鋼纖維-玄武巖纖維混雜對再生混凝土抗凍性能的影響

侯晉杰，賈迎澤，趙強(qiáng)

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 前 言

纖維增強(qiáng)高性能混凝土是近年來研究的熱點(diǎn)，纖維對混凝土基本力學(xué)性能、耐久性能以及長期性能均有一定的積極影響[1-3]。目前關(guān)于單一纖維對混凝土的研究已經(jīng)做了大量的工作，但隨著研究的深入，多個(gè)學(xué)者發(fā)現(xiàn)單一纖維對優(yōu)化混凝土性能有一定的局限性，不同纖維性能優(yōu)勢互補(bǔ)更加符合復(fù)合材料增強(qiáng)理論[4-6]。有研究表明[7]，鋼纖維具有阻止混凝土基體裂縫發(fā)展的作用，從而使混凝土的抗拉、抗剪、抗沖擊、韌性、耐久性能得到提高；當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%～2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高了27%～52%，抗剪強(qiáng)度提高了45%～90%[8-9]。而玄武巖纖維對混凝土具有阻裂、增韌的效果，尤其對混凝土早期抗開裂作用，可以極大地減少混凝土早期裂縫出現(xiàn)，進(jìn)而提高混凝土基體的密實(shí)性，增強(qiáng)混凝土的抗凍性能[10-11]。因此本文在保證鋼纖維提高再生混凝土基本力學(xué)性能基礎(chǔ)上，研究玄武巖纖維對鋼纖維再生混凝土抗凍性能的影響，充分發(fā)揮不同纖維的性能優(yōu)勢。并從理論上揭示混雜纖維增強(qiáng)再生混凝土的耐久性機(jī)理，促進(jìn)混雜纖維再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：太原獅牌P·O42.5 水泥；硅灰：四川某硅粉廠生產(chǎn)，比表面積18 954 m2/kg，燒失量2.28%；河砂：太原某砂廠提供，細(xì)度模數(shù)2.37，表觀密度2700 kg/m3，吸水率3.6%，含泥量1.4%，粒徑0.075～4.75 mm；天然粗骨料(NCA)：太原某砂石廠提供，粒徑5～20 mm 的碎石，表觀密度2470 kg/m3，壓碎指標(biāo)13.1%；再生粗骨料(RCA)：某小區(qū)廢舊混凝土梁經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、篩分、清洗組配后得到，符合GB 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中5～20 mm 連續(xù)級配要求，壓碎指標(biāo)14.48%；聚羧酸減水劑(PC)：減水率35%～40%，固含量40%；水：自來水；鋼纖維(SF)：太原某鋼纖維廠生產(chǎn)，斷面呈矩形，縱向?yàn)榕で鸂睿恍鋷r纖維(BF)：大同某玄武巖纖維廠生產(chǎn)，2 種纖維的技術(shù)性能見表1。

表1 鋼纖維和玄武巖纖維的技術(shù)性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文主要考慮纖維種類和摻量對再生混凝土抗凍性能的影響，在再生混凝土配合比的基礎(chǔ)上，根據(jù)單一變量原則調(diào)整各成分變量，最終確定配合比。本研究中再生粗骨料等體積取代50%天然粗骨料，鋼纖維體積摻量分別為0、1%、2%，玄武巖纖維體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%，再生混凝土的具體配合比見表2。

表2 再生混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm；抗壓強(qiáng)度試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm。采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)在水中凍融循環(huán) 0、50、100、150、200 次后，測試混凝土試件的質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度來表征試件的抗凍性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維增強(qiáng)再生混凝土凍融后的質(zhì)量損失率

