比进行后续试验。

2 实验加载与分析

本阶段以抗折强度为指标，研究玄武岩纤维布的加固方法对于砂浆砌块力学性能的提升。

2.1 实验准备

采用宁国市中电新型材料有限公司生产的玄武岩纤维布，厚度为0.6mm。采用深圳市明德新材料有限公司生产的新一代环氧树脂胶。试件尺寸采用100mm×100mm×400mm，试件制作后放置在温度为（20±5）℃的环境中，静置（24±2）h 后对试件编号、脱模。试件取出后，立即水平放置在（20±1）℃水中养护，刮平面应朝上，彼此间隔为10~20mm，并应避免用水直接冲淋试件，养护28d。养护完成后，取出试件，待试件表面干燥后，用100 目砂纸打磨试件表面至平整，除去1~2mm表面疏松层[9]，除去浮灰。将环氧树脂胶与环氧固化剂按1:1 比例混合，充分搅拌，均匀涂抹在试件表面，粘贴裁剪好的玄武岩纤维布条并压实，除去气泡。放置在温度为（20±5）℃的环境中，静置24h 后，进行试验。

2.2 实验设计

本试验首先在试件底面粘贴纵向纤维布条并沿侧面向上延伸50mm，设置裸块和底面全粘两组对照组，依次记为对照组1、对照组2。按3/5 对照组2 底面纤维布用量，设置底面纵向粘贴一条和底面纵向粘贴两条两组试验组，依次记为试验组1、试验组2。试件底面加固如图1 所示。

图1 试件底面加固

2.3 实验结果与分析

根据《混凝土砌块和砖试验方法》（GB/T 4111—2013）[10]进行抗折强度计算。由于本试验采用的是非标准试件，对应的折算系数为0.85，故抗折强度计算如式（2）所示。

式中：RZ——试件抗折强度试验值，MPa；P——试件破坏荷载，kN；B——试件宽度，mm；H——试件高度，mm；L——抗折夹具下支辊的跨距，mm。

支辊跨距为300mm，每组5 个试件，取其抗折强度平均值作为最终试验结果。抗折强度试验结果如表3所示，试件加载破坏如图2 所示。

图2 试件加载破坏

表3 抗折强度试验值

由图2 可以看出，破坏后裂缝均贯穿开展于试件跨中位置附近，对照组1（裸块）直接断裂，其余组由于底面玄武岩纤维布未被拉断，其所起的抗拉作用使得试件未完全断裂，说明玄武岩纤维布具有一定的延展性，此情况与钢筋混凝土适筋现象相类似，基底粘贴的玄武岩纤维布起到类似短梁、深梁中纵向受力钢筋的作用，布置在受拉区以抵抗拉应力，并使得斜裂缝的开展放缓，使得试件抗折强度、整体刚度、变形能力得以提升。当梁剪跨比偏大或配箍率偏低时，这种提升将更为明显。由表3 可以看出，对照组2（底面全粘）使得试件的力学性能提升最大，相较对照组1（裸块）抗折强度提升了28.8%，试验组1、2 分别提升23.1%、25%。

3 结论

（1）再生骨料砂浆砌块抗压强度随再生骨料取代率的增加先降低后提高。通过比较再生骨料取代率为15%、30%、45%的砂浆砌块抗压强度，得出再生骨料最佳取代率为45%，较天然骨料砂浆试块抗压强度提升了7.2%。

（2）对于短梁、深梁等受弯构件，基底粘贴玄武岩纤维布可提升其抗折强度与整体刚度。当梁剪跨比偏大或配箍率偏低时，这种提升将更为明显。综合考虑玄武岩纤维布用量与玄武岩纤维布对试件抗折强度的提升作用，得出以3/5 受弯构件底面积作为纤维布用量，纵向均匀粘贴两道玄武岩纤维布为最佳粘贴方式，既考虑了经济效益影响因素，节省了玄武岩纤维布的消耗量，又较裸块抗折强度提升了25%，达到了预期力学效果。

（3）目前国内广泛采用碳纤维布进行结构加固，而玄武岩纤维布作为新型复合纤维材料不仅具有良好的力学性能以及抗高温、抗蠕变、抗腐蚀等优点，又因其制作原料玄武岩在我国储量丰富，所以其价格相较碳纤维布偏低，因而具有更佳的经济性，于经济效益方面占优，在实际工程结构加固中具有良好的应用前景。

（4）近年来，随着国内天然砂、河砂等资源的枯竭和政府对开采管控力度加大，天然砂石产能也随之骤减。而砂石作为重要的建筑材料和混凝土原料，广泛应用于房屋、道路工程等。机制砂以及建筑垃圾等固体废弃物粉碎筛分并按一定比例混合而成的再生骨料正在逐步成为天然砂石的替代，这为建筑垃圾减量化提供了一种新路径、新方法，响应了国家双碳政策与战略在建筑领域的规划，对推进材料革新与建筑节能事业的发展有重要的参考意义。