玄武巖纖維再生混凝土的軸心抗壓性能研究

邊昊博,劉元珍,白睿奇,郭耀東

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,山西 太原 030024)

隨著建筑垃圾資源化的提出,以建筑垃圾作為骨料的再生混凝土成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]。根據(jù)大量的研究可知,以建筑垃圾作為原材料制成的再生粗骨料表面粗糙,且殘留有舊水泥漿,同時(shí)在破碎過(guò)程中產(chǎn)生了許多微裂縫,導(dǎo)致再生骨料相較于天然骨料具有強(qiáng)度等級(jí)低、孔隙率高等缺陷,這些缺陷直接影響了再生混凝土的力學(xué)性能[2-5]。文獻(xiàn)[6-10]研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土立方體抗壓、軸心抗壓和劈裂抗拉的破壞形態(tài)和普通混凝土基本一致,立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加而降低;文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn)再生骨料的摻入使得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度降低5%～11%。為了改善再生粗骨料所造成的不良影響,研究人員相繼提出了不同的改善方法。其中一種較好的方法是將纖維摻入再生混凝土中,利用其良好的增強(qiáng)增韌性能來(lái)改善再生混凝土的力學(xué)性能[12-13]。

玄武巖纖維(basalt fiber,BF)作為一種新型綠色混凝土增強(qiáng)材料,具有良好的綜合性能,且相較于其他纖維,其造價(jià)成本更低。玄武巖纖維對(duì)于再生混凝土的力學(xué)性能有一定的積極作用,文獻(xiàn)[14]研究得出,當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度為12 mm、摻量為0.3%時(shí)，再生混凝土的抗壓效果最佳;文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn),再生粗骨料取代率為0時(shí),再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度在玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)最高,但對(duì)取代率為50%和100%的再生混凝土來(lái)說(shuō),4 kg/m3為纖維最佳摻量。為了更深入了解玄武巖纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響,為模擬分析和后續(xù)構(gòu)件力學(xué)性能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文以摻入玄武巖纖維作為改善再生混凝土性能的手段,分析再生粗骨料取代率和玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響,并建立在不同再生粗骨料取代率下軸心抗壓強(qiáng)度與玄武巖纖維摻量之間的函數(shù)關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的膠凝材料選用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥和硅灰,細(xì)骨料及天然粗骨料分別選用天然河砂和碎石,同時(shí)選用粒徑大小為4.75～20.00 mm的再生粗骨料,骨料的物理指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 骨料的物理指標(biāo)

玄武巖纖維物理性能如下:長(zhǎng)度為18 mm,密度為2 650 kg/m3,拉伸強(qiáng)度為3 800～4 840 MPa,彈性模量為79.3～93.1 GPa,斷裂伸長(zhǎng)率為3.1%,纖維直徑為15 μm。選用高性能聚羧酸減水劑作為試驗(yàn)用減水劑,其減水率為35%～40%,實(shí)驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2 配合比及試驗(yàn)方法

本文以強(qiáng)度等級(jí)為C35的再生混凝土為基礎(chǔ),通過(guò)調(diào)整各成分用量來(lái)確定試驗(yàn)所需的各種配合比。依據(jù)JGJ/T 221—2010和JGJ 55—2011中的配合比設(shè)計(jì)方法,并在課題組對(duì)再生混凝土的研究成果基礎(chǔ)上,確定本文的配合比具體如下:水泥、粗骨料、砂、水、硅灰、減水劑均為363.0、1 211.0、682.0、196.0、27.0、1.5 kg/m3;水灰比為0.5;砂率為36.03%。

采用等體積取代法將再生粗骨料取代天然粗骨料,本文再生粗骨料取代率設(shè)計(jì)為0、50%、100%。同時(shí)在配合比不變的基礎(chǔ)上,采用纖維體積率法,直接將纖維摻入混凝土拌合物中,本文中的玄武巖纖維摻量設(shè)計(jì)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

本試驗(yàn)方法按照GB/T 50081—2019進(jìn)行,所用試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm,每組3個(gè),共12組。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

取每組配合比下3個(gè)試件軸心抗壓強(qiáng)度的平均值作為試件的壓力值,其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 不同試件的軸心抗壓強(qiáng)度和提高率

2.1.1 再生粗骨料的影響

由表2可知,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的提高整體呈下降的趨勢(shì),其中,當(dāng)取代率為50%時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度降低率的平均值為1.85%;當(dāng)取代率為100%時(shí),其降低率的平均值為8.80%。

這是由于再生粗骨料表面殘留有部分舊水泥砂漿,再生粗骨料與新水泥漿的接觸面積減小,使得混凝土內(nèi)部各組分之間的黏結(jié)力降低。此外再生粗骨料在破碎過(guò)程中還會(huì)受到機(jī)械力的作用,會(huì)產(chǎn)生微小裂縫,當(dāng)試件承受荷載時(shí),骨料的微裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展連通,導(dǎo)致試件的承載力下降。綜上所述,再生粗骨料對(duì)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度有不利影響。

