磁化水鋼纖維再生混凝土早期強度研究

丁亞紅，陳 冰，武 軍，張向崗，徐 平

(河南理工大學土木工程學院，焦作 454000)

0 引 言

隨著新型城鎮化建設以及現代綜合交通運輸體系發展規劃深入推進，我國進入大規模建設基礎設施時期，建筑材料尤其是混凝土用量劇增。巨量砂石骨料的需求必然消耗大量自然資源，進而造成骨料原生地生態環境破壞，不利于社會的可持續發展。因此如何有效解決巨量砂石需求和自然資源消耗問題，是當前中國面臨的重大挑戰。同時，由于建筑物、道路、橋梁等改擴建以及地震等自然災害，每年會產生大量的建筑垃圾。目前我國絕大部分建筑垃圾未經任何處理，便被運往郊區露天堆放或填埋，不僅占用大量土地，而且對周邊水資源、空氣質量以及土壤造成嚴重的二次污染，建筑垃圾資源利用率不足10%，遠遠低于英國、日本、韓國等國家[1]。

再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)是將廢棄混凝土經過二次破碎制成再生骨料，部分或者全部替代天然骨料制備的混凝土，實現了資源的再次利用，有顯著的環保、經濟和社會效益。但是再生骨料與天然骨料相比存在孔隙率高、吸水率大、強度低等缺陷，因此再生混凝土的基本力學性能和耐久性都普遍低于普通混凝土[2-3]。磁化水是近些年來發展的一門新技術，并且在農業增產、醫療殺菌、工業除垢等方面得到廣泛應用[4-6],磁化水混凝土的推廣對于我國節能減排具有非常重大的意義。李月光等[7]對磁化器的種類和磁化參數的選取以及磁化水的性質如何影響混凝土的力學性能和耐久性進行了總結；方江華等[8]將磁化水混凝土工程實際應用的技術問題做出了系統的總結和研究；費厚乾等[9]為改善混凝土脆性低，易開裂的缺點，對磁化水鋼纖維混凝土進行力學試驗與分析。

水在混凝土制備過程中必不可少，水的性質改變對水化反應有顯著的影響，最終對混凝土的力學性能產生影響。普通水流經磁化器磁化后，其水分子結構的改變使得水分子表面張力和分子間的引力變小，使得更為活躍的單個游離水分子數目增加，單分子水的物理化學活性和滲透力較強，更容易進入水泥顆粒內部，加速水泥的水化反應，縮短水泥的反應時間，因此磁化水應用于普通混凝土的研究表明：磁化水能夠提高水泥石與骨料的界面粘結力，從而提高混凝土的力學性能和抗滲性[10-12]。磁化水作用機理：若干單個水分子是通過氫鍵連接形成水分子團，水在常溫下是以水分子團的形式存在的，根據分子運動角度分析，水分子團通過氫鍵的不斷形成和斷裂以此來保持動態平衡，此時水分子的表面張力是一定的，而水經過磁場的時候在洛倫茲力的作用下水分子團的氫鍵發生斷裂，形成若干單個水分子，并且水分子之間的平均間距變大，表面張力降低，分子活性增強，與水泥的水化反應較未磁化的更加充分，水化產物較多并且顆粒更加細小，可以更好地填充骨料空隙，降低孔隙率提高混凝土的密實度和水化產物的膠結能力，從而提高抗壓強度。而鋼纖維具有抗拉強度高、延性好、耐疲勞性強等優異的物理性能，國內外學者將鋼纖維加入再生混凝土進行研究發現，鋼纖維能夠有效提高再生混凝土的劈拉強度和延性[13]。目前磁化水應用于再生混凝土的研究未見涉及，為此，本文提出開展磁化水鋼纖維再生混凝土立方體早期抗壓強度和劈裂抗拉強度性能的試驗研究，從宏觀和微觀兩方面分析磁化水和鋼纖維體積摻量對再生混凝土力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用水泥為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料為細度模數為2.8的普通河沙；天然粗骨料為粒徑10～20 mm碎石；再生粗骨料來源是河南理工大學鋪設管道產生的廢棄混凝土，經顎式破碎機二次破碎制得，粒徑5～10 mm；磁化水為普通自來水經過磁化器磁化后的水，磁化器為永久磁化器，裝置圖如圖1所示；鋼纖維為端鉤形，由上海真強鋼纖維有限公司生產制造；采用聚羧酸高效減水劑，減水率為20%。鋼纖維具體力學性能參數如表1所示,粗骨料物理性能指標如表2所示。

