玄武岩纤维对再生混凝土基本力学性能的影响

高银，宗翔

(安徽理工大学土木建筑学院， 安徽 淮南 232000)

21世纪以来，随着我国城市的扩建和改造，拆除废旧建筑产生的建筑垃圾日益增多，由于地震等自然灾害的发生，造成的大量建筑垃圾也亟待处理[1，2]。这些建筑垃圾的堆放占用了大量土地资源，垃圾中的有害物质也污染了空气和水资源，环境问题日益恶化[3]。如何将废弃建筑垃圾变废为宝，实现资源的再次利用是日前急需解决的问题。近年来，大量的研究学者对再生混凝土的基本力学性能进行了研究。大量试验表明，将建筑垃圾筛选，破碎后代替粗骨料的再生混凝土较普通混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度普遍偏低[4，5]，如何提高再生混凝土的力学性能成为建筑垃圾资源化的一大难题。

玄武岩纤维作为一种新型无机绿色纤维材料，是由玄武岩石料在1450～1500℃高温熔融后，通过喷丝板拉伸而成的，具有较好的抗裂性能和抗拉强度，且相对于其他纤维，更具有经济性及工程实践性[6]。Dias等[7]研究表明玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的抗断裂性能。董江峰等[8]按照纤维质量掺入法对3个不同替代率的再生混凝土进行了研究，替代率为50%的再生混凝土的力学性能有明显的增强效果。因此，针对单丝直径在7～15μm的不同长度玄武岩纤维，笔者在不同掺量条件下对50%再生粗骨料的抗压强度和劈裂抗拉强度进行了研究，旨在为玄武岩纤维再生混凝土的应用提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验所使用的水泥是淮南八公山水泥厂生产的P·C42.5的复合硅酸盐水泥，试验用砂为天然河砂，所使用的天然粗骨料经试验测得其表观密度及吸水率均符合要求。再生粗骨料为试验室废弃的混凝土试块，经过人工破碎至直径为50mm左右的碎石，再经过SP-100×100颚式破碎机破碎，筛分至5～20mm的粗骨料，破碎、筛分后的再生粗骨料如图1所示。玄武岩纤维是由浙江海宁安捷复合材料有限公司生产，如图2所示，长度分别为6、12、20mm，其基本的物理性能如表1所示。

表1 玄武岩纤维性能指标

图1 破碎、筛分后的再生粗骨料 图2 玄武岩纤维

1.2 配合比

试验针对强度为C35的混凝土，共有2个不同参数：纤维长度和纤维体积掺量。根据市场上现有的规格，选取了6、12、20mm 3种长度的纤维，体积掺量则分别为0%、0.15%和0.3%，对玄武岩纤维再生混凝土进行试验研究。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)[9]计算出试验用配合比，如表2所示。

表2 试验用配合比

1.3 试件制作与养护

采用干拌法，先投入水泥、砂、骨料，混合均匀后再投入纤维搅拌10min后充分打散加水，使得玄武岩纤维在混凝土中分布均匀。将搅拌均匀的玄武岩纤维再生混凝土装入模具中，在振捣台上振捣充分，24h后脱模放入温度23℃、湿度95%的养护箱内养护至试验天数。

1.4 试验方法

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[10]规定进行立方体抗压试验和劈裂抗拉试验，立方体抗压试件尺寸为100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉试件尺寸为100mm×100mm×100mm。

2 试验结果与分析

2.1 立方体抗压强度试验结果

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[10]要求，测试试件的3、7、28d立方体抗压强度，最终值为测得的平均值乘以规范规定的相应系数，立方体抗压强度试验结果如表3所示。

表3 立方体抗压强度试验结果

图3 破坏后的试件

采用的试验仪器为长春试验机研究所有限公司的电液伺服压力试验机，破坏后的试件如图3所示。不同掺量不同长度的玄武岩纤维混凝土在龄期为3、7、28d抗压强度如图4和图5所示。

在加载过程中，沿着试件的侧面出现了许多竖向裂缝且裂缝之间逐渐延伸贯通，并伴随着混凝土的碎片脱落。当达到极限荷载时，会发生较大的声响，纤维掺量为0的再生混凝土试块破碎程度较掺入纤维的再生混凝土严重。掺入纤维的再生混凝土试件在破坏后裂缝之间具有一定的粘连，整体性较好。

