玄武巖纖維增強再生混凝土的單軸受壓試驗研究

郭少龍，陳為石，鹿 群，李國棟

（1.天津城建大學，天津 300384；2.融創北京區域集團濟南公司，濟南 250000；3.中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384）

再生混凝土[1-3]是將建筑垃圾中的混凝土廢塊經過破碎、篩分、清洗后，按一定級配混合，取代一部分或全部混凝土配合比中的粗細集料，加入水泥，水，減水劑等攪拌制成的一種混凝土材料.再生混凝土技術可以實現廢棄混凝土的有效回收利用，對保護環境、節約資源具有重要意義.玄武巖纖維[4-5]是以天然玄武巖為原料，拉制而成的連續纖維，具有耐高溫，耐疲勞，耐沖擊，抗壓強度和抗剪切強度高等優點.纖維再生混凝土[6-7]就是將一種或幾種不同種類的纖維加入到再生混凝土中，用來增強再生混凝土性能的一種復合材料，玄武巖纖維增強再生混凝土（basalt fiber reinforced recycled concrete，簡稱BFRRC）便是其中的一種.

立方體抗壓強度是再生混凝土的重要力學指標之一，有學者研究表明，影響再生混凝土抗壓強度的主要因素是齡期，其次是再生粗骨料的摻入量[8～10].Salomon M L 和Paulo H[11]通過對比相同齡期的普通混凝土和再生混凝土的立方體抗壓強度，發現普通混凝土明顯高于再生混凝土.陳宗平等[12]的研究發現再生粗骨料取代率為40%時混凝土的立方強度、軸心抗壓強度與普通混凝土差異不明顯.

玄武巖纖維因為抗拉強度高、抗裂性能顯著、耐久性好等特點，在普通混凝土中應用十分廣泛.彭苗等[13]研究發現，玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時，混凝土抗壓強度提升了46.3%.同時玄武巖纖維有極好的增韌效果，限制了混凝土內部微裂紋的產生和發展[14].而再生粗骨料內部有較多微裂縫，纖維對裂縫的限制作用為研究再生混凝土立方體抗壓強度提供了新的思路.胡星宇[15]通過研究發現，玄武巖纖維的長度對混凝土的強度有較大影響，并指出玄武巖纖維的長度為15 mm 時，混凝土的抗壓強度增幅最大，玄武巖纖維最佳體積摻量為0.1%.崔乃夫[16]通過研究玄武巖纖維的摻量和長度對混凝土力學性能的影響，得出玄武巖纖維的長度為18 mm 時，力學性能最佳，同時得出了玄武巖纖維的最佳摻量為3 kg/m3.Borhan[17]研究發現，當玄武巖纖維的體積摻量達到0.2%時，反而會降低混凝土強度.葛浩軍[18]在研究中發現當玄武巖纖維的體積摻量為0.1%～0.12%時，混凝土的力學性能最佳.

再生混凝土自身的缺陷使得其在工程應用中得到了一定限制.玄武巖纖維能夠起到增強、增韌、阻裂的效果.將玄武巖纖維均勻摻入再生混凝土中提高其韌性，減少裂縫開展是一種有意的嘗試.然而，已有的研究不系統、不完善.本文系統研究了玄武巖纖維體積摻量、再生粗骨料取代率對混凝土的抗壓強度、割線模量、峰值應變等方面的影響，以期為玄武巖纖維增強再生混凝土的工程應用提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 原材料

本次試驗選用長度為18 mm 的玄武巖纖維，以玄武巖纖維體積摻量（0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%）為變量，來研究玄武巖纖維的摻入對BFRRC 抗壓強度、彈性模量的影響. 本次試驗以再生粗骨料的取代率（0%，50%，100%）為變量，研究再生粗骨料取代率對BFRRC 抗壓強度、割線模量的影響. 此外，對BFRRC 立方體抗壓強度試驗的峰值應變進行分析.

