劍麻纖維對(duì)廢紅磚建筑垃圾再生磚力學(xué)性能影響

陳俊雯， 唐 磊,2

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

改革開放以來，隨著人口增加和工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。2020年我國(guó)年產(chǎn)建筑垃圾高達(dá)24億 t，利用率不足10%，廢棄粘土燒結(jié)磚在建筑垃圾中占比較大，約為總量的60 %[1]。常見的建筑垃圾處理方式為露天堆放和直接填埋，這使得大量空間被占用并對(duì)環(huán)境造成直接或間接的污染。采用廢棄建筑垃圾加工制得而成的再生骨料替代天然砂石骨料進(jìn)行資源化利用，既滿足建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，又符合環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)的要求[2]。

對(duì)再生骨料制成的再生磚試驗(yàn)研究表明，再生磚能夠獲得較好的機(jī)械性能及熱工性能[3]，但再生磚脆性特點(diǎn)明顯，強(qiáng)度較低。植物纖維具有密度低、吸濕性好、耐摩擦、高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)[4]等優(yōu)點(diǎn)。劍麻纖維質(zhì)地堅(jiān)硬耐磨，具有很好的抗拉強(qiáng)度，并且耐鹽酸、耐腐蝕，運(yùn)用到再生磚中可以有效改善再生磚的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能指標(biāo)[5]。

本文研究了不同摻量劍麻纖維再生磚的力學(xué)性能，并結(jié)合試樣的SEM圖分析機(jī)理，得到最佳配比。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)參數(shù)與配合比

本試驗(yàn)以劍麻纖維的摻量為主要試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)制作4組共84個(gè)240 mm × 115 mm × 53 mm的廢紅磚建筑垃圾再生磚。從每組21個(gè)試件中選取7個(gè)試件，分別測(cè)量在3 d、7 d及28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水率、飽和系數(shù)、體積密度等，研究不同劍麻纖維摻量對(duì)建筑垃圾再生磚力學(xué)性能的影響；同時(shí)，進(jìn)行SEM觀測(cè)，研究劍麻纖維再生磚的微觀結(jié)構(gòu)。以再生骨料取代率為100 %的再生混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，劍麻纖維的摻量分別為0 kg/m3、1.5 kg/m3、3 kg/m3、4.5 kg/m3，如表1所示。

表1 材料配合比

1.2 材料來源與制備

水泥采用海螺P·O 32.5，粗骨料為破碎處理的建筑垃圾紅磚，細(xì)骨料為破碎處理的建筑垃圾砂漿。先人工用錘進(jìn)行破碎，分離出其他雜物，再用顎式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎，過篩得到連續(xù)顆粒級(jí)配，獲取本次試驗(yàn)骨料。本次試驗(yàn)粗骨料和細(xì)骨料的比例為6∶4，粒徑分別為4.75～10 mm和0～4.75 mm，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2001《建筑用砂》[6]和GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》[7]測(cè)得細(xì)骨料的含水率為2.2 %，24 h吸水率為30.2 %，堅(jiān)固性為18.4 %，堆積密度和表觀密度分別為880 kg/m3和2 143 kg/m3；粗骨料的含水率為0.3 %，24 h吸水率為7.8 %，堅(jiān)固性為0.6 %，堆積密度和表觀密度分別為1 039 kg/m3和2 344 kg/m3，實(shí)物如圖1所示。劍麻纖維是廣西龍州強(qiáng)力麻業(yè)有限公司生產(chǎn)的劍麻成品，為消除植物纖維中半纖維素和木質(zhì)素受水泥高堿侵蝕溶解的問題，對(duì)劍麻纖維進(jìn)行堿液浸漬，將剪切成10～15 mm的劍麻短纖維在加入拌和物前，使用濃度為1%的NaOH溶液中浸泡1 h，如圖2所示。

(a)細(xì)骨料 (b)粗骨料

(a)剪切后的劍麻纖維 (b)NaOH溶液浸漬的劍麻纖維

1.3 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》[8]的要求，在3 000 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。將同一塊試樣的兩半截磚切斷口相反疊放，疊合部分不得小于100 mm，以0.3 MPa/s加載速率對(duì)疊放試件進(jìn)行加載，直至試件被破壞為止。進(jìn)行抗折試驗(yàn)時(shí)，將試樣大面平放在下支輥上，支輥的跨距為200 mm，試樣兩端面與下支輥的距離保持相同，當(dāng)試樣有裂縫或凹陷時(shí)使有裂縫或凹陷的大面朝下，以0.03 MPa/s的速度加載，直至試樣斷裂，試驗(yàn)加載實(shí)物如圖3所示。進(jìn)行體積密度、吸水率及飽和系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣依次進(jìn)行干燥、浸泡、蒸煮等步驟，獲得相關(guān)參數(shù)。

