玄武巖再生混凝土基本力學(xué)性能試驗研究

劉鵬

（內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

1 玄武巖再生混凝土基本力學(xué)性能試驗的重要意義

時代快速發(fā)展，城市化逐步深入，在城市發(fā)展和改造的過程中出現(xiàn)了很多建筑垃圾需要進(jìn)行處理，而這些建筑廢物如何處理，如何充分利用，逐步成為試件各國需要考慮的問題。另外，在出現(xiàn)地震等自然災(zāi)害時也會出現(xiàn)大量的建筑廢棄物，需要進(jìn)行處理。比如說，2008 年出現(xiàn)的汶川地震，由于強震的作用，造成30 億噸的建筑廢棄物出現(xiàn)。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中國的建筑垃圾已經(jīng)超過60億噸，預(yù)計到2030 年這一數(shù)字還可能翻一番。在歐洲很多國家已經(jīng)充分分析了該問題，并且在20 世紀(jì)后半夜提出對這些問題的解決思路，就是應(yīng)用建筑垃圾構(gòu)建玄武巖再生混凝土。該方法得到了有效的驗證，在城市建設(shè)過程中已經(jīng)得到了廣泛的使用。

玄武巖纖維的抗拉性能和抗壓性能較好，在建筑材料當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用具有較強的競爭力，是21 世紀(jì)符合生態(tài)發(fā)展要求的綠色材料，又具有低廉的制造成本和容易再生的特點，因此具有較強的可競爭力，是一種高技術(shù)纖維行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型材料。因為玄武巖具有較強的物理性能，在普通混凝土當(dāng)中也具有較好的應(yīng)用效果，通過研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維具有較好的力學(xué)性能，甚至能夠在某些特殊的領(lǐng)域取代玻璃纖維的作用。伴隨當(dāng)前玄武巖纖維在混凝土當(dāng)中廣泛的應(yīng)用，人們開始逐步重視玄武巖再生混凝土的力學(xué)性能研究。

2 試驗部分

2.1 原材料

水泥材料使用的主要是安徽某企業(yè)提供的42.5 硅酸鹽水泥。這種硅酸鹽水泥的密度為3.1 克/立方厘米。細(xì)骨料使用的為堆積密度2610 公斤/立方米，含水量達(dá)到4.2%，模數(shù)設(shè)定為2.56。粗骨料主要使用的是安徽某倒塌建筑物當(dāng)中，通過人工篩選和破碎形成的粒徑為3～15 毫米的再生粗骨料，另外還摻有一定量的人工碎石為主的天然粗骨料，粒徑也是3-31 毫米。纖維使用的是某企業(yè)的玄武巖纖維，水為普通自來水。

表1 玄武巖纖維主要力學(xué)性能

圖1 玄武巖纖維

圖2 再生粗骨料

2.2 試驗方法

具體的試驗方法如下：通過0%、50%、100%替代率的玄武巖再生混凝土的力學(xué)性能分析，了解三種再生物料替代率下的再生混凝土的力學(xué)性能。首先對試件進(jìn)行設(shè)計，其中設(shè)計一款150 毫米×150 毫米×150 的毫米的試件，用于對劈裂抗拉強度和抗壓強度進(jìn)行測試，其次制造一個150 毫米×150 毫米×300毫米的試件，對軸心抗拉強度和泊松比進(jìn)行測試。第三，設(shè)計一個100 毫米×100 毫米×400 毫米的試件，用于對抗折強度進(jìn)行測試。在摻加玄武巖纖維方面，摻量分別設(shè)定在0 千克/立方米、2 千克/立方米、4 千克/立方米，具體的方法依照國家相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，同時對3、7、14、21、28、90 天后的立方體抗壓強度進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 密度

對三種玄武巖摻量的再生混凝土密度進(jìn)行測試和分析具體如圖3 所示。

圖3 玄武巖纖維混凝土密度

對圖3 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在摻入一定量的玄武巖纖維之后，普通混凝土的密度逐步增加，其密度的增加量與混凝土纖維的摻量息息相關(guān)，與此同時再生混凝土的密度也在逐步增加，尤其是摻入2 千克/立方米的纖維之后，其密度達(dá)到最大，而后逐步縮小。由此可以發(fā)現(xiàn)再生混凝土的密度和玄武巖纖維的摻量息息相關(guān)，而玄武巖纖維產(chǎn)量逐步增大后，再生混凝土的密度又會逐步減小，主要是再生骨料和玄武巖纖維的吸水率高相關(guān)。

3.2 立方體抗壓強度

為了能夠進(jìn)一步對再生混凝土強度分析進(jìn)行分析，了解玄武巖再生混凝土不同齡期的強度發(fā)展情況，將不同齡期的強度值和28 天混凝土抗壓強度的比值設(shè)定為強度發(fā)展系數(shù)，具體的強度發(fā)展系數(shù)如圖4 所示。