天然粗骨料采用普通碎石，粒徑為5～31.5 mm，見圖1.再生粗骨料采用北京首鋼資源管理科技開發有限公司提供的再生粗骨料，粒徑為5～31.5 mm，見圖2.天然碎石形狀不規則，棱角較多，而再生粗骨料，形狀介于碎石和卵石之間，表面較為圓潤，同時再生粗骨料的表面有一層硬化的水泥砂漿層，表面的含泥量較高.天然碎石的表面較為致密光滑，而再生粗骨料表面的孔隙比較多，因此再生粗骨料的吸水率相對天然粗骨料較大.天然碎石與再生粗骨料的篩分結果見表1.

表1 天然碎石與再生粗骨料的篩余統計

圖1 天然粗骨料

圖2 再生粗骨料

由數據可知，再生粗骨料的顆粒級配要優于天然粗骨料，天然粗骨料相對天然碎石來說粒徑更加小，較大粒徑顆粒較少，各粒徑比例更加均衡，但兩者都符合相關規范[19]的要求.

根據規范[19]，對再生粗骨料和天然粗骨料分別進行了表觀密度和堆積密度的試驗，數據如表2.由表2可知，本次試驗所用的天然碎石的堆積密度與表觀密度比再生混凝土分別提高了7.5%和10%.這是由于再生粗骨料的表面附著了硬化的水泥砂漿層，而水泥砂漿層的密度較骨料低、孔隙率較大、表面相對粗糙且有大量的細微裂縫，使得在堆積密度與表觀密度方面，再生粗骨料明顯低于天然粗骨料.

表2 兩種粗骨料的表觀密度與堆積密度數據

再生粗骨料與天然粗骨料的壓碎值指標分別為6.22 和9.52.再生粗骨料的壓碎值明顯高于天然粗骨料，這是由于再生粗骨料表面附著砂漿的剛度較低，孔隙較多，容易破碎脫落，并且再生粗骨料成分復雜，內部裂縫較多，含有一定量的磚粒等次生顆粒，使其壓碎值高于天然粗骨料.

砂子為普通河砂，中砂，顆粒級配為0.150～2.36 mm.玄武巖纖維采用上海同申加固復合材料有限公司生產的短切玄武巖纖維，玄武巖纖維物理力學性能如表3 所示，玄武巖纖維樣品如圖3 所示.

表3 玄武巖纖維的物理力學性能

圖3 玄武巖纖維

1.2 試驗方法

BFRRC 立方體抗壓強度試驗共有15 組配合比，如表4 所示.

表4 玄武巖纖維再生混凝土的配合比

按照相關標準[19]的要求制作強度等級為C30，尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體非標準試塊（測得的強度值需乘以尺寸換算系數0.95）.試塊共45 個，分為15 組，每組3 塊，按照相關標準進行[19]抗壓試驗.荷載加載速率為2 kN/s，試件的立方體抗壓強度由式（1）進行計算.抗壓強度fcu按下列方法確定：以三個測試值的算術平均值作為該組試件的強度值；三個測試值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍除，取中間值作為該組試件的抗壓強度值；三個測試值中的最大值或最小值中如兩個與中間值的差值均超過中間值的15%時，則試驗數據無效.抗壓強度試驗設備采用由武漢巖土所研制的RMT-150C 巖石壓力機.抗壓強度計算公式如下

式中：fcu為BFRRC 試塊的抗壓強度，MPa；F為試塊破壞荷載，N；A為試塊承受壓力面積，mm2.

應力應變曲線上一點的應力和相應應變的比值稱該點的割線模量.割線模量和彈性模量有一定的關系，由于彈性模量可以表征材料的剛度，因此，割線模量又被稱為割線剛度.隨著應力的增長，割線模量出現了衰減特征，其衰減過程與材料損傷的發展有某種聯系.本文在混凝土應力-應變曲線上，取極限強度50%所對應的點與原點的連線的斜率作為本次立方體抗壓試驗的割線模量Ec.混凝土的峰值應變ε0即試件最大應力處對應的應變.已有的研究對再生粗骨料混凝土峰值應變的研究較少，對摻玄武巖纖維混凝土的再生粗骨料混凝土峰值應變的研究更少.本文通過試驗研究再生粗骨料取代率、玄武巖纖維摻量對混凝土峰值應變的影響規律.