图4 0.15%掺量玄武岩再生混凝土抗压强度 图5 0.3%掺量玄武岩再生混凝土抗压强度

由图4和图5可知，在0.15%纤维掺量下，早期不同长度的玄武岩纤维的再生混凝土抗压强度上升都较为明显，长度为12mm的玄武岩纤维混凝土比未掺纤维的再生混凝土强度提高了7.3%。当龄期达到28d后强度趋于平缓。在0.3%纤维掺量下，不同龄期的长度为6mm及20mm玄武岩纤维再生混凝土较未掺纤维的再生混凝土的强度偏低，分别降低了3.2%～9.0%。长度为12mm的玄武岩纤维再生混凝土的强度则达到最大，龄期为7d时抗拉强度可提高11.7%。由此可知，当玄武岩纤维的长度为12mm，体积掺量为0.3%时，替代率为50%的纤维再生混凝土的强度达到最大。因此，当纤维的掺量确定时，合适长度的玄武岩纤维对再生混凝土有一定的增强作用[11]。其主要原因为，一是玄武岩纤维的密度与混凝土的密度相近，具有较好的相容性。二是玄武岩纤维能够提高混凝土的保水性，在适当的长度和掺量条件下，能够有效地阻止混凝土发生离析。但是当其超出最佳范围时，在混凝土搅拌过程中玄武岩纤维吸收大量的水，再生混凝土中水泥不能完全发生水化反应，导致混凝土抗压强度降低。

2.2 劈裂抗拉强度试验结果

表4 劈裂抗拉强度试验结果

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB-T50081—2002)的规定，进行3、7、28d龄期的劈裂抗拉强度试验，测得的平均值乘以相应系数，劈裂抗拉强度试验结果如表4所示。采用的试验仪器为电液伺服压力机及半径为75mm 的钢制弧形垫块，破坏后试件如图6和图7所示，不同参数的玄武岩纤维再生混凝土劈裂抗拉强度对比如图8和图9所示。

在劈裂抗拉强度试验中，未加纤维的再生混凝土试件破坏较为突然，无明显征兆，试件瞬时被劈裂成两半，并伴随着较大声响。掺入玄武岩纤维的再生混凝土试件在加载过程中，试件表面逐渐产生细微裂缝，随着荷载增加裂缝逐渐贯穿，劈裂成两半；试件不像未掺纤维再生混凝土试件一样突然破坏，具有较好的塑性特征。

图6 未掺纤维再生混凝土劈裂抗拉破坏 图7 掺加纤维再生混凝土劈裂破坏

图8 0.15%掺量纤维再生混凝土劈裂抗拉强度比较 图9 0.3%掺量纤维再生混凝土劈裂抗拉强度比较

由图8和图9可知，掺入纤维的再生混凝土相对于未掺纤维的混凝土的抗拉强度有明显的提高。在0.15%掺量下，不同长度的玄武岩纤维再生混凝土较未掺纤维的再生混凝的抗拉强度可提高21%～44.7%。其中长度为12mm的玄武岩纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度达到最大，0.3%掺量较0.15%掺量的玄武岩纤维再生混凝土抗拉强度提高幅度偏低，为6.8%～42.8%。由此可知，在再生粗骨料替代率为50%的再生混凝土中加入玄武岩纤维能提高其劈裂抗拉强度[12，13]，且长度为12mm，掺量为0.15%的纤维再生混凝土的抗拉强度最高。其原因是在0.15%较小掺量下，玄武岩纤维增大了混凝土的黏结力，使得抗拉强度增大。在0.3%较大掺量下，玄武岩纤维再生混凝土的抗拉性能由玄武岩本身起主要作用[14]，且玄武岩纤维在搅拌过程中易结团，使得在混凝土中分布不均，不能充分发挥其增韧作用，从而引起玄武岩纤维再生混凝土抗拉强度的降低。

3 结论

1)对于玄武岩纤维再生混凝土立方体抗压强度，玄武岩纤维的最佳掺用纤维长度为12mm，最佳体积掺量为0.3%，当龄期为7d时，其抗压强度可提高11.7%。

2)玄武岩纤维的掺入对再生混凝土劈裂抗拉强度的提高效果明显，长度为12mm，掺量为0.15%的玄武岩纤维再生混凝土的抗拉强度最大，龄期为28d的强度较未掺纤维的再生混凝土可提高44.7%。

3)对于玄武岩纤维是否能长期在混凝土的碱性环境下稳定存在，及在实际应用中是否能达到同样效果尚未考虑，将在后续的研究中涉及。