玄武巖纖維對(duì)再生混凝土軸心受拉性能的影響

劉 逸， 劉元珍， 劉運(yùn)房， 郭耀東

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，混凝土作為主要的建筑材料，在大量使用砂石材料的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的混凝土廢棄物，造成了資源浪費(fèi)、能源短缺和環(huán)境破壞等一系列重大問(wèn)題。利用再生骨料制備的再生混凝土，是實(shí)現(xiàn)建筑固廢物資源化和建筑垃圾處理的有效途徑。

混凝土天然存在拉壓強(qiáng)度和變形相差懸殊、質(zhì)地脆等特點(diǎn)，較低的抗拉能力使混凝土更易開裂，進(jìn)而引起鋼筋銹蝕等病害，威脅建筑物的承載力與耐久性能。大量研究表明，再生混凝土由于再生骨料的自身缺陷和內(nèi)部多重界面過(guò)渡區(qū)的復(fù)雜性[1]，其力學(xué)性能、耐久性能等均較普通混凝土差[2-4]，使混凝土的缺陷更加突出。肖建莊等[5]研究表明，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度較普通混凝土低，并提出了再生混凝土軸拉上升段的計(jì)算式。盧欽旺等[6]研究得到再生混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，表明再生混凝土隨再生粗骨料取代率的增大，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，峰值應(yīng)變略微增大。

纖維對(duì)混凝土具有增韌、增強(qiáng)、阻裂作用[7-8]，對(duì)再生混凝土性能的改善引起人們的重視。作為四大高性能纖維之一，玄武巖纖維(basalt fiber，BF)具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等特性[9]，對(duì)再生混凝土的抗拉性能具有積極作用。陳愛(ài)玖等[10]研究表明，當(dāng)玄武巖纖維為4 kg/m3時(shí)，再生混凝土的劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了15.8%和19.4%。高銀[11]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)再生混凝土劈拉強(qiáng)度的提升作用較抗壓強(qiáng)度更為明顯，玄武巖纖維對(duì)再生混凝土抗拉強(qiáng)度的提升作用已得到較多學(xué)者的一致認(rèn)識(shí)[12-13]。

綜上，玄武巖纖維對(duì)再生混凝土抗拉性能的研究主要是通過(guò)劈拉和彎拉試驗(yàn)進(jìn)行，軸心拉伸性能還鮮有涉及。間接拉伸試驗(yàn)并不能真實(shí)反映混凝土的抗拉性能，因而通過(guò)自行設(shè)計(jì)的混凝土單軸直接拉伸試驗(yàn)裝置，探究玄武巖纖維對(duì)再生混凝土軸心受拉性能的影響，并與普通混凝土進(jìn)行比較，對(duì)理論研究和工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

混凝土所用膠凝材料為P·O 42.5級(jí)水泥和硅灰。粗骨料均為連續(xù)級(jí)配，粗骨料的物理指標(biāo)如表1所示，天然粗骨料為天然碎石，再生粗骨料經(jīng)檢測(cè)屬于II類，如圖1(a)所示。細(xì)骨料為2區(qū)天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4。外加劑選用減水率為35%高效聚羧酸減水劑。拌和水為自來(lái)水。

玄武巖纖維是一種硅酸鹽類的純天然無(wú)機(jī)纖維。采用山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，纖維為集束型，整體呈金褐色，如圖1(b)所示，其物理性能如表2所示。

表1 粗骨料的物理性能

圖1 再生粗骨料和玄武巖纖維Fig.1 Recycled coarse aggregates and basalt fibers

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用纖維體積率法，在已設(shè)計(jì)的混凝土配合比基礎(chǔ)上，直接將玄武巖纖維摻入混凝土拌合物中。普通混凝土(normal concrete，NC)和再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)基體的配合比如表3所示。為了保證混凝土的力學(xué)性能和施工性能，再生混凝土中的再生粗骨料體積取代率為50%，試件制作前通過(guò)預(yù)潤(rùn)濕處理，使再生粗骨料為飽和面干狀態(tài)。

考慮纖維摻量為主要因素，玄武巖纖維在普通混凝土和再生混凝土中的體積摻量分別取0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%。根據(jù)配合比不同命名混凝土試件，將玄武巖纖維分別摻入NC和 RAC后，用BFRC(basalt fiber reinforced concrete)表示玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土，BFRAC(basalt fiber recycled aggregate concrete)表示玄武巖纖維再生混凝土，其后數(shù)字表示纖維的體積摻量。

表2 玄武巖纖維的物理性能

表3 混凝土基體配合比

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用變截面啞鈴形試件[14]，如圖2所示。試件總長(zhǎng)為460 mm，受拉區(qū)截面尺寸為100 mm×100 mm。變截面的試件形狀，可控制試件在中部量測(cè)區(qū)域發(fā)生斷裂。平滑圓弧曲面的過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)，可有效減少截面變化造成的應(yīng)力集中。每組試件為3個(gè)。