2 結果與分析

2.1 抗壓強度分析

以再生粗骨料取代率（RC）和玄武巖纖維體積摻量（RB）為影響因素，對比研究了不同影響因素改變時BFRRC 的抗壓強度（fcu）的發展規律. RFRRC 立方體試塊的齡期為28 d.

圖4 為以RB 為影響因素時的BFRRC 的抗壓強度試驗結果. 由圖4 可以看出：RB 為0.05%，0.10%，0.15%的抗壓強度明顯高于當其體積摻量為0%時的抗壓強度，表明在RB 小于0.15%時玄武巖纖維對再生混凝土立方體抗壓強度有增強作用. 當RB 為0.20%時，由于纖維分布不均勻，在混凝土內部結團，同時由于RB 過多，且玄武巖纖維在攪拌過程中，會吸收一定量的水，降低了混凝土內部的水化反應，從而使得BFRRC 抗壓強度降低.隨著RB 的增加，BFRRC的立方體抗壓強度均呈現先增大后減小的趨勢.玄武巖纖維增強混凝土強度的機理為：當RB 較小時，纖維在混凝土中的分布較為均勻，可以在混凝土內部形成致密的網狀結構；同時玄武巖纖維比表面積相對較大，能夠增大混凝土內部摩擦力，從而增強其抗壓強度；當玄武巖纖維體積摻量較大時，玄武巖纖維容易成團結束，分布不均勻，使得混凝土立方體抗壓強度降低.因此，玄武巖纖維存在著最佳體積摻量，在該摻量下，對再生混凝土立方體抗壓強度的提高最明顯.由圖4 可知，本次試驗的最佳RB 為0.05%.隨著RB的增大，BFRRC 的立方體抗壓強度在RB 超過0.15%后開始大幅度下降.

圖4 RB 對fcu 的影響

圖5 為以RC 為影響因素時的BFRRC 的抗壓強度試驗結果.由圖5 可知：BFRRC 的立方體抗壓強度隨著RC 的增加，呈現先增后減的效果.RC=50%時混凝土立方體抗壓強度最大. 再生粗骨料對BFRRC 立方體抗壓強度的影響規律，學術界一直存在爭議.就本次試驗結果進行分析，造成RC=50%時混凝土立方體抗壓強度最大的主要原因如下.

圖5 RC 對fcu 的影響

（1）本次試驗所采用的再生粗骨料顆粒級配良好，優于天然石子的顆粒級配，連續性更好.天然石子的顆粒粒徑在9.5～26.5 mm 范圍內僅有30%，在較小顆粒粒徑2.36～9.5 mm 內的比例達到了70%.而再生粗骨料在粒徑為9.5～26.5 mm 范圍內的比例為48.6%，在顆粒粒徑2.36～9.5 mm 范圍內的比例為52.4%. 因此，再生粗骨料的級配更好.

（2）耿秀春[20]通過研究粗骨料的顆粒級配對相同水灰比的混凝土抗壓強度的影響，發現在較大水灰比條件下，使用較大顆粒粒徑的混凝土抗壓強度較大.而在本研究中，水灰比為0.6，再生粗骨料的大顆粒粒徑比例明顯高于天然石子.

（3）天然石子中針片狀顆粒較多，天然骨料的壓碎值略低于再生骨料，粗骨料的顆粒形狀與壓碎值也是造成再生混凝土強度高于普通混凝土強度的原因之一.

（4）本次試驗在使用再生粗骨料時加入了附加水，使得水泥的水化反應更加完全.

2.2 割線模量分析

圖6 為RC 對割線模量Ec的影響結果，圖7 為RB 對Ec的影響結果.由圖6 可知，BFRRC 的Ec隨著RC 的增加而減小，整體大致呈線性關系. 在RC =100%時，玄武巖纖維摻量為0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%的各組，相對基準混凝土，Ec分別降低了9.8%，5.4%，13.1%，20.4%，14.2%.下降幅度離散性較大，最大下降幅度達到了20.4%.這是由于再生粗骨料本身的彈性模量較小，同時再生粗骨料內部存在微裂縫，孔隙率較大造成的.

