玄武岩纤维再生混凝土及其轴压短柱力学性能分析

侯 敏，董江峰，袁书成，王清远

(四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

近年来，房屋拆迁以及地震等自然灾害造成了大量的建筑垃圾，不仅使环境恶化，还给能源的消耗增添了不少难题，如何高效利用建筑废弃料是解决环境问题的有效途径［1］.将建筑废弃物筛选、分类、破坏和筛分后作为再生粗骨料代替天然骨料用于生产新的混凝土，即再生混凝土，不仅解决了建筑垃圾的处理问题，还保护了天然骨料的过度消耗，符合我国绿色低碳经济的要求，具有重要的研究和应用价值［2－3］.大量研究结果表明，再生混凝土相对普通混凝土的各项力学性能都有一定程度的降低，如何有效提高再生混凝土的受力性能是其工程推广的一大难题［4－6］.

纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属材料、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料.它是将短而细的，具有高抗拉强度、极限延伸率和抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料.纤维混凝土以其优良的抗拉、抗弯强度、阻裂和限缩能力、耐冲击性能及优良的抗渗、抗冻特性而成功应用于军事、水利、建筑、机场、公路等工程领域［7］.

玄武岩纤维由天然的玄武岩矿石高温拉丝制成，具有良好的化学稳定性、热稳定性和耐酸碱性能，是一种新型的无机生态绿色复合材料，在纤维混凝土中得到广泛应用［8－10］.因此，笔者在研究再生粗骨料性能的基础上，研究了玄武岩纤维增强再生混凝土的基本物理和力学性能，分析了不同再生骨料取代率对其轴压短柱力学性能的影响，为再生混凝土和纤维混凝土的研究和工程应用提供一定的参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用混凝土包括再生混凝土和玄武岩纤维增强再生混凝土.分别浇筑了0%，50%，100%取代率(r)下的再生混凝土和玄武岩纤维再生混凝土.试验用天然骨料(Nature Aggregate，NA)和再生骨料(Recycled Aggregate，RA)的粒径为2.36!19.00 mm，满足再生混凝土粗骨料级配要求，骨料级配曲线如图1所示.骨料的基本物理和力学性能见表1.试验用水泥为峨眉牌普通硅酸盐水泥(P42.5).试验用砂为天然粗砂.试验用纤维为成都点石玄武岩纤维技术有限公司生产的玄武岩纤维，纤维直径13 μm，密度2 600 kg/m3，抗拉强度 2 GPa，弹性模量 93 GPa，延伸率3%，纤维掺量4 kg/m3.

表1 骨料的基本物理和力学性能

图1 试验用骨料的级配曲线

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)和玄武岩纤维再生混凝土(Basalt Fibre Aggregate Concrete，BFAC)的基本力学参数见表2.其中:fcu为立方体抗压强度;fc为轴心抗拉强度;E为弹性模量;u为泊松比.

表2 混凝土基本力学性能

1.2 试件设计

试验主要研究玄武岩纤维增强不同再生骨料替代率下的再生混凝土的性能，主要研究参数包括:再生骨料取代率(0%，50%，100%);混凝土短柱截面形式(圆形和方形)，圆柱直径114 mm，方柱边长100 mm，高400 mm.

1.3 试件加载

试件加载在四川大学破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室500T液压试验机上进行.共分为两种加载方案:静态加载和循环加载.为了观察和分析试件的变形，在混凝土柱的中部对称粘贴2个竖向应变片和2个环向应变片.采用分级加载的方式加载，加载速度为0.5 kN/s，每级加载5 kN，保持3 min，待仪器数值稳定后，记录试验数据，主要包括:竖向变形、环向应变和竖向应变.试件具体加载方式如图2所示.

图2 试件加载方式和测点布置

2 纤维再生混凝土试验结果

2.1 抗压强度

对比研究了再生混凝土和玄武岩纤维增强再生混凝土的强度发展规律，分别研究其 3，7，14，21，28，90 d的抗压强度，并将不同龄期的强度与28 d混凝土的抗压强度的比值定义为混凝土强度发展系数，用Sd表示.试验结果如图3所示.

图3 混凝土强度随时间发展关系曲线

由图3(a)可知，前期再生混凝土的强度发展较慢，在7 d到28 d龄期之间，50%和100%取代率下的再生混凝土强度发展高于0%取代率下的混凝土，这主要由于再生粗骨料在拌合过程中吸附较多的拌合水促进其后期强度的发展［1］.将图3(a)与图3(b)进行比较，相对普通混凝土，纤维再生混凝土可显著提高28 d龄期之前100%再生骨料取代率下的强度系数，同时也显著提高了纤维普通混凝土的强度发展，这与普通混凝土的强度发展区别较大.可见玄武岩纤维可显著提高0%和100%再生骨料取代率的混凝土强度发展系数.

2.2 抗拉强度

试验测得混凝土的劈裂抗拉强度值见表3.

