玄武巖增強再生砌塊的抗折實驗研究

梁宇超，袁若焜，朱雨婷

（江蘇大學京江學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

近年來，我國社會經濟增長迅速，綜合國力顯著提升，伴隨我國新型城鎮(zhèn)化建設加速推進，建筑垃圾排放量也呈現(xiàn)增長態(tài)勢。據統(tǒng)計，目前我國建筑垃圾年產量達10t 噸級，其中拆除舊建筑所產生的建筑垃圾約占全國產量的58%，新建筑施工產生的建筑垃圾約占36%，其余少量由建筑裝修產生。目前我國建筑垃圾的處理辦法，除少量用于工程回填和再生利用外，大部分仍粗放式堆放處理，造成大氣環(huán)境、土壤環(huán)境的直接或間接污染[1]。目前我國建筑垃圾資源化利用率僅為5%，而一些發(fā)達國家建筑垃圾資源化利用率達90%以上[2]。面對建筑垃圾堆放所帶來的環(huán)境問題，建筑資源和土地資源的日益緊張，“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)范提出以堅持創(chuàng)新驅動，綠色發(fā)展為基本原則之一，并將推廣綠色建造方式作為主要任務之一。未來將在政府投資工程和大型公共建筑中全面推進綠色建造，積極推進施工現(xiàn)場建筑垃圾減量化與再利用。當下正處“十四五”時期，是實現(xiàn)碳達峰的關鍵階段，建筑行業(yè)作為我國的支柱產業(yè)具有巨大減排潛力[3]，中共中央國務院印發(fā)的2030年前碳達峰行動方案的通知將城鄉(xiāng)建設碳達峰行動列為重點任務之一，提出要加速推進城鄉(xiāng)建設綠色低碳轉型，推廣綠色低碳建材，推動建材循環(huán)利用。

再生骨料是指固體廢棄物經過粉碎、篩分等步驟，按一定比例混合以滿足不同使用要求的骨料，其為建筑垃圾減量化提供了一種新的思路。纖維布加固作為一種比較新型的加固方法，是指在構件外側粘貼纖維增強材料，使其在加固構件中承擔拉應力，改善構件的受力狀態(tài)，限制裂縫的產生和發(fā)展。目前市場上用于修復加固的纖維布主要是碳纖維布，其具有高效高強、耐腐蝕等特點，但其價格昂貴[4]。玄武巖纖維作為一種新型無機環(huán)保綠色高性能纖維材料，其拉伸強度和彈性模量雖略低于碳纖維，但耐低溫、耐高溫性能突出且具有良好的化學穩(wěn)定性，因此玄武巖纖維布也逐漸受到加固工程的青睞[5]。且因其良好的力學性能，近幾年已成為國內外結構加固領域的研究熱點。目前，纖維布加固方法主要有“U”型全包法、“U”型套箍錨固基底纖維布法[6]。本文在此基礎上研究一種新型的加固方法，在保證達到預期力學效果的同時，有效減少纖維布用量，對推進材料革新與建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展有重要的參考意義。

1 材料與方法

本階段以抗壓強度為指標，研究再生骨料取代率對于砂漿砌塊力學性能的影響。

1.1 材料準備

水泥采用42.5 級普通硅酸鹽水泥；天然骨料采用ISO 標準砂；再生骨料由廢棄磚塊、混凝土破碎后經清洗、晾曬獲得。骨料級配均良好，其基本物理性能如表1所示。

表1 骨料基本物理性能

1.2 再生骨料取代率實驗

本試驗根據《砌筑砂漿配合比設計規(guī)程》（JGJ/T 98—2010）[7]進行配合比設計。再生骨料取代率設為0%、15%、30%、45%，依次對應A、B、C、D 四組，每組3個試件，試件尺寸采用100mm×100mm×100mm，試件制作后放置在溫度為（20±5）℃的環(huán)境中，靜置（24±2）h 后對試件編號、脫模。試件取出后，立即水平放置在（20±1）℃水中養(yǎng)護，刮平面應朝上，彼此間隔為10~20mm，并應避免用水直接沖淋試件，養(yǎng)護7d，取其抗壓強度平均值作為最終試驗結果。根據《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[8]進行抗壓強度計算。由于本試驗采用的是非標準試件，對應的折算系數為0.95，故抗壓強度計算如式（1）所示。

式中：f——立方體試件抗壓強度試驗值，MPa；N——立方體試件極限承載力，kN；A——立方體試件受力面積，mm2。

砂漿配合比與抗壓強度試驗結果如表2 所示。

表2 砂漿配合比與抗壓強度試驗值

由表2 可以看出，抗壓強度隨著再生骨料取代率的增加先降低后提高。當再生骨料取代率為15%時，抗壓強度相比于天然骨料砂漿試塊降低了6.9%；再生骨料取代率為30%時，抗壓強度相比降低4.3%；再生骨料取代率為45%時，抗壓強度相比提高7.2%。由表1可知，再生骨料的堆積密度和表觀密度都低于天然骨料，導致其空隙率高于天然骨料。而再生骨料是細度模數為3.4 的粗砂，天然骨料是細度模數為2.6 的中砂，天然骨料的填充效應在一定程度上補償了再生骨料高空隙率的負面影響，導致45%取代率的再生骨料砂漿試塊性能一定程度上得以提升。故采用45%再生骨料取代率的配合比進行后續(xù)試驗。

