玄武巖纖維再生混凝土的基本力學(xué)性能

李曉路，金寶宏，姚宇峰,2，郭虹位

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，土木工程系，寧夏 銀川 750021)

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玄武巖纖維再生混凝土的基本力學(xué)性能

李曉路1，金寶宏1，姚宇峰1,2，郭虹位1

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，土木工程系，寧夏 銀川 750021)

玄武巖纖維(basalt fiber，BF)是一種新型無(wú)機(jī)纖維材料，具有較好的延性，抗拉強(qiáng)度高，密度小，且在建筑工程使用中具有較突出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為再生混凝土力學(xué)性能的改善提供新的思路.針對(duì)C30混凝土強(qiáng)度等級(jí)，研究了玄武巖纖維摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)分別在0.1%、0.2%、0.3%情況下，不同再生粗骨料替代率的抗壓和劈裂抗拉性能.試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維會(huì)降低再生混凝土的流動(dòng)性，增大水泥基體間的摩擦力，并對(duì)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)、增韌效果.玄武巖纖維摻量為0.3%，再生粗骨料替代率40%時(shí)C30混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值.纖維摻量為0.1%時(shí)，再生混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度的增加趨于穩(wěn)定，為再生粗骨料在混凝土工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒.

玄武巖纖維；再生混凝土；抗壓強(qiáng)度；劈裂拉伸強(qiáng)度

近年來(lái)，城市擴(kuò)建和改造、廢舊建筑拆除以及地震活動(dòng)頻繁所產(chǎn)生的建筑垃圾亟待處理[1]，高效利用建筑廢棄料是解決這一問題的有效途徑[2].目前，大量研究學(xué)者對(duì)再生混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均有一定程度的降低[3-4]，改善再生混凝土的力學(xué)性能，是工程推廣急待解決的問題.

玄武巖再生混凝土(basalt fiber recycled aggregate concerete，BFRAC)是利用玄武巖纖維(basalt fiber,BF)抗拉強(qiáng)度高、抗裂性能好、非腐蝕性[5]、性價(jià)比高的特點(diǎn)，對(duì)再生混凝土進(jìn)行力學(xué)性能改善.目前，由于其材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，短切玄武巖纖維在普通混凝土中應(yīng)用非常普遍[6].Li等[7]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)地聚物混凝土的變形能力具有一定提高.董江峰等[8]按照纖維質(zhì)量摻入法對(duì)3個(gè)再生骨料替代率下的混凝土進(jìn)行了研究，表明對(duì)50%再生骨料替代率的混凝土的力學(xué)性能具有較為明顯的增強(qiáng)效果.目前有少量研究學(xué)者對(duì)玄武巖再生混凝土進(jìn)行了研究，但尚未發(fā)現(xiàn)按照纖維體積替代法，不同替代率下再生混凝土力學(xué)性能研究的相關(guān)文獻(xiàn).為此，本文主要研究了玄武巖纖維(體積分?jǐn)?shù)，下同)為0.1%、0.2%以及0.3%情況下，在19～26.5 mm粒徑內(nèi)不同替代率下再生粗骨料對(duì)再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，希望能對(duì)以后的混凝土工程起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)所用水泥為寧夏賽馬廠生產(chǎn)的42.5 R普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度4.7%，外加劑為烏海成城交大建材有限公司生產(chǎn)的奈系高效能減水劑，減水效率為20%，實(shí)驗(yàn)用水采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水.所使用的天然粗骨料(natural coarse,NC)為寧夏銀川鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)的人工碎石，粒徑為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，再生粗骨料(recycled coarse,RC)為寧夏銀川盈北村拆除的廢棄混凝土，經(jīng)機(jī)械破碎，人工篩選出19～26.5 mm的粗骨料，見圖1，壓碎指標(biāo)為14.3%，吸水率為4.8%，天然細(xì)骨料(natural fine,NF)采用鎮(zhèn)北堡人工水洗中砂，滿足再生混凝土骨料級(jí)配要求.纖維為浙江海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，見圖2，基本力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

圖1 再生粗骨料Fig.1 Recycled coarse aggregate

圖2 玄武巖纖維Fig.2 Basalt fiber

表1 玄武巖纖維主要力學(xué)性能

1.2 實(shí)件制作

本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)強(qiáng)度C30泵送混凝土，再生骨料替代率為0、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，纖維按照等體積代骨料法[9]，保持砂石相對(duì)比率不變，以0、0.1%、0.2%、0.3%等4種不同摻入量的玄武巖纖維再生混凝土.試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，24 h后拆模，試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)32組玄武巖再生混凝土試件.