對圖4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對可以發(fā)現(xiàn)，在50%再生骨料替代率的環(huán)境下，再生混凝土強度情況與玄武巖纖維摻量呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖4 玄武巖纖維混凝土強度發(fā)展

3.3 劈裂抗拉強度

通過試驗分析，發(fā)現(xiàn)0%、50%和100%的再生骨料替代率下，再生混凝土在各種玄武巖纖維摻量下（0、2 和4 kg/m3）呈現(xiàn)的混凝土劈裂抗拉強度不同，具體如下圖所示。由圖3 的顯示情況分析可以發(fā)現(xiàn)，普通混凝土劈裂抗拉強度與玄武巖纖維摻量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著其增加而降低。而在混凝土當(dāng)中加入玄武巖纖維，在50%和100%再生取代率下的再生混凝土的情況和普通混凝土不同，如果纖維的摻量小于2 kg/m3時，在抗拉強度方面會隨纖維摻量的增加而逐步降低，接著會出現(xiàn)再生混凝土劈裂抗拉強度隨纖維摻量的增加而增加的情況，而且50%再生替代率下的再生混凝土這種情況非常明顯。

圖5 劈裂抗拉強度

對其劈裂抗拉的情況進(jìn)行分析。首先在測試過程中由于摻量較小，主要是因為玄武巖纖維使混凝土在使用過程中的黏結(jié)力進(jìn)一步加強，這樣就使得抗拉強度逐步增大；其次在后續(xù)測試過程中，摻量較大時，玄武巖纖維起到了關(guān)鍵作用，其本身具有很強的抗拉能力。而在繼續(xù)試驗的過程中，再生骨料替代率逐步加大，在超過70%時，由于玄武巖纖維摻量逐步增加，強度出現(xiàn)了先增加后降低的變化，但對其進(jìn)行總體分析依然可以看出其大于未摻加纖維時的強度。這里主要是由于玄武巖纖維其本身具有較強的親水性，在使用過程中減少了水泥水化時所需的水分。通過測試分析發(fā)現(xiàn)，如果施工過程中纖維摻量為0.1%，其性質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，相對于未摻加纖維的再生混凝土，在劈裂抗拉強度方面的波動是明顯趨于平緩狀態(tài)的，通過對比試驗也可以清楚的發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對于較大再生骨料替代率下的混凝土劈裂抗拉強度具有明顯的變化，效果較好。

3.4 棱柱體抗折強度

在試驗過程中采用的試件并非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體抗折試件，通過相關(guān)公式的換算分析后，發(fā)現(xiàn)玄武巖再生混凝土的抗折強度如圖。

對圖6 當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，再生混凝土在抗折方面與立方體劈裂抗拉強度一樣，與再生骨料替代率呈負(fù)相關(guān)。在玄武巖纖維的摻入量逐步增加的情況下，普通混凝土和50%替代率下的再生混凝土在抗折強度方面顯著降低。如果纖維摻量達(dá)到2 kg/m3以上時，普通混凝土的抗折強度呈現(xiàn)繼續(xù)降低的現(xiàn)象，但是50%替代率的再生混凝土抗折強度會逐步出現(xiàn)提高的情況。

圖6 棱柱體抗折強度變化趨勢

3.5 軸心抗壓強度和彈性模量

通過試驗獲取的玄武巖纖維再生混凝土的軸心抗壓強度如下圖所示。同時對玄武巖纖維再生混凝土的彈性模量和泊松比進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2。

表2 彈性模量和泊松比

圖7 軸心抗壓強度

由圖表分析可以發(fā)現(xiàn)，在再生骨料替代率相同的條件下，玄武巖纖維摻量和彈性模量呈正相關(guān)，但是泊松比與其呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，所以通過玄武巖纖維的使用可以使再生混凝土的內(nèi)部的粘結(jié)性能大幅度提高，從而達(dá)到提高彈性模量的目的。

4 結(jié)論

本文主要通過混凝土立方體和棱柱體對玄武巖再生混凝土的抗壓強度、抗拉強度等參數(shù)進(jìn)行測定，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析了解玄武巖纖維在再生混凝土當(dāng)中的應(yīng)用效果，通過研究分析發(fā)現(xiàn)，不同替代率下的再生混凝土以及不同的纖維摻量影響混凝土的情況是不同的，在實際應(yīng)用過程中需要具體問題具體分析，采取合理的方法進(jìn)行優(yōu)化，提升玄武巖纖維再生混凝土的應(yīng)用效果，提高工程的質(zhì)量。