R為圓弧面的曲率半徑圖2 試件尺寸Fig.2 Dimension of specimen

為解決混凝土軸拉試驗(yàn)中可能存在的偏心受拉及試驗(yàn)機(jī)剛度問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了由高強(qiáng)鋼板和四根鋼柱元件組成的鋼架，以提高試驗(yàn)裝置的整體高度，降低試件達(dá)到峰值應(yīng)力后的破壞速度。并通過(guò)拉環(huán)和匹配圓弧曲面的套箍進(jìn)行傳力，避免夾持試件端部引起的表面損傷以及黏結(jié)式連接不牢靠的問(wèn)題。加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置Fig.3 Uniaxial tensile test device

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軸心受拉強(qiáng)度

各試件軸心受拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 軸心受拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

玄武巖纖維摻量對(duì)各試件初裂強(qiáng)度的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著纖維摻量的增加，BFRAC的初裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí)，BFRAC的初裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，提升率為40.5%。玄武巖纖維摻量對(duì)各試件軸拉強(qiáng)度(即軸拉峰值應(yīng)力)的影響如圖5所示。從圖5可以看出，BFRAC的軸拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加，先增加后減小，軸拉強(qiáng)度在纖維摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最優(yōu)，提升率為35.4%。說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度提升作用明顯。分析其增強(qiáng)原因?yàn)?，再生混凝土中舊水泥砂漿存在較多的孔隙和裂縫，使混凝土內(nèi)部的界面過(guò)渡區(qū)性能較差，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就會(huì)加速發(fā)展直至混凝土破壞。而摻入高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的玄武巖纖維，在混凝土受拉開裂時(shí)，作為增強(qiáng)相的纖維具有橋接作用，能繼續(xù)承受裂縫間的拉應(yīng)力，降低了微裂縫周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而纖維可提高再生混凝土的抗拉能力。

但較多的纖維在混凝土中易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，分散性較差，不利于其與基體的緊密結(jié)合，導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部密實(shí)性降低，不再是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。同時(shí)在混凝土攪拌過(guò)程中，較多的纖維會(huì)吸收大量的水，使再生混凝土中水泥未能完全發(fā)生水化反應(yīng)[11]，因而玄武巖纖維對(duì)再生混凝土抗拉強(qiáng)度的提升效果會(huì)降低。

圖4 玄武巖纖維摻量對(duì)初裂強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of BF volume fraction on initial tensile strength

圖5 玄武巖纖維摻量對(duì)軸拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of BF volume fraction on uniaxial tensile strength

與BFRC相比，BFRAC的初裂強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度均低于BFRC，反映出再生粗骨料因其自身較差的性能，會(huì)降低混凝土的抗拉強(qiáng)度。不同纖維摻量下，纖維對(duì)BFRC初裂強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度的平均提升率分別為21.9%和21.5%，對(duì)BFRAC初裂強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度的平均提升率分別為28.7%和26.3%，說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)再生混凝土軸心受拉強(qiáng)度的提升效果要優(yōu)于普通混凝土，摻入纖維可以較好地彌補(bǔ)再生混凝土內(nèi)部的自身缺陷，纖維對(duì)再生混凝土中裂縫拓展的抑制能力較普通混凝土更為顯著。

2.2 軸心受拉變形性能

各試件軸心受拉變形性能的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

玄武巖纖維摻量對(duì)各試件初裂應(yīng)變的影響如圖6(a)所示，可以看出，隨著纖維摻量的增加，BFRAC的初裂應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí)，BFRAC的初裂應(yīng)變達(dá)到最大值，提升率為10.4%。玄武巖纖維摻量對(duì)各試件峰值應(yīng)變的影響如圖6(b)所示，可以看出，BFRAC的峰值應(yīng)變隨纖維摻量的增加，同樣先增加后減小，峰值應(yīng)變?cè)诶w維摻量為0.3%時(shí)提升率最大，為22.4%。說(shuō)明適量的玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部形成亂向分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效提高復(fù)合材料的整體性能，進(jìn)而束縛裂縫的發(fā)展。同時(shí)纖維與混凝土基體具有較好的粘結(jié)性能，使混凝土在破壞過(guò)程中需要消耗更多的能量，因而提高了混凝土的延性，使再生混凝土的變形性能更優(yōu)。

BFRAC的峰值應(yīng)變略高于BFRC，這與肖建莊等[5]和盧欽旺等[6]的研究結(jié)果相一致，認(rèn)為再生粗骨料表面附著有舊水泥砂漿，結(jié)合面存在薄弱層，其自身彈性模量低于天然粗骨料，且再生粗骨料自身的變形大，會(huì)增大混凝土的變形能力，使再生混凝土的峰值應(yīng)變高于普通混凝土。而BFRAC初裂應(yīng)變低于BFRC，是由于再生混凝土較低的初裂強(qiáng)度和初始彈性模量導(dǎo)致的。纖維對(duì)BFRC初裂應(yīng)變和峰值應(yīng)變的提升率分別為6.8%和12.9%，對(duì)BFRAC初裂應(yīng)變和峰值應(yīng)變的平均提升率為4.2%和17.4%，表明玄武巖纖維對(duì)再生混凝土峰值應(yīng)變的提升效果較優(yōu)于普通混凝土，而對(duì)初裂應(yīng)變的區(qū)別不大。