由于玄武巖纖維密度較小，拌和過程中易結(jié)團(tuán)，因此本實(shí)驗(yàn)采用了特殊的攪拌方式，即水泥凈漿包裹法[10]，來(lái)保證混凝土拌合物的均勻性.攪拌順序：先從已按配合比稱好的水泥和水中分別取出一部分，加入玄武巖纖維進(jìn)行拌合，再對(duì)石子、砂子和剩余水泥、水?dāng)嚢?，最后投入已預(yù)先拌合好的纖維，進(jìn)行拌合.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[11]為參考，混凝土配合比設(shè)計(jì)中，每立方米混凝土中水膠比為0.6、水泥用量為291.7 kg，塌落度取值為180 mm.試件制作過程中若流動(dòng)性達(dá)不到要求，通過減水劑來(lái)調(diào)節(jié)和易性.試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，以GB/ T50081—2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]為基準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂拉伸強(qiáng)度測(cè)試.

1.4 實(shí)驗(yàn)加載

試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)加載，直至試件破壞.抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維的再生混凝土試件脫落現(xiàn)象不明顯，見圖3.劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的裂縫呈多裂縫開展，見圖4.

圖3 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 圖4 劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.3 Compressive strength test Fig.4 Splitting tensile strength test

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 減水劑的影響

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)高效減水劑的用量，來(lái)改善和易性，從而達(dá)到塌落度180 mm的要求，減水劑用量如圖5所示.

從圖5可知，玄武巖再生混凝土試件減水劑用量，隨著再生粗骨料替代率的增大而增加，因此可知，再生粗骨料具有一定的吸水性，與之前所測(cè)得的吸水率相符.并且無(wú)論是普通混凝土試件還是再生混凝土試件，減水劑用量都隨著玄武巖纖維摻量的增加而大幅度的增加，究其原因，有2點(diǎn)：首先是玄武巖纖維本身就具有較強(qiáng)的吸水性；其次是部分玄武巖纖維在攪拌過程中成為粉末，增加了吸水性.

2.2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

玄武巖纖維再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表2所示.通過分析玄武巖再生混凝土抗壓強(qiáng)度，隨纖維體積摻量變化的趨勢(shì)，得到短切玄武巖纖維再生混凝土的最優(yōu)體積摻量和再生骨料替代率，分析結(jié)果如圖6.

圖5 減水劑用量Fig.5 Water reducing agent dosage

圖6 抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength

由圖6可知，對(duì)于普通混凝土，當(dāng)玄武巖摻量為0.1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度低于未摻入纖維混凝土.但隨著玄武巖纖維摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度在不斷提高，并且在玄武巖纖維摻量達(dá)到0.3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度超過未摻入纖維混凝土的5.8%.由此可見，較大摻量的玄武巖纖維對(duì)于普通混凝土的增強(qiáng)效果較為明顯.對(duì)于同一再生粗骨料替代率的混凝土試件，在0.1%和0.2%玄武巖纖維摻量下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度降低，但在同一纖維摻量下，隨著再生粗骨料替代率的增加而呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，并且在0.1%纖維摻量下，上升趨勢(shì)明顯.但對(duì)于在0.3%纖維摻量下，試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大波動(dòng)，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，并且在再生粗骨料替代率40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，甚至超過普通混凝土抗壓強(qiáng)度的10%.

導(dǎo)致纖維摻量為0.3%，再生粗骨料替代率40%時(shí)抗壓強(qiáng)度成為最大值的原因，一是玄武巖纖維比表面積較大，摩擦系數(shù)較高[13]，增大了拌合物混凝土的相對(duì)摩擦力，從而增大了纖維和水泥基體的粘結(jié)力；二是玄武巖纖維的密度與混凝土的密度十分相近，導(dǎo)致與混凝土有較好的相容性；三是由于玄武巖纖維能增大混凝土的保水性，何軍擁等[14]指出玄武巖纖維能有效地阻止混凝土發(fā)生離析，使混凝土的粘聚性和保水性大大提高.但是由于玄武巖混凝土試件是由粗骨料來(lái)主要承受壓力的，并且玄武巖纖維在攪拌的過程中，吸收了大量的水，使得更大替代率下的再生混凝土不能完全發(fā)生水化反應(yīng)，使得強(qiáng)度降低.因此0.3%摻量的玄武巖纖維對(duì)40%再生粗骨料替代率下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯.