2 實驗加載與分析

本階段以抗折強度為指標，研究玄武巖纖維布的加固方法對于砂漿砌塊力學性能的提升。

2.1 實驗準備

采用寧國市中電新型材料有限公司生產的玄武巖纖維布，厚度為0.6mm。采用深圳市明德新材料有限公司生產的新一代環(huán)氧樹脂膠。試件尺寸采用100mm×100mm×400mm，試件制作后放置在溫度為（20±5）℃的環(huán)境中，靜置（24±2）h 后對試件編號、脫模。試件取出后，立即水平放置在（20±1）℃水中養(yǎng)護，刮平面應朝上，彼此間隔為10~20mm，并應避免用水直接沖淋試件，養(yǎng)護28d。養(yǎng)護完成后，取出試件，待試件表面干燥后，用100 目砂紙打磨試件表面至平整，除去1~2mm表面疏松層[9]，除去浮灰。將環(huán)氧樹脂膠與環(huán)氧固化劑按1:1 比例混合，充分攪拌，均勻涂抹在試件表面，粘貼裁剪好的玄武巖纖維布條并壓實，除去氣泡。放置在溫度為（20±5）℃的環(huán)境中，靜置24h 后，進行試驗。

2.2 實驗設計

本試驗首先在試件底面粘貼縱向纖維布條并沿側面向上延伸50mm，設置裸塊和底面全粘兩組對照組，依次記為對照組1、對照組2。按3/5 對照組2 底面纖維布用量，設置底面縱向粘貼一條和底面縱向粘貼兩條兩組試驗組，依次記為試驗組1、試驗組2。試件底面加固如圖1 所示。

圖1 試件底面加固

2.3 實驗結果與分析

根據《混凝土砌塊和磚試驗方法》（GB/T 4111—2013）[10]進行抗折強度計算。由于本試驗采用的是非標準試件，對應的折算系數為0.85，故抗折強度計算如式（2）所示。

式中：RZ——試件抗折強度試驗值，MPa；P——試件破壞荷載，kN；B——試件寬度，mm；H——試件高度，mm；L——抗折夾具下支輥的跨距，mm。

支輥跨距為300mm，每組5 個試件，取其抗折強度平均值作為最終試驗結果?？拐蹚姸仍囼灲Y果如表3所示，試件加載破壞如圖2 所示。

圖2 試件加載破壞

表3 抗折強度試驗值

由圖2 可以看出，破壞后裂縫均貫穿開展于試件跨中位置附近，對照組1（裸塊）直接斷裂，其余組由于底面玄武巖纖維布未被拉斷，其所起的抗拉作用使得試件未完全斷裂，說明玄武巖纖維布具有一定的延展性，此情況與鋼筋混凝土適筋現(xiàn)象相類似，基底粘貼的玄武巖纖維布起到類似短梁、深梁中縱向受力鋼筋的作用，布置在受拉區(qū)以抵抗拉應力，并使得斜裂縫的開展放緩，使得試件抗折強度、整體剛度、變形能力得以提升。當梁剪跨比偏大或配箍率偏低時，這種提升將更為明顯。由表3 可以看出，對照組2（底面全粘）使得試件的力學性能提升最大，相較對照組1（裸塊）抗折強度提升了28.8%，試驗組1、2 分別提升23.1%、25%。

3 結論

（1）再生骨料砂漿砌塊抗壓強度隨再生骨料取代率的增加先降低后提高。通過比較再生骨料取代率為15%、30%、45%的砂漿砌塊抗壓強度，得出再生骨料最佳取代率為45%，較天然骨料砂漿試塊抗壓強度提升了7.2%。

（2）對于短梁、深梁等受彎構件，基底粘貼玄武巖纖維布可提升其抗折強度與整體剛度。當梁剪跨比偏大或配箍率偏低時，這種提升將更為明顯。綜合考慮玄武巖纖維布用量與玄武巖纖維布對試件抗折強度的提升作用，得出以3/5 受彎構件底面積作為纖維布用量，縱向均勻粘貼兩道玄武巖纖維布為最佳粘貼方式，既考慮了經濟效益影響因素，節(jié)省了玄武巖纖維布的消耗量，又較裸塊抗折強度提升了25%，達到了預期力學效果。

（3）目前國內廣泛采用碳纖維布進行結構加固，而玄武巖纖維布作為新型復合纖維材料不僅具有良好的力學性能以及抗高溫、抗蠕變、抗腐蝕等優(yōu)點，又因其制作原料玄武巖在我國儲量豐富，所以其價格相較碳纖維布偏低，因而具有更佳的經濟性，于經濟效益方面占優(yōu)，在實際工程結構加固中具有良好的應用前景。

（4）近年來，隨著國內天然砂、河砂等資源的枯竭和政府對開采管控力度加大，天然砂石產能也隨之驟減。而砂石作為重要的建筑材料和混凝土原料，廣泛應用于房屋、道路工程等。機制砂以及建筑垃圾等固體廢棄物粉碎篩分并按一定比例混合而成的再生骨料正在逐步成為天然砂石的替代，這為建筑垃圾減量化提供了一種新路徑、新方法，響應了國家雙碳政策與戰(zhàn)略在建筑領域的規(guī)劃，對推進材料革新與建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展有重要的參考意義。