玄武巖纖維對再生混凝土基本力學性能的影響

高銀，宗翔

(安徽理工大學土木建筑學院， 安徽 淮南 232000)

21世紀以來，隨著我國城市的擴建和改造，拆除廢舊建筑產生的建筑垃圾日益增多，由于地震等自然災害的發生，造成的大量建筑垃圾也亟待處理[1，2]。這些建筑垃圾的堆放占用了大量土地資源，垃圾中的有害物質也污染了空氣和水資源，環境問題日益惡化[3]。如何將廢棄建筑垃圾變廢為寶，實現資源的再次利用是日前急需解決的問題。近年來，大量的研究學者對再生混凝土的基本力學性能進行了研究。大量試驗表明，將建筑垃圾篩選，破碎后代替粗骨料的再生混凝土較普通混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度普遍偏低[4，5]，如何提高再生混凝土的力學性能成為建筑垃圾資源化的一大難題。

玄武巖纖維作為一種新型無機綠色纖維材料，是由玄武巖石料在1450～1500℃高溫熔融后，通過噴絲板拉伸而成的，具有較好的抗裂性能和抗拉強度，且相對于其他纖維，更具有經濟性及工程實踐性[6]。Dias等[7]研究表明玄武巖纖維增強無機聚合物水泥混凝土具有更加優越的抗斷裂性能。董江峰等[8]按照纖維質量摻入法對3個不同替代率的再生混凝土進行了研究，替代率為50%的再生混凝土的力學性能有明顯的增強效果。因此，針對單絲直徑在7～15μm的不同長度玄武巖纖維，筆者在不同摻量條件下對50%再生粗骨料的抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了研究，旨在為玄武巖纖維再生混凝土的應用提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所使用的水泥是淮南八公山水泥廠生產的P·C42.5的復合硅酸鹽水泥，試驗用砂為天然河砂，所使用的天然粗骨料經試驗測得其表觀密度及吸水率均符合要求。再生粗骨料為試驗室廢棄的混凝土試塊，經過人工破碎至直徑為50mm左右的碎石，再經過SP-100×100顎式破碎機破碎，篩分至5～20mm的粗骨料，破碎、篩分后的再生粗骨料如圖1所示。玄武巖纖維是由浙江海寧安捷復合材料有限公司生產，如圖2所示，長度分別為6、12、20mm，其基本的物理性能如表1所示。

表1 玄武巖纖維性能指標

圖1 破碎、篩分后的再生粗骨料 圖2 玄武巖纖維

1.2 配合比

試驗針對強度為C35的混凝土，共有2個不同參數：纖維長度和纖維體積摻量。根據市場上現有的規格，選取了6、12、20mm 3種長度的纖維，體積摻量則分別為0%、0.15%和0.3%，對玄武巖纖維再生混凝土進行試驗研究。根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55—2011)[9]計算出試驗用配合比，如表2所示。

表2 試驗用配合比

1.3 試件制作與養護

采用干拌法，先投入水泥、砂、骨料，混合均勻后再投入纖維攪拌10min后充分打散加水，使得玄武巖纖維在混凝土中分布均勻。將攪拌均勻的玄武巖纖維再生混凝土裝入模具中，在振搗臺上振搗充分，24h后脫模放入溫度23℃、濕度95%的養護箱內養護至試驗天數。

1.4 試驗方法

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[10]規定進行立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，立方體抗壓試件尺寸為100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

2 試驗結果與分析

2.1 立方體抗壓強度試驗結果

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[10]要求，測試試件的3、7、28d立方體抗壓強度，最終值為測得的平均值乘以規范規定的相應系數，立方體抗壓強度試驗結果如表3所示。

表3 立方體抗壓強度試驗結果

圖3 破壞后的試件

采用的試驗儀器為長春試驗機研究所有限公司的電液伺服壓力試驗機，破壞后的試件如圖3所示。不同摻量不同長度的玄武巖纖維混凝土在齡期為3、7、28d抗壓強度如圖4和圖5所示。

在加載過程中，沿著試件的側面出現了許多豎向裂縫且裂縫之間逐漸延伸貫通，并伴隨著混凝土的碎片脫落。當達到極限荷載時，會發生較大的聲響，纖維摻量為0的再生混凝土試塊破碎程度較摻入纖維的再生混凝土嚴重。摻入纖維的再生混凝土試件在破壞后裂縫之間具有一定的粘連，整體性較好。