圖1 磁化器裝置圖

表1 鋼纖維力學性能參數

表2 粗骨料物理性能指標

1.2 試驗設計

根據文獻[14-15]的研究結果，選用水流速度為2.4 m/s,循環次數為10次，磁場強度分別為：0 mT、200 mT、260 mT、320 mT，鋼纖維用體積摻量法分別為：0%、0.6%、1.2%，采用粒徑5～10 mm的再生粗骨料和10～20 mm的天然粗骨料形成粒徑5～20 mm的連續級配粗骨料；根據《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55—2011設計混凝土強度為C40，水灰比為0.37，砂率是34%,在此條件下進行混凝土配合比設計。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》 GB/T 50081—2019設計立方體試塊抗壓和劈裂抗拉試驗，試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進行試驗，抗壓試驗折算系數為0.95，每組試塊數量為3個，劈裂抗拉試驗折算系數為0.85，每組試塊數量為3個，共16組96個試塊，在標準條件下養護7 d，具體試塊編號和混凝土配合比設計如表3所示。其中以M200-SF1.2-R為例，表示磁場強度200 mT和1.2%體積摻量下的鋼纖維磁化水再生混凝土。

表3 混凝土配合比設計

2 結果與討論

2.1 破壞過程與形態

圖2依次為磁化水普通混凝土、磁化水再生混凝土、0.6%鋼纖維磁化水再生混凝土、1.2%鋼纖維磁化水再生混凝土四組立方體試塊抗壓破壞形態。由圖2可知，再生混凝土和普通混凝土的受壓破壞屬于典型的脆性破壞，試塊外觀完整度比較差，四周出現大面積破碎顆粒的脫落，破壞的同時伴有巨大聲響，受壓過程中裂縫發展比較快，而加入鋼纖維的再生混凝土試塊在受壓過程中裂縫發展相對普通混凝土較慢，破壞時產生的聲音比較沉悶細小，破壞后表面脫落的破碎顆粒較少，仍然能夠保持試塊的完整性，明顯改變了試塊的破壞形態。這是由于鋼纖維的橋接作用降低了裂縫的發展速度，減小了再生混凝土的損傷破壞程度，提高了再生混凝土抵抗變形的能力。

圖3依次為磁化水普通混凝土、磁化水再生混凝土、磁化水再生混凝土試塊一分為二、0.6%鋼纖維磁化水再生混凝土、1.2%鋼纖維磁化水再生混凝土五組試塊劈裂抗拉破壞形態。

圖2 混凝土試塊的受壓破壞形態

圖3 混凝土試塊的受拉破壞形態

由圖3可知，普通混凝土和再生混凝土受到劈拉破壞時會產生一條從上而下貫穿的主裂縫，使試塊沿著裂縫方向一分為二，試塊破壞時會發出脆裂的聲音，并且其周圍分布細裂縫較少，試塊四周沒有明顯的顆粒剝落；加入鋼纖維的再生混凝土試塊在劈裂破壞的過程中,試塊破壞產生的聲音較普通混凝土小，無明顯的脆裂聲，主裂縫產生較大寬度，但試塊仍然保持完整，試塊四周分布的細小裂縫數量較多。由于鋼纖維的橋接作用有效抑制了試塊脆性破壞，使荷載產生的破壞向試塊的四周發展，產生較多的裂縫，端鉤形鋼纖維本身具有抗拉性能，因此在試塊受到荷載破壞時依然能夠保持其完整性。