(a) 抗壓試驗(yàn) (b)抗折試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

再生磚的骨料來源決定了骨料自身的強(qiáng)度低于天然石材，破碎的過程加劇了內(nèi)部裂縫的發(fā)展和損傷程度，試件破壞時(shí)，試件斷面貫穿其中，骨料發(fā)生劈裂破壞。劍麻纖維摻量的變化對(duì)再生磚的破壞形態(tài)并未產(chǎn)生影響，本文劍麻纖維的長(zhǎng)度較小(10～15 mm)，在破壞斷面可以觀察到均勻分布的紅磚粗骨料，如圖4所示。

圖4 骨料破壞模式

2.2 劍麻纖維在砂漿中的微觀形態(tài)

從微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，劍麻纖維與砂漿在接觸界面能夠較好地相互黏結(jié)，如圖5所示。劍麻纖維與砂漿接觸面的SEM分析圖如圖5(a)所示，中間為劍麻纖維，四周為水泥砂漿。由圖5(a)可知，劍麻纖維被砂漿緊密包裹，整體性較好。主要原因是劍麻纖維屬于親水性材料[9]，較高的吸水率使包裹在附近的砂漿基體水分被吸收，導(dǎo)致這一區(qū)域水與水泥的質(zhì)量比減小，固體顆粒之間的距離縮短，更易于水化產(chǎn)物C-S-H凝膠對(duì)該部分孔隙的填充，促進(jìn)劍麻纖維與漿體的黏結(jié)；同時(shí)在水泥水化過程中，劍麻纖維內(nèi)部存貯的水分隨水泥基材料內(nèi)部相對(duì)濕度的變化而釋放出來，對(duì)水泥基材料起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用[10]。劍麻纖維與水泥基體緊密結(jié)合時(shí)，荷載在纖維與水泥基體之間傳遞，部分應(yīng)力由高強(qiáng)度、高模量的纖維分擔(dān)。隨著荷載的增加，劍麻與水泥漿體受力發(fā)生不同程度變形。當(dāng)纖維與水泥基體的承載能力達(dá)到極限或二者結(jié)合界面處粘結(jié)力不足時(shí)使得纖維脫離水泥，即基體構(gòu)成破壞。再生磚破壞斷面中劍麻端部被砂漿包裹，結(jié)合緊密，而沿劍麻纖維自身纖維束方向的劍麻纖維-漿體界面存在間隙，呈脫離狀如圖5(b)所示。

(a)劍麻纖維砂漿結(jié)合界面 (b)摻劍麻纖維試件破壞界面

3 劍麻纖維再生磚的物理性能

為研究再生磚物理性能，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2542-2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》要求獲得相關(guān)參數(shù)，采用公式(1)～公式(4)分別計(jì)算試件的體積密度ρ、常溫水浸泡24 h吸水率W24、沸煮3 h吸水率W3及飽和系數(shù)K。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為體積密度，kg/m3；m0為試樣干質(zhì)量，kg；ν為試樣體積，m3；w24為常溫水浸泡24 h試樣吸水率，%；m24為試樣浸水24 h的濕質(zhì)量，kg；W3為常溫水浸泡3 h試樣吸水率，%；m3為試樣浸水3 h的濕質(zhì)量，kg；K為試樣飽和系數(shù)；m24為常溫水浸泡24 h試樣濕質(zhì)量，kg；m5為試樣煮沸5 h的濕質(zhì)量，kg。

測(cè)試結(jié)果取平均值如表2所示。從表2中可以看出，再生磚的體積密度基本穩(wěn)定，未發(fā)生較大幅度變化。吸水率隨著劍麻纖維摻量的增加有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度較小。以28 d常溫24 h吸水率為例，當(dāng)摻入纖維量為1.5 kg/m3、3 kg/m3及4.5 kg/m3時(shí)，吸水率增長(zhǎng)幅度分別為15.4 %、28.1 %及21.5 %。風(fēng)化作用會(huì)使再生磚產(chǎn)生裂紋、剝蝕、破碎、脫落等現(xiàn)象。飽和系數(shù)為磚的抗風(fēng)化性能合格數(shù)值，良好的抗風(fēng)化性能保證磚材料不會(huì)因裸露在大氣之中而影響壽命。表2中數(shù)據(jù)顯示，建筑垃圾廢紅磚再生磚的飽和系數(shù)未能滿足規(guī)范中對(duì)抗風(fēng)化的要求，均大于0.85，這說明試件內(nèi)部連通孔隙數(shù)量較多，而摻加劍麻纖維對(duì)其改善效果欠佳，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

