纖維增強(qiáng)活性礦物料改性RAC力學(xué)性能及微觀機(jī)理研究

張海軍

(黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院 河南 駐馬店 463000)

0 引言

再生混凝土(RAC)作為一種新型節(jié)能環(huán)保型材料，它是將建筑垃圾中的廢棄混凝土經(jīng)過回收、破碎、清洗、分級等一系列工序，加工成再生骨料，然后與天然骨料以不同比例拌和而成[1]。但是，由于再生骨料表面粗糙、孔隙多、附著舊砂漿等一系列缺陷，使得再生混凝土強(qiáng)度和相比于普通混凝土低[2-4]。這讓再生混凝土的使用受到限制。

為了使再生混凝土得到更好應(yīng)用，滿足材料強(qiáng)度和韌性要求。國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土性能增強(qiáng)方法進(jìn)行大量研究。目前，通過纖維和活性礦物料使再生混凝土性能增強(qiáng)的研究較為廣泛。李恒等人[5]對摻入礦渣、硅灰和粉煤灰的再生混凝土進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰-硅灰復(fù)摻對再生混凝土力學(xué)性能提升效果較好。Awoyera P O等人[6]研究發(fā)現(xiàn)再生骨料替代率20%基礎(chǔ)上摻入定量偏高嶺土具有較高的強(qiáng)度。劉康寧等人[7]通過單摻和復(fù)摻粉煤灰和硅灰對再生混凝土進(jìn)行了性能增強(qiáng)試驗(yàn)研究。而對于纖維增強(qiáng)的再生混凝土的研究，王大光等人[8]研究發(fā)現(xiàn)混凝土中添加鋼纖維可以有效抑制裂紋擴(kuò)展程度，提高抗拉強(qiáng)度，偏高嶺土細(xì)顆粒填料可以與氫氧化鈣結(jié)合,進(jìn)而提高混凝土的耐久性和抗壓強(qiáng)度。陸虓等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料含量和纖維降低了混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度，而纖維摻入對抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量的提升,纖維含量越多,提升作用越顯著。董騰等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以有效改善RAC力學(xué)性能，但是過量纖維的摻入使得纖維分布不均勻，反而導(dǎo)致RAC力學(xué)性能降低。周航等人[11]采用正交試驗(yàn)法研究再生粗骨料摻量、橡膠粒徑、橡膠摻量和玄武巖纖維摻量對混凝土拌合物性質(zhì)及力學(xué)性能的影響規(guī)律；孫呈凱等人[12]對再生骨料進(jìn)行一次改性、二次改性，用改性后再生粗骨料制備PVA纖維再生混凝土，對比不同改性再生混凝土的力學(xué)性能。黃軍福等人[13]研究了纖維的摻加量、長度和分散劑對其在透水混凝土中的分散性及透水混凝土性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明: PVA纖維摻加量和長度對分散效果影響顯著,對力學(xué)性能改善較為明顯。

因此，為了改善再生混凝土強(qiáng)度和延性，本文共計(jì)設(shè)計(jì)了16組配合比，研究了纖維和偏高嶺土復(fù)合作用下再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系，最后，通過X射線衍射(XRD)分析，對宏觀力學(xué)性能改善進(jìn)行解釋。

1 試驗(yàn)狀況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的膠凝材料由強(qiáng)度等級為 P·O 42.5R的秦嶺牌普通硅酸鹽水泥和偏高嶺土組成，兩種材料礦物化學(xué)成分如表1所示。

表1 偏高嶺土和水泥化學(xué)成分

粗骨料由天然碎石和再生骨料兩部分組成，其中再生骨料是由陜西建新環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司提供的城中村拆遷后再經(jīng)過破碎、篩分、清洗的廢舊混凝土骨料，通過人工將其夾雜在其中的玻璃、瓦礫、塑料、雜草等進(jìn)行清除。細(xì)骨料為浐河河砂，經(jīng)測試骨料物理性指標(biāo)如表2所示。

表2 骨料物理性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用纖維分別為PVA纖維、玄武巖纖維，兩種纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 纖維各項(xiàng)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