混凝土試塊標準養護7 d后進行力學性能試驗，每組試塊及對應強度的試驗結果表4所示。

表4 混凝土試塊7 d強度試驗結果

2.2 抗壓強度試驗

根據表4數據繪制不同磁場強度下對混凝土試塊7 d抗壓強度影響的關系，如圖4所示。其中N代表普通混凝土，R代表再生混凝土，SF0.6(1.2)-R代表鋼纖維摻量為0.6%(1.2%)的再生混凝土。根據圖4可知，對于普通混凝土，隨著磁場強度的增加，相應磁場強度制備的磁化水拌制混凝土試塊7 d抗壓強度是逐漸遞增的，當磁場強度為320 mT時,磁化水拌制的混凝土試塊抗壓強度較普通水拌制的試塊增加了8%；對于再生混凝土，隨著磁場強度的增加，磁場強度在0～200 mT范圍內立方體抗壓強度增加，增幅為15%，磁場強度在200～260 mT范圍內，立方體抗壓強度減小，降幅是16%，磁場強度在260～320 mT范圍內，立方體抗壓強度增加，增幅為20%。鋼纖維強度高、延性好等物理性能具有提升混凝土強度的效果，所以加入鋼纖維的試塊強度與未加入的相比有較大提升：對于鋼纖維摻量為0.6%的再生混凝土，隨著磁場強度的增加，試塊的7 d抗壓強度變化的趨勢是先增后減，磁場強度在0～200 mT范圍內立方體抗壓強度是增加的，增幅約為6%，200～260 mT范圍內，抗壓強度也是上升的，增幅約為13%，260～320 mT范圍內強度則是降低的，降幅約為12%；對于1.2%鋼纖維摻量的再生混凝土，隨著磁場強度的增加，試塊的7 d抗壓強度同樣呈現出先增后減的趨勢，磁場強度在0～200 mT范圍內，抗壓強度是增加的，增幅約為5%，與0.6%鋼纖維摻量再生混凝土不同的是，200～260 mT范圍內，立方體抗壓強度則是下降的，降幅約為11%，260～320 mT范圍內，立方體抗壓強度則是繼續下降，降幅約為20%。

從圖4中可以看出，1.2%和0.6%鋼纖維再生混凝土試塊兩者的7 d抗壓強度隨著磁場強度的變化規律相似，均呈先增后降的趨勢。這是因為與普通混凝土相比，鋼纖維的加入使得纖維與混凝土形成界面薄弱層[16]，水在磁化過程中存在最佳磁場強度，在不超過最佳磁場范圍內的水分子活性較強[12]，在最佳磁場強度下水分子活性較強，此時水化產物提供的界面粘結力能夠彌補薄弱層，試塊抗壓強度在摻入適量鋼纖維時會大幅提升，但隨著磁場強度的增加，超過最佳磁場范圍后，此時水分子的活性逐漸減弱，水化產物提供的界面粘結力不足使試塊抗壓強度降低。不同試驗的配合比以及材料的不同，因此相同的磁場范圍也會有些差異，試驗中鋼纖維摻量的不同使得磁化水的作用效果不同，試驗結果表明，當鋼纖維摻量為1.2%、磁場強度為200 mT時磁化水在混凝土中作用效果較好，當鋼纖維摻量為0.6%、磁場強度為260 mT時混凝土立方體試塊的抗壓強度較優。

而未加鋼纖維的再生混凝土試塊7 d抗壓強度隨著磁場強度的增加呈現出上下波動的變化，原因是水分子流經磁場時同時存在氫鍵的形成和斷裂，磁化過程當中二者出現的概率交替變化，磁化水活性的增強取決于氫鍵形成和斷裂的強弱程度以及磁場對氫鍵斷裂形成的磁化程度，若磁化效果不好，此時水化產物無法較好地填充再生骨料的空隙，使混凝土密實度不高，具有一定的隨機性[17]，因此導致了未加鋼纖維再生混凝土在260 mT磁場強度出現強度降低的現象。

圖4 混凝土試塊的7 d抗壓強度

圖5 混凝土試塊的7 d劈裂抗拉強度

2.3 劈裂抗拉強度試驗

根據劈裂抗拉強度試驗結果繪制曲線如圖5所示。由圖5可見，對于普通混凝土和再生混凝土，隨著磁場強度的增加，混凝土試塊的早期劈裂抗拉強度均有不同程度提升，但增幅較小。加入鋼纖維的再生混凝土與未加入相比，試塊的早期劈裂抗拉強度有了較高提升，最高增幅達到30%，其中0.6%和1.2%鋼纖維摻量的混凝土劈裂抗拉強度均在260 mT磁場強度時達到最大。結果表明，鋼纖維摻量為1.2%、磁場強度為260 mT時再生混凝土試塊的劈裂抗拉強度較優。