表5 軸心受拉變形性能試驗(yàn)結(jié)果

混凝土初始彈性模量取為0.5倍峰值應(yīng)力時(shí)的割線模量。玄武巖纖維摻量對(duì)各試件初始彈性模量的影響如圖6(c)所示?？梢钥闯觯珺FRAC初始彈性模量隨纖維摻量的增加，先增大后減小，當(dāng)纖維摻量為0.3%，BFRAC的初始彈性模量最大，提升率為16.9%。說(shuō)明在一定摻量范圍內(nèi)，依據(jù)彈性疊加原理，玄武巖纖維的彈性模量相對(duì)于混凝土基體更高，使復(fù)合材料的彈性模量提高。

圖6 玄武巖纖維摻量對(duì)軸心受拉變形性能的影響Fig.6 Effect of BF volume fraction on uniaxial tensile deformation property

而因再生粗骨料的彈性模量較低，部分取代天然粗骨料后，混凝土整體的彈性模量降低，導(dǎo)致BFRAC的初始彈性模量較BFRC略低。纖維對(duì)BFRC初始彈性模量平均提升率為7.0%，對(duì)BFRAC初始彈性模量的平均提升率為11.6%。因而玄武巖纖維對(duì)再生混凝土彈性模量的提高效果更優(yōu)。

2.3 軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

混凝土的受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€可以完整地反映力與變形的全過(guò)程，BFRAC的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖7所示。不同纖維摻量下，BFRAC初裂點(diǎn)前曲線的斜率基本一致，且較不摻纖維的基體有明顯提升。經(jīng)過(guò)初裂點(diǎn)后，各曲線開始出現(xiàn)明顯的差別，說(shuō)明混凝土產(chǎn)生裂縫，亂向分布的玄武巖纖維開始承受拉應(yīng)力，對(duì)混凝土發(fā)揮阻裂作用，但不同摻量的纖維對(duì)試件抗拉性能影響存在差異。纖維摻量為0.3%時(shí)，峰值應(yīng)力與應(yīng)變最大，下降段殘余變形最大，曲線最為飽滿，說(shuō)明此摻量下纖維與基體的結(jié)合性最優(yōu)，纖維自身優(yōu)良的性能得到充分發(fā)揮，使再生混凝土體現(xiàn)出較好的韌性。而摻量較大時(shí)，纖維因分散性較差產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，摻量為0.5%時(shí)，曲線的豐滿程度較差。

纖維摻量對(duì)BFRAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)的影響與BFRC總體差別較小，以0.3%的纖維摻量為例，如圖8所示，BFRAC的裂縫發(fā)展階段較BFRC更為平緩，峰值應(yīng)力較小，且下降段更陡峭，表明再生混凝土的軸拉韌性略小于普通混凝土。

圖7 玄武巖纖維摻量對(duì)BFRAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.7 Effect of BF volume fraction on stress-strain curve of BFRAC

圖8 BFRAC0.3和BFRC0.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of stress-strain curves between BFRAC0.3 and BFRC0.3

圖9 峰值應(yīng)變與軸拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.9 Relationship between peak tensile strain and uniaxial tensile strength

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線得，各組試件軸拉強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。BFRAC和BFRC的軸拉峰值應(yīng)變隨軸拉強(qiáng)度的增加而提高，與普通混凝土中的規(guī)律相一致。普通混凝土峰值應(yīng)變計(jì)算公式為[15]

(1)

式(1)中：εt為峰值應(yīng)變；ft為軸拉強(qiáng)度。對(duì)BFRAC和BFRC試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分別得到式(2)、式(3)，擬合度較好?？梢缘贸鯞FRAC的峰值應(yīng)變較同強(qiáng)度的BFRC提高約8.3%。

BFRAC:

(2)

BFRC:

(3)

3 結(jié)論

(1)再生粗骨料會(huì)降低混凝土的軸拉性能，而玄武巖纖維在再生混凝土中均勻分散、相互搭接形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可分擔(dān)混凝土內(nèi)部裂縫處的拉應(yīng)力，抑制裂縫的發(fā)展，因而可以提高再生混凝土的軸拉性能。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)，再生混凝土初裂強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、初裂應(yīng)變、峰值應(yīng)變和初始彈性模量均達(dá)到最優(yōu)值，提升率分別為40.5%、35.4%、10.4%、22.4%和16.9%。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增加，再生混凝土初裂強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、初裂應(yīng)變、峰值應(yīng)變和初始彈性模量呈先增大后減小的趨勢(shì)，與普通混凝土基本一致，但玄武巖纖維對(duì)再生混凝土軸拉性能的提升效果要優(yōu)于普通混凝土。

(3)不同玄武巖纖維摻量下，再生混凝土峰值應(yīng)變隨軸拉強(qiáng)度的增大而增大。