2.3 劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

玄武巖再生混泥土28 d劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，玄武巖再生混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度隨纖維體積摻量變化的趨勢(shì)如圖7所示.數(shù)據(jù)處理方法與抗壓強(qiáng)度相同，數(shù)據(jù)規(guī)律性強(qiáng).

表2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3和圖7可知，對(duì)于普通混凝土，隨著玄武巖纖維摻量的增加，劈裂拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖8所示，這與沈劉軍等[15]研究結(jié)果基本一致.但是對(duì)于再生混凝土，在再生骨料替代率小于70%時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，劈裂拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì).首先是在較小摻量下，主要是由于玄武巖纖維增大了混凝土的黏結(jié)力，使得抗拉強(qiáng)度增大；其次在較大摻量下是由玄武巖纖維本身抗拉能力起主要作用.當(dāng)再生骨料替代率大于70%時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，強(qiáng)度先增加后降低，但仍大于未摻加纖維時(shí)的強(qiáng)度.這是由于玄武巖纖維的親水性，減少了水泥水化時(shí)所需的水分.由此可見，在纖維摻量為0.1%時(shí)相對(duì)于未摻加纖維的再生混凝土，其劈裂拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)是趨于平緩的，也可以看出玄武巖纖維對(duì)于較大再生骨料替代率下的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果十分明顯.

圖7 劈裂拉伸強(qiáng)度Fig.7 Splitting tensile strength

圖8 普通混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度Fig.8 Plain concrete splitting tensile strength

3 結(jié)論

通過對(duì)玄武巖再生混凝土劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)，立方體抗壓實(shí)驗(yàn)的研究，得出以下結(jié)論：

1)玄武巖纖維會(huì)降低再生混凝土的流動(dòng)性，增大水泥基體間的摩擦力，對(duì)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)、增韌效果.

2)在水泥凈漿包裹方式下，對(duì)于同一纖維摻量下，隨著再生粗骨料替代率的增加而呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，并且在0.1%纖維摻量下，上升趨勢(shì)明顯；但對(duì)于在0.3%纖維摻量下，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，并且在再生粗骨料替代率40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.

3)對(duì)于劈裂拉伸強(qiáng)度，在纖維摻量為0.1%時(shí)對(duì)再生混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)是趨于平緩的，并且玄武巖纖維對(duì)于較大再生骨料替代率下的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果十分明顯.

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Mechanical properties of basalt fiber reinforced recycled aggregate concrete

LI Xiaolu1,JIN Baohong1,YAO Yufeng1,2,GUO Hongwei1
(1.College of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Department of Civil Engineering,China University of Mining and Technology Yinchuan College,Yinchuan 750021,China)

Basalt fiber is a new inorganic fiber material with good ductility,high tensile strength,low density and outstanding economical advantages in building construction.It provides a new idea for the improvement of the mechanical properties of recycled concrete.For C30 strength grade of concrete,the compressive strength and splitting tensile strength of basalt fiber reinforced recycled aggregate concrete (RAC) with fiber dosage of 0.1%,0.2% and 0.3% were tested.Results show that the basalt fiber will reduce the fluidity of recycled concrete,and increase the friction between the cement matrices.Furthermore,it can also enhance the compressive strength and tensile strength of the recycled concrete.In particular,when the dosage of basalt fiber was 0.3% and the replacement ratio of coarse aggregate was 40%,the compressive strength reached the maximum for C30 strength grade of concrete.When the fiber dosage is 0.1%,the growth trend of the tensile strength of recycled concrete is stable.The study can provide guidance and reference for the application of recycled aggregate in concrete engineering practice.

basalt fiber；recycled aggregate concrete；compressive strength；splitting tensile strength

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11162015);寧夏回族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(201610749076)

李曉路(1992—)，男，河北保定人，寧夏大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用研究. E-mail：lixiaoludream@sina.cn

金寶宏(1968—)，男，北京人，寧夏大學(xué)教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用研究.E-mail:jinbaohong@nxu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.03.001

TU528.572

A

1000-1565(2017)03-0225-06