表2 再生磚物理性能

續(xù)表2 再生磚物理性能

4 劍麻纖維對(duì)再生磚力學(xué)性能影響

4.1 抗壓性能

劍麻纖維對(duì)再生磚抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，各組再生磚的抗壓強(qiáng)度在前期增長(zhǎng)幅度較小， 7 d后，再生磚的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度變大。隨著劍麻纖維摻量的增加，再生磚抗壓強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)摻量為3 kg/m3，強(qiáng)度降低幅度較小。劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為正值，其余組增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表現(xiàn)出強(qiáng)度損失。當(dāng)劍麻纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)，劍麻纖維再生磚3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度平均值比無劍麻纖維摻量的再生磚分別降低8 %、19 %和16 %；劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，劍麻纖維再生磚3 d抗壓強(qiáng)度平均值比無劍麻纖維摻量的再生磚提高11 %，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度平均值分別降低1 %和8 %；劍麻纖維摻量為4.5 kg/m3時(shí)，再生磚3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度平均值比無劍麻纖維摻量的再生磚分別降低3 %、15 %和21 %；其中， 3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均在摻量為3 kg/m3時(shí)，劍麻纖維再生磚與無劍麻纖維摻量再生磚的抗壓強(qiáng)度差異最小，強(qiáng)度并未隨摻量的增長(zhǎng)呈線性變化。這種非線性影響一方面是摻入的劍麻纖維與水泥基體緊密結(jié)合，抑制再生磚內(nèi)微裂縫發(fā)展對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生增強(qiáng)作用；另一方面是，劍麻纖維在水泥水化過程中因其親水性和吸水性，減弱了水泥泌水現(xiàn)象，多余的水分在水泥體內(nèi)增加了孔洞的數(shù)量，使得再生磚體內(nèi)原生裂縫增多，從而降低了抗壓強(qiáng)度。

(a)抗壓強(qiáng)度變化 (b)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率變化

4.2 抗折性能

廢紅磚建筑垃圾再生磚抗折強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)的變化如圖7(a)所示。各組再生磚的抗折強(qiáng)度在前期增長(zhǎng)幅度較大，而超過7 d，再生磚的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度變?。浑S著劍麻纖維的摻入，再生磚的抗折強(qiáng)度得到提升，其中當(dāng)劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，出現(xiàn)抗折強(qiáng)度最大值，為3.29 MPa。與無劍麻纖維摻量的再生磚相比，劍麻纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)，劍麻纖維再生磚抗折強(qiáng)度在3 d、7 d及28 d的增長(zhǎng)率分別為14 %、3 %和6 %；劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，3 d、7 d及28 d的增長(zhǎng)率分別為28 %、22 %和15%；繼續(xù)增加摻量為4.5 kg/m3時(shí)，劍麻纖維再生磚抗折強(qiáng)度在3 d、7 d及28 d的增長(zhǎng)率依次為9 %、1 %和13 %；可以發(fā)現(xiàn)增長(zhǎng)率隨齡期增長(zhǎng)而降低，但始終在劍麻摻量為3 kg/m3時(shí)擁有最大值。這說明，劍麻纖維對(duì)再生磚的抗折強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，且在摻量為3 kg/m3時(shí)效果最為明顯。其原因主要與劍麻纖維抑制試件內(nèi)裂縫的擴(kuò)展有關(guān)，劍麻纖維與水泥基體緊密結(jié)合時(shí)能夠分擔(dān)基體所受的部分拉力，在產(chǎn)生裂縫時(shí)有效地連接分裂界面，抑制了裂縫的形成和發(fā)展，從而增強(qiáng)了基體的抗折性能。而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，試件彈性模量變大，達(dá)到變形破壞的所需荷載增大，此時(shí)，劍麻纖維的阻裂作用不再明顯[11]。

