不同摻入率玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土梁的抗裂性能影響

王 聰,裴長春

(延邊大學工學院結(jié)構(gòu)工程系,吉林 延吉 133002)

近年來,隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展,大量的建筑物被拆除重建,從而產(chǎn)生大量的建筑垃圾。據(jù)2016年的統(tǒng)計資料表明：我國建筑垃圾產(chǎn)量達到15億噸,未來將可能達到24億噸/年。還有,2016年我國水泥產(chǎn)量達到24億噸[1],既消耗了大量石灰石等資源,又產(chǎn)生大量的二氧化碳。近年來,合理處理這些廢棄物逐步得到國內(nèi)外廣大學者們的青睞。經(jīng)研究資料表明：可以再生骨料代替天然骨料[2],以工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物,如礦渣、粉煤灰等取代水泥作為膠凝材料,配制出再生混凝土。但配制出的再生混凝土由于強度、抗裂性能等性能有大幅度的降低[3-4]而推廣應有受到一定的限制。

為了提高再生混凝土的各項性能,提高資源的合理利用率及降低環(huán)境污染,本文以礦渣、粉煤灰和低純度石灰粉代替100%傳統(tǒng)水泥,以再生骨料部分代替天然骨料拌制再生混凝土,并改變玄武巖纖維的不同摻入率分析再生混凝土的抗裂性能,為再生資源的擴大應用提供技術(shù)參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗方案設計

本試驗水膠比為0.3,以75%的礦渣、20%的粉煤灰、5%的低純度石灰石粉作為膠凝材料100%替代水泥,以30%的廢棄混凝土再生骨料替代部分天然骨料,并改變玄武巖纖維的摻入率4個水準,共設計5組再生混凝土。本試驗配合比設計見表1。

表1 試驗配合比設計

注：SFC為無熟料水泥再生混凝土；SFCBx為無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土,其中B代表玄武巖纖維下標x值代表玄武巖纖維摻量,下標值1,2,3,4分別代表摻入玄武巖纖維0.06%,0.09%,0.12%和0.15%。

本試驗所有組梁長度均為1500mm,截面尺寸均為120mm×180mm,受拉鋼筋選用HRB335級B14鋼筋。箍筋為HPB300級A8@100鋼筋。

1.2 試驗原材料

本試驗中使用的膠凝材料分別為S95級高爐礦渣,II級粉煤灰和低純度石灰石粉。再生骨料通過廢棄混凝土破碎形成,其粒徑為5～25mm；天然骨料為粒徑5～25mm具有連續(xù)級配的石子,其密度為2700kg/m3,；細骨料為天然砂。玄武巖纖維為20mm長短切玄武巖纖維。激發(fā)劑為NaOH和KOH顆粒。減水劑為液態(tài)聚羧酸高效減水劑。

1.3 試驗方法

本試驗的試驗梁均采用四點加載試驗法,為防止集中應力對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,在加載點及約束點預埋了剛性鐵塊。試驗操作均滿足GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》。

2 梁開裂與極限荷載分析

2.1 梁破壞形態(tài)分析

當荷載為23kN左右時,在梁跨中下部出現(xiàn)第一條裂縫,隨著荷載不斷增加,裂縫數(shù)量不斷增加,裂縫長度不斷加長。對于無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁與無熟料水泥再生混凝土梁相比,隨著荷載增加其裂縫數(shù)量明顯降低,裂縫寬度變小,并且由主裂縫所產(chǎn)生的支裂縫出現(xiàn)較少,裂縫長度較短。當荷載繼續(xù)增加,試件梁的撓度逐漸增加,當受拉鋼筋屈服時,跨中撓度發(fā)展迅速,混凝土受壓區(qū)出現(xiàn)破碎,直達梁完全破壞。

2.2 裂縫發(fā)展情況

圖1為無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-裂縫寬度曲線圖。由圖可以看出,隨著玄武巖纖維摻入率的增加,同級荷載下的最大裂縫寬度有所變小。玄武巖纖維的摻入對梁的最大裂縫寬度的減小有明顯效果,這是由于玄武巖纖維與無熟料水泥具有較好的粘結(jié)性,有效緩解了裂縫尖端的應力集中,降低裂縫寬度的擴大,對混凝土有較好的增韌效果和抗裂效果。

圖2為無熟料水泥不同摻入率玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-裂縫數(shù)量圖。由圖可以看出,加載初期,SFC的初始裂縫出現(xiàn)相對較早,裂縫數(shù)量隨荷載增加發(fā)展迅速,裂縫數(shù)量增加。而隨著玄武巖纖維摻入率的增加,初始裂縫出現(xiàn)較晚,裂縫數(shù)量減少2～3條,對試件梁的抗裂作用較為明顯[5]。

圖1 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載—裂縫寬度

圖2 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的裂縫數(shù)量圖

2.3 荷載—撓度關(guān)系

圖3為不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-撓度曲線圖。由圖可知：隨著荷載的繼續(xù)增加,相同荷載情況下,SFC梁相對NC梁撓度變化較大,但摻入玄武巖纖維后無熟料水泥再生混凝土梁的撓度均有所減少。以SFCB4梁與SFC相比,最大撓度減小43%,極限荷載增加8%。由此可以看出,玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土梁的撓度發(fā)展具有抑制作用,提高了梁的抗裂性能。

圖3 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-撓度曲線

2.4 梁的跨中受拉鋼筋應變分析

圖4為無熟料水泥不同摻入率玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-鋼筋應變曲線圖。由圖中可以看出：加載初期都為彈性階段,受拉鋼筋產(chǎn)生的拉應力較小,應變值與荷載成正比例變化。當荷載持續(xù)增加后,各組梁出現(xiàn)明顯變化,當玄武巖纖維摻入率在0.06%時,相同荷載作用下鋼筋應變最小,與SFC相比減小10%。可以看出在無熟料水泥再生混凝土中添加玄武巖纖維可以與基體產(chǎn)生粘結(jié)作用,為受拉區(qū)鋼筋分擔部分應力,從而是鋼筋變形的速度得到緩解降低鋼筋應變。

圖4 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-應變曲線

3 結(jié)論

本文通過研究不同摻入率的玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土的基本力學性能及梁試件的抗裂性能,得出以下結(jié)果:①玄武巖纖維無熟料水泥再生混凝土梁的開裂寬度和裂縫數(shù)量隨著玄武巖纖維的摻入率增加而減少,當玄武巖纖維摻入率為0.12%時能夠最有效的減小無熟料水泥再生混凝土梁裂縫的開裂寬度和裂縫數(shù)量；②無熟料水泥再生混凝土梁的撓度隨著玄武巖纖維摻入率的增加而減??；③無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁跨中受拉鋼筋的應變隨荷載的變化趨勢與普通混凝土梁的變化趨勢相似。

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[3]吳銘輝.再生混凝土高性能化的研究現(xiàn)狀[J].江西建材,2014(01):12-13．

[4]陳偉,王均,張可等.玄武巖纖維對混凝土梁抗裂性能的影響[J].材料科學與工程學報,2017(35):144-148．

[5]張明濤,趙敏,譚克鋒.新型無熟料礦渣水泥的試驗研究[J].硅酸鹽通報,2011(20):920-924．