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率見圖1。

圖1 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率

由圖1 可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，未摻纖維的普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失均逐漸增大。在經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)時(shí)，單摻1%、2%鋼纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率較普通再生混凝土分別降低了37.1%、67.8%；單摻0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率較普通再生混凝土分別降低了24.1%、36.2%、37.3%；復(fù)摻鋼纖維和玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率較普通再生混凝土平均降低了76.8%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面裂縫逐漸增多，凍融損傷不斷增加，質(zhì)量損失率也開始增大。經(jīng)歷150 次凍融循環(huán)后，未摻纖維的再生混凝土表面疏松、石子外露、砂漿大面積脫落，輕微觸碰即成松散狀態(tài)；而摻入鋼纖維和玄武巖纖維可有效抑制再生混凝土表面的剝蝕作用，表面無貫穿裂縫，仍具有一定抗壓強(qiáng)度，試件完整性較好，與普通再生混凝土相比，鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率分別平均降低了57.1%、23.6%、62.6%。經(jīng)歷200 次凍融循環(huán)后，鋼纖維再生混凝土、鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率最低分別為2.93%、2.67%。復(fù)摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土性能較優(yōu)，250 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為3.78%。摻入纖維的再生混凝土試件質(zhì)量損失率較普通再生混凝土更低，且混雜纖維對降低再生混凝土質(zhì)量損失率較單一纖維效果更加明顯。這是因?yàn)?，鋼纖維與玄武巖纖維在再生混凝土基體內(nèi)部形成網(wǎng)構(gòu)骨架，能有效降低骨料以及砂漿的損失。

2.2 纖維增強(qiáng)再生混凝土凍融后的相對動(dòng)彈性模量

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動(dòng)彈性模量見圖2。

圖2 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動(dòng)彈性模量

由圖2 可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，未摻纖維的普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的相對動(dòng)彈性模量均逐漸減小，且普通再生混凝土的減小速率最快。150 次凍融循環(huán)時(shí)，鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的相對動(dòng)彈性模量平均值分別為82.60%、81.07%、83.88%；200 次凍融循環(huán)后，各組混凝土的相對動(dòng)彈性模量平均值分別為72.83%、69.87%、66.10%。經(jīng)歷250 次凍融循環(huán)時(shí)，各組試件相對動(dòng)彈性模量由大到小的順序 為 RACS2B0.3＞RACS2B0.2＞RACS1B0.3＞RACS2B0.1＞RACS1B0.2＞RACS1B0.1＞RACS2＞RACB0.3＞RACS1＞RACB0.2＞RACB0.1＞RAC?？梢钥闯觯瑩饺肜w維可以減緩凍融后再生混凝土相對動(dòng)彈性模量下降的速率，混雜纖維的作用效果更明顯。因?yàn)槔w維發(fā)揮了阻裂、增強(qiáng)的作用，能有效降低了微裂縫的發(fā)展，增加混凝土的密實(shí)性，從而改善了再生混凝土的抗凍性能。復(fù)摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土經(jīng)250 次凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量為66.82%。

2.3 纖維增強(qiáng)再生混凝土凍融后的抗壓強(qiáng)度

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度見圖3。

圖3 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度

由圖3 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融損傷不斷增強(qiáng)，試件的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。0 次凍融循環(huán)時(shí)，與未摻纖維的普通再生混凝土相比，鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別平均提高了24.5%、12.9%、35.6%。經(jīng)歷100 次凍融循環(huán)后，未摻纖維的再生混凝土試件表面疏松、石子外露、砂漿大面積脫落；而摻入鋼纖維和玄武巖纖維的再生混凝土表面無貫穿裂縫，仍具有一定抗壓強(qiáng)度，試塊完整性較好。與未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)相比，普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了40.1%、26.6%、28.2%、24.8%。復(fù)摻0.2%BF+2%SF的再生混凝土性經(jīng)250 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度為25.92 MPa。相對于普通再生混凝土，摻入纖維的混凝土試件強(qiáng)度損失率更低，分析其原因，纖維在混凝土基體中形成類似鋼筋骨架的支撐作用，能夠抑制再生混凝土內(nèi)部的微裂縫、孔隙和缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展，極大地減弱了試件內(nèi)部的應(yīng)力集中，從而對減弱了凍融破壞的損傷，起到了增強(qiáng)作用。

3 結(jié) 論

(1)摻鋼纖維、玄武巖纖維纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量、立方體抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于未摻纖維的普通再生混凝土。

(2)經(jīng)凍融循環(huán)后，鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率更小、相對動(dòng)彈性模量更大、立方體抗壓強(qiáng)度更高，即摻混雜纖維的再生混凝土抗凍性優(yōu)于單摻纖維再生混凝土的抗凍性。

(3)按玄武巖纖維0.2%、鋼纖維2%復(fù)摻時(shí)再生混凝土的性能較優(yōu)，250 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為2.78%，相對動(dòng)彈性模量為66.82%，抗壓強(qiáng)度為25.92 MPa。