圖6 RC 對Ec 的影響

圖7 RB 對Ec 的影響

由圖7 可知，隨著RB 的增加，BFRRC 的Ec先增大后減小，在RB 為0.05%時取得峰值，最佳體積摻量為0.05%.該結論與RB 對立方體抗壓強度的影響規律一致，說明玄武巖纖維分散較為均勻時，可以減小再生混凝土的變形能力，增大了其Ec.但隨著RB 的增加，纖維在混凝土基體中分布不均勻，出現結團現象，纖維過密，使得水泥漿與骨料接觸面積減小，抗壓強度降低，應變增大，從而降低了Ec.

2.3 峰值應變分析

圖8 為RC 和RB 對峰值應變的影響. 根據圖8可知RC 和RB 對峰值應變的影響均很明顯.當RB 分別取0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%時，RC=50%對應的峰值應變比RC=0%對應的峰值應變分別提高了5.6%，8.2%，29.3%，30.45，17.7%，增幅基本上隨著RB的增加而增大.可見摻入玄武巖纖維對混凝土的峰值應變有明顯的提高作用，當RB 超過0.15%時，這種現象更明顯.此外，當RC 取定值時，試件的峰值應變大致隨RB 的增大而增大.然而，當RC 超過50%以后，試件的峰值應變隨著RC 的增大而減小.

圖8 再生粗骨料取代率對峰值應變的影響

由于玄武巖纖維的摻入會使得試件的峰值應力先增大后減小，在RB=0.20%體積摻量時，試件峰值應力小于基準混凝土，即試件在較小的應力條件下，發生了較大的形變. 當玄武巖纖維體積摻量超過0.15%時，會對試件造成在抗壓強度、變形方面的不利影響.因此，建議工程上使用玄武巖纖維時，體積摻量不宜超過0.15%.

通過以上研究發現，在混凝土中摻入適量玄武巖纖維可以增強混凝土的延性，小幅度提高混凝土的強度.采用再生粗骨料部分或全部替代天然粗骨料，對混凝土強度、延性的影響并不顯著.因此，將玄武巖纖維的高抗拉強度、高彈模、高耐腐蝕性、低成本的特性與再生粗骨料混凝土的經濟性、環保性相結合，配制出性能更加優越的新型纖維混凝土材料，將是玄武巖纖維增強再生混凝土的一個很好的研究前景.其研究成果可應用于道路、橋梁、建筑結構等工程領域的各種混凝土結構的生產、加固、修復，應用前景十分廣闊.

3 結 論

本文通過對玄武巖纖維增強再生混凝土BFRRC試塊的立方體抗壓試驗分別研究了玄武巖纖維體積摻量RB、再生粗骨料的取代率對抗壓強度RC、割線模量Ec和峰值應變的影響規律.研究結果總結如下.

（1）RB 對BFRRC 試塊的立方體抗壓強度起到先增大后減小的作用，試塊的齡期為28 d 時，立方體抗壓強度在RB 為0.05%時增幅最大. RC 對BFRRC 試塊的立方體抗壓強度起到先增大后減小的作用，在取代率為50%時增幅最大.

（2）Ec隨著RC 的增大呈現下降的趨勢，在RC 為0.2%時，Ec的下降斜率變大.Ec隨著RB 的增大呈現先增大后減小的趨勢，但增長幅度不太明顯.Ec在RB為0.05%時取得最大值，之后Ec隨著RB 的增大而逐漸下降.

（3）摻入玄武巖纖維對混凝土的峰值應變有明顯的提高作用.綜合考慮RB 對BFRRC 試件的立方體抗壓強度、彈性模量、應力-應變曲線的影響，得出最佳RB 在0.05%～0.10%之間的結論，建議下一步細化變量研究最佳RB 取值.