本次試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，選擇再生骨料替代率30%，水膠比為0.35，分別設(shè)計(jì)了OPC組(偏高嶺土取代水泥量為0%)；偏高嶺土取代水泥量依次為5%、10%、15%、20%、25%的RM組； 在RM組的基礎(chǔ)上摻入1.3%(占膠凝材料的比例)PVA纖維的RM-PF組和摻入1.3%玄武巖纖維的RM-BF組；共計(jì)16組。其中每立方米中膠凝材料550 kg、砂656 kg、天然骨料772 kg、再生骨料331 kg、水193 kg。為了避免由于再生粗骨料吸水率高導(dǎo)致工作性能差等問題，采用附加水進(jìn)行補(bǔ)償，使拌和后的再生混凝土坍落度保持在70～90 mm范圍內(nèi)。具體配合比設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 試驗(yàn)配合比(單位：kg/m3)

續(xù)表4 試驗(yàn)配合比(單位：kg/m3)

1.3 試塊制備與測試

本次試驗(yàn)將每組配合比所需的集料和膠凝材料放入實(shí)驗(yàn)室雙臥軸攪拌機(jī)攪拌2 min，然后加入纖維和水?dāng)嚢? min，其中纖維采用分散慢加，避免團(tuán)聚。最后將拌合物放入磨具并在振動臺上振搗，在實(shí)驗(yàn)室條件下靜置24 h后脫模，將試驗(yàn)放入溫度為(20±2) ℃，相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。根據(jù) GB/T 50081—2003《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、CESC 13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，通過更換夾頭，在MTS微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對100 mm×100 mm×100 mm的試塊測試立方抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

立方體試塊經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，各配合比抗壓強(qiáng)度由圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度對比分析

從圖1可以看出，OPC組抗壓強(qiáng)度最低，主要由于再生骨料存在微裂紋以及表面附著的舊砂漿等缺陷，使得再生混凝土內(nèi)部形成薄弱區(qū)，這些薄弱區(qū)在受應(yīng)力時(shí)容易引發(fā)裂紋，最終形成貫穿裂縫，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。在RM組中，當(dāng)水泥被偏高嶺土以5%、10%、15%、20%、25%取代時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度相比于OPC組分別提高了15.93%、21.89%、24.59%、23.71%、20.82%，可以看出偏高嶺土對抗壓強(qiáng)度有正向影響。此外，在偏高嶺土取代率15%時(shí)，對再生混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最明顯，而大于15%后對抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果呈現(xiàn)減小趨勢。上述分析說明，當(dāng)偏高嶺土取代水泥量在合理范圍內(nèi)時(shí)，偏高嶺土內(nèi)部活性SiO2能充分與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成大量C-S-H凝膠，填充RAC內(nèi)部新老砂漿界處微裂縫和孔隙，可有效改善新老砂漿界面結(jié)合力，使得偏高嶺土對抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果呈增長趨勢。但是，當(dāng)偏高嶺土取代水泥的量超過一定范圍后，由于水泥被大量取代，水泥熟料稀釋，水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2含量也相應(yīng)減少，二次水化后生成額外C-S-H凝膠量減小，對抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果開始呈現(xiàn)減小趨勢。

從圖1還可以看出，偏高嶺土取代率為: 5%、10%、15%、20%、25%時(shí)，分別摻入一元PVA纖維和一元玄武巖纖維，RM-PF組抗壓強(qiáng)度相比于RM組分別增加了11.54%、11.36%、18.74%、10.44%、10.18%；RM-BF組抗壓強(qiáng)度相比于RM組分別增加了6.97%、1.02%、12.78%、3.24%、8.13%。其中，偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF相比于RM15增強(qiáng)效果最明顯。這主要是因?yàn)閾饺氲睦w維亂向分布于再生混凝土內(nèi)部，與凝膠相互包裹在一起，形成空間網(wǎng)格體系，并且這種網(wǎng)格體系隨著再生混凝土內(nèi)部C-S-H膠凝的量增加而越牢固穩(wěn)定，在加載過程中，能夠有效消耗加載過程中的能量，使得強(qiáng)度提高。另外，發(fā)現(xiàn)摻入PVA纖維對抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果高于玄武巖纖維，這是由于PVA纖維強(qiáng)度和親水性均高于玄武巖纖維，不容易團(tuán)聚所致。

2.2 立方體劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度

立方體試塊各配合比劈裂抗拉強(qiáng)度由圖2所示，從圖2可以看出，OPC組劈裂抗拉強(qiáng)度為2.56 MPa，而偏高嶺土以不同比例取代水泥后，劈裂抗拉強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，其中，RM組劈裂抗拉強(qiáng)度相比于OPC組提升了12.29%～21.97%，并且偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15劈裂抗拉強(qiáng)度為3.28 MPa，達(dá)到最大值。這種增加主要?dú)w因于偏高嶺土的火山灰效應(yīng)改善了界面過渡區(qū)存在貫穿裂縫、連通孔和微孔，提高了基體內(nèi)部密實(shí)度。此外，偏高嶺土取代率小于15%時(shí)，RM5、RM10、RM15劈裂抗拉強(qiáng)度隨著取代率增加呈增長趨勢，而偏高嶺土取代率大于15%后，RM20和RM25劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢。如前所述，主要由于水泥熟料稀釋效應(yīng)造成。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度對比分析

