玄武巖纖維改善再生水泥混凝土抗裂性能研究

崔鵬

（1甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

建筑垃圾總量占中國城市垃圾總量的30%，是城市垃圾的主要來源[1]。近年來，蘭州市大力進(jìn)行舊城改造，計劃建設(shè)地鐵等市政工程，建筑垃圾數(shù)量明顯增加。現(xiàn)階段，建筑垃圾處理主要通過堆積和填埋進(jìn)行，但是這種處理方式占用了大量的土地資源[2]，不僅增加了運輸成本，還造成了城市污染和自然環(huán)境破壞，且在運輸消耗過程中會產(chǎn)生大量揚塵、噪聲，對生態(tài)環(huán)境和居民正常生活造成影響。建筑垃圾的循環(huán)利用和產(chǎn)業(yè)化可緩解其帶來的生態(tài)和環(huán)境問題，節(jié)約資源，還能為當(dāng)?shù)亟ㄖI(yè)提供可再生建材和就業(yè)崗位，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)良好的環(huán)境效益和社會效益[3]。

混凝土道路施工中使用水泥混凝土再生骨料，不僅可節(jié)約石材資源，還能保護(hù)混凝土密實性，減小材料對環(huán)境的影響。再生混凝土路面受車輛的負(fù)荷、溫濕度等影響，后期多發(fā)生干燥現(xiàn)象。隨著重載車增多，再生混凝土路面的損害更加嚴(yán)重。再生混凝土路面的開裂會降低其使用壽命。

目前，大多數(shù)抗裂水泥技術(shù)由于工藝復(fù)雜或成本高而難以推廣應(yīng)用。基體纖維改性混凝土性能優(yōu)良，工藝簡單，成本低廉，每噸造價約1萬元，是水泥混凝土材料改性技術(shù)的研究熱點[4]。玄武巖纖維被用作混凝土增強(qiáng)劑或“增強(qiáng)筋”，與纖維材料均勻混合，并分散在簡單的混凝土基體中，形成復(fù)合混凝土材料。利用均勻分布的纖維改善混凝土的脆性可以提高混凝土板的抗裂強(qiáng)度[5]。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

由于本文采用再生骨料，一般情況下再生骨料強(qiáng)度較低，因此采用強(qiáng)度等級較高的水泥。按照施工經(jīng)驗及試驗研究，再生混凝土一般采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥[6]。本文再生混凝土所用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥由祁連山水泥有限公司生產(chǎn)[7]，物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，各指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

玄武巖纖維的原材料一般是火山巖，強(qiáng)度、模量較高，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度也較高，加入再生混凝土中可提高其抗拉強(qiáng)度和韌性[9]。根據(jù)施工經(jīng)驗和試驗研究，玄武巖纖維長度為18mm或24mm時，再生混凝土可獲得更好的力學(xué)性能指標(biāo)。本文采用12mm、18mm和24mm三種規(guī)格的纖維進(jìn)行對比[10]。纖維長度較短時，在混凝土中發(fā)揮不了作用，在力學(xué)性能測試時，不是被拉斷或壓斷，而是直接從混凝土中被拉出來。本文所用玄武巖纖維直徑為24μm，其性能指標(biāo)如表2所示[11]。

表2 玄武巖纖維性能

試驗中再生混凝土采用的粗骨料粒徑為5～20mm，選用的原因是堆積密度較小，骨料之間的接觸面積較大，使得再生混凝土更加密實，可獲得更高的強(qiáng)度[12]。再生水泥混凝土粗骨料性能指標(biāo)如表3所示。

表3 再生水泥混凝土粗骨料性能

1.2 試驗方案

根據(jù)前期試驗確定再生混凝土的配合比。力學(xué)性能試驗方案如表4所示。

表4 力學(xué)性能試驗方案

取玄武巖纖維摻量為0、0.1%、0.15%，再生粗骨料的摻量0、20%、40%，進(jìn)行收縮抗裂試驗，試驗方案見表5[13]。

表5 抗裂性能試驗方案

再生混凝土收縮試驗采用早期塑性收縮試驗方法，以試件開始出現(xiàn)裂縫和出現(xiàn)貫通裂縫的時間來表征，見圖1。

圖1 收縮試驗的測試示意圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能試驗

表6顯示了立方體抗壓強(qiáng)度和不同纖維含量再生混凝土的抗彎強(qiáng)度，圖2和圖3顯示了抗壓強(qiáng)度和纖維含量之間的關(guān)系以及彎曲應(yīng)力強(qiáng)度和纖維含量之間的關(guān)系[14]。