普通混凝土和再生混凝土隨著磁場強度的增強試塊劈裂抗拉強度得到提升，但增幅不大，這是由于磁化水主要是通過提高水分子的活性來促進水泥的水化反應，產生的水化產物更加細小，能夠較好地填充骨料孔隙，提高混凝土的密實程度，但水化產物的界面粘結力有限，不能很好地抵抗劈拉荷載，因此其劈裂抗拉強度沒有明顯的提高。對于加入了0.6%和1.2%鋼纖維摻量的再生混凝土試塊，其劈裂抗拉強度隨著纖維摻入量的增加有明顯提升，這是因為端鉤形鋼纖維具有抗拉性，能夠較好地抵抗外部荷載，有效抑制了裂縫的產生，從而提高了試塊的劈裂抗拉強度[10]。對于鋼纖維再生混凝土,隨著磁場強度的增加其劈裂抗拉強度呈現出的變化規律，根據相關研究可知[9，13]，這是由于鋼纖維的摻入使得混凝土與纖維存在界面過渡區，當磁化水的磁場強度在最佳范圍內，水分子的活性較強，水化產物提供的界面粘結力能夠彌補界面過渡區時，則該磁場強度下的劈裂抗拉強度得到提升。當超過最佳磁場強度時水分子的活性降低，提供的界面粘結力不足以很好地彌補過渡區，則試塊強度呈下降趨勢，因此在260 mT的磁場強度下0.6%和1.2%的鋼纖維摻量的試塊劈裂抗拉強度達到最大。

3 磁化水再生混凝土微觀結構與機理分析

為了進一步分析磁化水對再生混凝土的力學性能增強機理，取260 mT磁場強度和未磁化的再生混凝土試塊進行微觀結構和機理分析。

圖6(a)、(b)分別為普通水再生混凝土和磁化水再生混凝土水泥石基體微觀結構的SEM照片。從圖中可以看出，普通水拌制的再生混凝土水泥石漿體表面分布的孔隙、凹陷以及裂紋較多，水化產物中的氫氧化鈣晶體分布較為松散，晶體層之間的空隙較大；磁化水再生混凝土的水泥石漿體表面則較為平整密實，表面的孔隙率與未磁化相比有明顯改善，水化產物的板狀氫氧化鈣晶體較多，且分布較為均勻密實，晶體層之間的空隙較小，說明磁化水可以促進水泥的水化反應，并且使反應更加充分，產物更加細小，分布更加均勻，不僅優化了微觀結構，還能更好地填補混凝土孔隙率，提高密實度。

圖7(a)、(b)分別為普通水再生混凝土和磁化水再生混凝土水泥石界面微觀結構的SEM照片，圖中可以看出，普通再生混凝土的界面過渡區域分布的水化產物顆粒尺寸較大，孔隙較多，對于過渡區的填充效果不好，密實度較差；磁化水再生混凝土的界面過渡區水化產物的填充效果較好，界面間的空隙較小，水泥的水化產物顆粒更加細小，在過渡區之間分布更加均勻密實，提升了骨料與水泥漿體之間的粘結力，因此提高了力學性能。

圖6 水泥石基體微觀結構(2 000×)

圖7 骨料界面的微觀結構(2 000×)

4 結 論

(1)磁化水對于再生混凝土的7 d立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均有提升，磁場強度在320 mT時抗壓強度較好，劈裂抗拉強度則增幅較小。

(2)磁化水可以提高再生混凝土的早期強度，對于破壞形態則無明顯改變。普通水拌制的再生混凝土整體較為松散、不密實，磁化水可以使水化產物分布均勻密實，填補孔隙，明顯優化混凝土微觀結構。

(3)鋼纖維可以提高再生混凝土的早期強度，對于再生混凝土的破壞形態也有明顯改善。鋼纖維摻量為0.6%時，再生混凝土立方體試塊的抗壓強度較優，鋼纖維摻量為1.2%時，再生混凝土試塊的劈裂抗拉強度較優。