從圖2還可以看出，在RM組中分別摻入一元PVA纖維和一元玄武巖纖維，由于纖維橋聯(lián)阻裂效應(yīng)存在，RM-PF組和RM-BF組劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于RM組。偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF劈裂抗拉強(qiáng)度相比于RM15分別增加了25.13%和20.30%，增強(qiáng)效果最明顯，而偏高嶺土取代率大于15%后，RM20-PF和RM25-PF劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢，這主要是由于在偏高領(lǐng)土取代率15%時(shí)，再生混凝土內(nèi)部生成額外C-S-H凝膠量最多，這些凝膠包裹著纖維，與纖維之間有良好粘結(jié)性。而隨著偏高嶺土取代率大于15%后，由于水泥熟料稀釋效應(yīng)，再生混凝土內(nèi)部C-S-H凝膠量減少，導(dǎo)致凝膠與纖維之間粘結(jié)性能下降，劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之下降，這一趨勢與抗壓強(qiáng)度變化趨勢一致。

綜上所述，摻入纖維的RM-BF組和RM-PF組對劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。從力學(xué)性能角度來看，RM15-PF力學(xué)性能最優(yōu)，其次是RM15-BF。

2.3 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度相互關(guān)系

混凝土抗壓強(qiáng)度fcu和劈裂抗拉強(qiáng)度fsts之間的關(guān)系可以用公式(1)表示。因此，本文通過非線性最小二乘法對立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，提出了一對常數(shù)，即a=0.143和b=0.83，如圖3和公式(2)所示。由圖3可知，本文擬合的計(jì)算值和公式(2)的計(jì)算與實(shí)測試驗(yàn)值相對吻合較好。

(1)

(2)

圖3 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系

2.4 XRD物相分析

結(jié)合各偏高領(lǐng)土取代率下再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，取OPC和RM組(RM5、RM10、RM15、RM20、RM25)再生混凝土樣品進(jìn)行XRD水化產(chǎn)物的物相分析試驗(yàn)，可以了解偏高嶺土的強(qiáng)度作用機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4各XRD圖譜可以看出，水化產(chǎn)物的晶體物相主要包括：Quartz、Portlandite、Alite、Belite、Calcicium Silicate Hydrate。對比發(fā)現(xiàn)，隨著偏高嶺土取代率的增加，試樣中Ca(OH)2的衍射峰值在降低，并且偏高嶺土取代率大于15%后，試樣中Ca(OH)2的衍射峰值很弱。這一方面是因?yàn)镃a(OH)2的形成主要是水泥熟料的Alite和Belite水化，而偏高嶺土取代水泥后，水泥量減少，使得熟料Alite和Belite也相應(yīng)減少，另一方面是因?yàn)槠邘X土內(nèi)部活性SiO2與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠，這也是Ca(OH)2消耗的主要原因。此外，對比各XRD圖譜中C-S-H衍射峰值發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土取代水泥后, C-S-H衍射峰值明顯增加，其中RM15的C-S-H衍射峰值最明顯，這說明偏高嶺土取代取15%時(shí)火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠最多，對再生混凝土內(nèi)部缺陷改善效果明顯，這一結(jié)果與相應(yīng)宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)一致。

圖4 XRD圖譜

3 結(jié)論

(1)偏高嶺土取代率分別為：5%、10%、15%、20%、25%，RM組中再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、均有所提升。并且，力學(xué)性能增強(qiáng)效果隨著偏高嶺土取代率增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。

(2)在RM組中分別摻入PVA纖維和玄武巖纖維后，RM-PF組和RM-BF組再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、相比于RM組進(jìn)一步提升。在偏高嶺土取代率15%時(shí)，RM15-PF和RM15-BF性能最好。

(3)通過非線性最小二乘擬合，建立了混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

(4)通過對樣品進(jìn)行XRD微觀分析，相比于OPC，隨著偏高領(lǐng)土取代率增加，RM組再生混凝土內(nèi)部Ca(OH)2含量在減小，表明Ca(OH)2偏高嶺土內(nèi)部活性SiO2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成額外C-S-H凝膠，從而提高強(qiáng)度。