兒童FC中藥臨床試驗(yàn)的有效性評(píng)價(jià)，應(yīng)根據(jù)不同的臨床定位和兒童的年齡段特點(diǎn)，合理選擇主要指標(biāo)。定位于短期治療改善便秘癥狀的試驗(yàn)，可以選擇用藥后SBM應(yīng)答率［10］，或便秘癥狀療效或中醫(yī)證候療效，或成功解除嵌塞，作為主要終點(diǎn)；定位于長(zhǎng)期治療防止糞便再積聚的試驗(yàn)，建議以“治療成功”為主要終點(diǎn)。

從表2可以看出，BFRAC50-0.3試驗(yàn)組試件的軸心抗壓強(qiáng)度略高于BFNC-0.3,這可能是再生粗骨料質(zhì)量差異性較大導(dǎo)致的,部分再生粗骨料上附著的舊水泥砂漿較少,使此部分骨料強(qiáng)度高于普通骨料,從而導(dǎo)致混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度略有提升[16]?，F(xiàn)有研究也表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土,主要原因如下:再生粗骨料能夠與新拌水泥漿很好的融合,且兩者之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng);再生粗骨料吸水率高,攪拌后可以吸收多余水分,降低混凝土拌合物的有效水灰比[17]。

2.1.2 玄武巖纖維的影響

在相同再生粗骨料取代率的情況下,玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維摻量對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維的摻量呈先增加后下降的趨勢(shì),且當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度的提升效果最明顯。其中,再生粗骨料取代率為100%、玄武巖纖維摻量為0.1%的試驗(yàn)組中,軸心抗壓強(qiáng)度提高率最大,達(dá)到了6.32%。

因此,合適的玄武巖纖維摻量對(duì)再生混凝土有一定的增強(qiáng)作用,主要原因如下:

(1) 玄武巖纖維有著較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度,摻入混凝土中的纖維相當(dāng)于亂向分布的細(xì)小鋼筋,承擔(dān)了裂縫處較多的拉力,當(dāng)受到荷載作用時(shí),纖維自身的斷裂和拔出都會(huì)消耗一定的能量,從而減緩了裂縫的延伸,提高了混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。

(2) 玄武巖纖維的摻入顯著改善了混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu),雜亂無(wú)序的纖維可以減少混凝土內(nèi)部有害孔,并增加無(wú)害孔及微孔的比例,使混凝土變得更加密實(shí)[18-20]。

同時(shí),一定摻量的玄武巖纖維能夠良好地分散在混凝土的基體中,形成亂向分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了骨料之間的黏結(jié)力,當(dāng)混凝土承受外部荷載時(shí),玄武巖纖維通過(guò)與基體之間的粘結(jié)作用承擔(dān)部分外力,使混凝土抗壓強(qiáng)度得到顯著的提高。

再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量變化的擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

從圖2可以看出，再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與玄武巖纖維摻量之間呈非線(xiàn)性的函數(shù)關(guān)系。

再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的變化關(guān)系式見(jiàn)表3所列。

表3 再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量變化的關(guān)系式

2.2 試件破壞形態(tài)分析

再生粗骨料取代率為50%,玄武巖纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%時(shí)的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 試件破壞形態(tài)

由圖3可知,在玄武巖纖維摻量為0的混凝土試件中,隨著荷載的增加,可以看出試件表面裂縫出現(xiàn)及發(fā)展的全過(guò)程,且試件崩裂聲音較大,有明顯的脆性破壞特征。通過(guò)觀察不同玄武巖纖維摻量的試件破壞形態(tài)可知,纖維摻量為0的試件表面不完整,有較多混凝土脫落,隨著玄武巖纖維摻量的增加,試件表面裂縫數(shù)量減少且混凝土脫落減少,試件表面基本保持完整,且達(dá)到極限荷載時(shí)破壞崩裂聲音變小。由此可見(jiàn),玄武巖纖維的摻入在一定程度上提高了混凝土抵抗變形的能力,阻止了裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)裂縫處的纖維會(huì)隨著裂縫的發(fā)展而被拔出或拔斷,消耗了一定的能量,延緩了裂縫的發(fā)展。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)玄武巖纖維再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),探究再生粗骨料取代率和玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

(1) 在相同玄武巖纖維摻量的情況下,再生粗骨料不利于混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。其中,當(dāng)再生粗骨料取代率為50%時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度降低率的平均值為1.85%;當(dāng)取代率為100%時(shí),其降低率的平均值為8.80%。

(2) 在相同再生粗骨料取代率的情況下,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的提高率隨玄武巖纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。在再生粗骨料摻量為100%試驗(yàn)組中,玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)軸心抗壓強(qiáng)度的提高效果最明顯,提高幅度可達(dá)6.32%。

(3) 根據(jù)擬合結(jié)果可知,再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與玄武巖纖維摻量之間呈非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系,且擬合后的R2在0.940 0～0.990 0之間,說(shuō)明有很好的擬合度。