如表6、圖2、圖3所示，在混凝土中加入玄武巖纖維，其再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和抗彎曲拉伸強(qiáng)度均得到提高[15]。隨著玄武巖纖維的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度有先變高后再下降的趨勢[16]，當(dāng)纖維添加量為0.15%時，力學(xué)性能最好。XZ-102 抗壓強(qiáng)度較XZ-002 素混凝土增長了5.4%，抗彎拉強(qiáng)度增長了13.3%；XZ-152抗壓強(qiáng)度較XZ-002 素混凝土增長了6.4%，抗彎拉強(qiáng)度增長了17.3%；而XZ-202抗壓強(qiáng)度較XZ-002素再生混凝土僅增長了4.1%，抗彎拉強(qiáng)度增長了15.1%。如纖維摻量過大，不僅工程的困難度會加大，施工成本也會變高，再生混凝土本身的強(qiáng)度和剛性會進(jìn)一步減少，再生混凝土的性能會下降。當(dāng)纖維摻量為0.10%、0.15%時，綜合力學(xué)性能更佳。

表6 力學(xué)性能試驗結(jié)果（MPa）

圖2 抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的變化關(guān)系圖

圖3 抗彎拉強(qiáng)度與纖維摻量的變化關(guān)系圖

2.2 塑性收縮開裂性能試驗

塑性收縮試驗結(jié)果如表7所示。

表7 塑性收縮試驗結(jié)果

不同纖維摻量下再生混凝土的初裂時間和貫通時間折線圖如圖4～圖6所示。

圖4 纖維再生混凝土開裂時間（1）

圖6 纖維再生混凝土開裂時間（3）

由圖4～圖6可知，隨著纖維摻量的增大，再生混凝土抵抗塑性開裂的能力逐漸增強(qiáng)。由圖4可知，XZ-10的初裂時間較XZ-00 提高了27.3%，貫通時間提高了12.1%，XZ-50 的初裂時間較XZ-10 提高了7.7%，貫通時間提高了3.1%。由圖5可知，XZ-12 的初裂時間較XZ-02 提高了19.1%，貫通時間提高了11.7%，XZ-52 的初裂時間較XZ-12提高了6.9%，貫通時間提高了8.2%。由圖6可知，XZ-14的初裂時間較XZ-04提高了19.1%，貫通時間提高了12.9%，XZ-54的初裂時間較XZ-14提高了8.1%，貫通時間提高了7.7%。

圖5 纖維再生混凝土開裂時間（2）

不同再生粗骨料摻量下再生混凝土的初裂時間和貫通時間折線圖如圖7～圖9所示。

圖7 開裂時間隨再生粗骨料摻量的變化（4）

圖9 開裂時間隨再生粗骨料摻量的變化（6）

由圖7～圖9可知，再生水泥混凝土失水快，力學(xué)性能差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，抗塑性裂縫能力弱。由圖7可知，XZ-02的初裂時間較XZ-00 低11.7%，穿透時間低6.5%，XZ-04的初裂時間較XZ-02低8.9%，穿透時間低8.1%。由圖8可知，XZ-12的初裂時間較XZ-10低8%，穿透時間低7.2%，XZ-14的初裂時間較XZ-12低8.3%，穿透時間低7.3%。由圖9可知，XZ-52的初裂時間較XZ-50低9.6%，穿透時間低7.6%，XZ-54的初裂時間較XZ-52低8.1%，穿透時間低7%。

圖8 開裂時間隨再生粗骨料摻量的變化（5）

3 結(jié)論

與未摻玄武巖纖維再生混凝土相比，摻玄武巖纖維再生混凝土的力學(xué)性能得到了改善[20]。當(dāng)纖維含量為0.15%時，再生混凝土的力學(xué)性能最好，說明高纖維含量并不利于再生混凝土力學(xué)性能的提高。隨著再生混凝土玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維抗再生混凝土塑性裂縫的能力降低[21]。