劍麻纖維對(duì)力學(xué)性能的影響并不是單向的，劍麻纖維的吸水性、親水性可以在水泥水化過程中促進(jìn)基體材料間的致密性和整體性，并對(duì)細(xì)微裂縫的發(fā)展有抑制作用；但同時(shí)劍麻纖維的摻加，其不均勻分布及吸水收縮后的體積會(huì)構(gòu)成機(jī)體內(nèi)薄弱界面，增加內(nèi)部孔隙與缺陷，因而劍麻纖維對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)與減強(qiáng)存在一個(gè)平衡。綜合本文試驗(yàn)結(jié)果，可以得出當(dāng)劍麻纖維長(zhǎng)度為10～15 mm時(shí)，對(duì)低強(qiáng)度的廢紅磚建筑垃圾再生磚產(chǎn)生優(yōu)化作用的最佳摻量為3 kg/m3，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大摻量，將會(huì)使得纖維間距增大，砂漿的孔隙率逐漸增大，對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)效果降低。

(a)抗折強(qiáng)度變化 (b)抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率變化

5 再生磚力學(xué)性能與劍麻纖維摻量的相關(guān)性

試驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能與劍麻纖維摻量的相關(guān)性進(jìn)行了初步擬合，其結(jié)果圖8和如表3所示。以28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的擬合表達(dá)式進(jìn)行修正，分別得到式(5)、式(6)；并與相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示(1-28 d、2-28 d、3-28 d分別為引用文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[9]數(shù)據(jù)，1-28 d*、2-28 d*、3-28 d*為對(duì)應(yīng)擬合數(shù)值結(jié)果)。本文提出的抗壓強(qiáng)度與劍麻纖維摻量關(guān)系的擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比吻合較好，能夠較好地描述劍麻纖維摻量對(duì)水泥材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，抗折強(qiáng)度擬合結(jié)果與實(shí)際值仍存在一定偏差。有關(guān)劍麻纖維復(fù)合材料性能的影響因素較多，擬合公式還有待試驗(yàn)進(jìn)一步完善。

(a)抗壓強(qiáng)度擬合曲線 (b)抗折強(qiáng)度擬合曲線

力學(xué)性能養(yǎng)護(hù)周期 /d擬合表達(dá)式(0≤x≤4.5)R2抗壓強(qiáng)度3y=7.943-2.127 2x+1.478 5x2-0.223 7x317y=9.212-3.816 1x+2.259 1x2-0.330 7x3128y=13.487-3.922 8x+2.093 7x2-0.302 5x31抗折強(qiáng)度3y=1.842 8+0.022 3x+0.142 2x2-0.030 8x317y=2.496 3-0.420 9x+0.417 1x2-0.071 6x3128y=2.862 8+0.007 6x+0.100 2x2-0.018 6x31

y=2.862 8+0.007 6x+0.100 2x2-0.018 6x3+z(0≤x≤4.5)

(5)

y=13.487-3.922 8x+2.093 7x2-0.302 5x3+z(0≤x≤4.5)

(6)

z=y*-y0

(7)

式中：z為修正參數(shù)；y*為x=0時(shí)，擬合公式所得結(jié)果；y0為x=0時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得結(jié)果。

(a)抗壓強(qiáng)度擬合對(duì)比 (b)抗折強(qiáng)度擬合對(duì)比

6 結(jié) 語

(1)廢紅磚建筑垃圾再生磚破壞時(shí)，骨料強(qiáng)度低，在加載破壞斷面中，發(fā)生劈裂破壞，在微觀形態(tài)中，劍麻纖維與砂漿在結(jié)合界面處能夠良好地黏結(jié)，進(jìn)行荷載的傳遞。

(2)廢紅磚建筑垃圾再生磚物理性能欠佳，劍麻纖維的摻入未能對(duì)其進(jìn)行有效改善，對(duì)于骨料的取材和處理需要進(jìn)一步改善。

(3)摻入了劍麻纖維的廢紅磚建筑垃圾再生磚，其抗壓強(qiáng)度降低、抗折強(qiáng)度提升，廢紅磚建筑垃圾再生磚進(jìn)行優(yōu)化的最佳劍麻摻量為3 kg/m3，其28 d抗壓強(qiáng)度降低8 %、抗折強(qiáng)度提升14.9 %。

(4)劍麻纖維摻量對(duì)水泥材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系擬合公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比吻合較好，為劍麻纖維復(fù)合水泥材料的應(yīng)用提供參考。