圖4 0.15%摻量玄武巖再生混凝土抗壓強度 圖5 0.3%摻量玄武巖再生混凝土抗壓強度

由圖4和圖5可知，在0.15%纖維摻量下，早期不同長度的玄武巖纖維的再生混凝土抗壓強度上升都較為明顯，長度為12mm的玄武巖纖維混凝土比未摻纖維的再生混凝土強度提高了7.3%。當齡期達到28d后強度趨于平緩。在0.3%纖維摻量下，不同齡期的長度為6mm及20mm玄武巖纖維再生混凝土較未摻纖維的再生混凝土的強度偏低，分別降低了3.2%～9.0%。長度為12mm的玄武巖纖維再生混凝土的強度則達到最大，齡期為7d時抗拉強度可提高11.7%。由此可知，當玄武巖纖維的長度為12mm，體積摻量為0.3%時，替代率為50%的纖維再生混凝土的強度達到最大。因此，當纖維的摻量確定時，合適長度的玄武巖纖維對再生混凝土有一定的增強作用[11]。其主要原因為，一是玄武巖纖維的密度與混凝土的密度相近，具有較好的相容性。二是玄武巖纖維能夠提高混凝土的保水性，在適當的長度和摻量條件下，能夠有效地阻止混凝土發生離析。但是當其超出最佳范圍時，在混凝土攪拌過程中玄武巖纖維吸收大量的水，再生混凝土中水泥不能完全發生水化反應，導致混凝土抗壓強度降低。

2.2 劈裂抗拉強度試驗結果

表4 劈裂抗拉強度試驗結果

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB-T50081—2002)的規定，進行3、7、28d齡期的劈裂抗拉強度試驗，測得的平均值乘以相應系數，劈裂抗拉強度試驗結果如表4所示。采用的試驗儀器為電液伺服壓力機及半徑為75mm 的鋼制弧形墊塊，破壞后試件如圖6和圖7所示，不同參數的玄武巖纖維再生混凝土劈裂抗拉強度對比如圖8和圖9所示。

在劈裂抗拉強度試驗中，未加纖維的再生混凝土試件破壞較為突然，無明顯征兆，試件瞬時被劈裂成兩半，并伴隨著較大聲響。摻入玄武巖纖維的再生混凝土試件在加載過程中，試件表面逐漸產生細微裂縫，隨著荷載增加裂縫逐漸貫穿，劈裂成兩半；試件不像未摻纖維再生混凝土試件一樣突然破壞，具有較好的塑性特征。

圖6 未摻纖維再生混凝土劈裂抗拉破壞 圖7 摻加纖維再生混凝土劈裂破壞

圖8 0.15%摻量纖維再生混凝土劈裂抗拉強度比較 圖9 0.3%摻量纖維再生混凝土劈裂抗拉強度比較

由圖8和圖9可知，摻入纖維的再生混凝土相對于未摻纖維的混凝土的抗拉強度有明顯的提高。在0.15%摻量下，不同長度的玄武巖纖維再生混凝土較未摻纖維的再生混凝的抗拉強度可提高21%～44.7%。其中長度為12mm的玄武巖纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度達到最大，0.3%摻量較0.15%摻量的玄武巖纖維再生混凝土抗拉強度提高幅度偏低，為6.8%～42.8%。由此可知，在再生粗骨料替代率為50%的再生混凝土中加入玄武巖纖維能提高其劈裂抗拉強度[12，13]，且長度為12mm，摻量為0.15%的纖維再生混凝土的抗拉強度最高。其原因是在0.15%較小摻量下，玄武巖纖維增大了混凝土的黏結力，使得抗拉強度增大。在0.3%較大摻量下，玄武巖纖維再生混凝土的抗拉性能由玄武巖本身起主要作用[14]，且玄武巖纖維在攪拌過程中易結團，使得在混凝土中分布不均，不能充分發揮其增韌作用，從而引起玄武巖纖維再生混凝土抗拉強度的降低。

3 結論

1)對于玄武巖纖維再生混凝土立方體抗壓強度，玄武巖纖維的最佳摻用纖維長度為12mm，最佳體積摻量為0.3%，當齡期為7d時，其抗壓強度可提高11.7%。

2)玄武巖纖維的摻入對再生混凝土劈裂抗拉強度的提高效果明顯，長度為12mm，摻量為0.15%的玄武巖纖維再生混凝土的抗拉強度最大，齡期為28d的強度較未摻纖維的再生混凝土可提高44.7%。

3)對于玄武巖纖維是否能長期在混凝土的堿性環境下穩定存在，及在實際應用中是否能達到同樣效果尚未考慮，將在后續的研究中涉及。