表3 试验用混凝土劈裂抗拉强度

由表3可知，随着取代率的增加，RAC的劈裂抗拉强度逐渐降低.肖建庄［2］研究再生混凝土取代率(r)，立方体抗压强度(fcu)和抗拉强度(ft)之间的关系时发现有

BFAC的抗拉强度明显低于相应的RAC的抗拉强度，特别对于0%取代率下的BFAC的抗拉强度比相应的RAC的强度低约55.6%.当再生骨料取代率为100%时，纤维再生混凝土的抗拉强度与再生混凝土强度相当，可见4 kg/m3的纤维掺量下，再生混凝土的抗拉强度有所降低.这主要与再生混凝土和玄武岩纤维的吸水率都较大有关，影响了再生混凝土的实际水灰比，从而降低了纤维再生混凝土的抗拉强度.

2.3 弹性模量和泊松比

由表2可知，随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土和纤维再生混凝土的弹性模量均降低.虽然玄武岩纤维可有效提高再生混凝土的弹性模量，但是100%再生骨料取代率下的纤维再生混凝土弹性模量比0%取代率下的纤维再生混凝土降低25%，可见玄武岩纤维对于再生混凝土的弹性模量影响较大.再生混凝土的弹性模量E、立方体抗压强度fcu和再生骨料取代率r之间的关系为

对于4 kg/m3玄武岩纤维掺量的纤维再生混凝土，其弹性模量约为再生混凝土弹性模量的1.1倍.

3 纤维再生混凝土短柱试验结果

3.1 破坏模式

试验圆柱静态破坏和循环加载破坏模式如图4所示.由图4可知，对于静态加载的再生混凝土和纤维再生混凝土短柱，裂缝首先在底部萌生，随着加载的进行，底部混凝土被压碎而破坏;对于循环加载短柱，底部混凝土首先出现裂缝，竖向延伸后，在底部不断萌生新的混凝土裂缝，最后底部混凝土压碎破坏，去除上部混凝土发现，纤维再生混凝土的上、下部分完全脱离，核心混凝土压碎破坏.

图4 静载破坏和循环加载破坏模式

3.2 承载力分析

再生混凝土和玄武岩纤维再生混凝土短柱的承载力试验结果见表4，其中编号C指圆柱，CB指纤维增强圆柱，SB指纤维增强方柱.

表4 混凝土短柱加载试验结果

由表4可知，对于再生混凝土圆柱，C100的承载力最大，其承载力比C0高9%，这主要与再生混凝土后期水化反应较强有关;比C50的承载力提高32%左右，这是由于50%再生骨料取代率的再生混凝土中的新旧砂浆结合面较多，而其界面过渡区内混凝土性能较低所致，可见再生骨料取代率对其承载力具有一定的影响.

对于纤维再生混凝土，从表4可以看出，承载力得到显著提高，可见玄武岩纤维可显著提高再生混凝土的极限承载力，这主要与玄武岩纤维可有效提高再生粗骨料与细骨料间的黏结性能有关.由于再生粗骨料的天然缺陷，内部裂缝和孔洞较大，影响其承载力，随着玄武岩纤维的加入，通过砂浆－纤维－孔洞(或裂缝)间的内部增强机制，从而显著提高纤维再生混凝土的极限承载力.

3.3 载荷－位移曲线

试验静态加载和循环加载短柱的载荷与竖向位移关系曲线如图5所示.

图5 静态加载和循环加载短柱的载荷－位移曲线

由图5可知，100%取代率的普通再生混凝土试件的初始刚度最大，但纤维再生混凝土的屈服强度和极限承载力比再生混凝土高.

3.4 载荷－应变曲线

试验静态加载短柱的载荷－应变关系曲线如图6所示，图7为动态加载纤维再生混凝土短柱的典型应变关系曲线.

由图6可知，加载初期再生混凝土和纤维再生混凝土的中部应变基本相同，混凝土短柱的竖向变形比环向变形大.对于纤维再生混凝土，由于纤维的内部增强作用，其初始变形较小.

由图7可知，同普通混凝土相似，再生混凝土在弹性阶段的应变也具有可恢复性，在循环加载过程中横向应变随着加载－卸载的进行，其局部变形和整体变形一致(与图5对照)，可见纵向变形的增大导致横向应变增大.再生混凝土纵向应变曲线存在比位移曲线更大的滞回环，这主要与混凝土的开裂有关.玄武岩纤维再生混凝土由于玄武岩纤维的内部增强作用，其抗裂性能得到提高，其应变曲线无明显滞回环.

4 结语

试验研究了再生混凝土和纤维再生混凝土的基本物理和力学性能，分析了不同再生骨料取代率(0%，50%，100%)对再生混凝土和玄武岩纤维再生混凝土性能的影响，对比研究了混凝土短柱在静态加载和循环加载过程中的力学响应.通过一系列试验与分析，得出以下主要结论.

1)纤维再生混凝土可显著提高28 d龄期之前的100%再生骨料取代率的混凝土强度，也可显著提高纤维普通混凝土的强度发展系数.

2)对于4 kg/m3纤维掺量下的纤维再生混凝土，其抗拉强度明显低于再生混凝土，但随着再生骨料取代率的增加，其抗拉强度逐渐增大.

3)对于4 kg/m3纤维掺量下的纤维再生混凝土短柱，其极限承载力虽然得到有效提高，但在加载初期其初始刚度比再生混凝土短柱低.

4)玄武岩纤维可显著降低纤维再生混凝土的竖向应变发展，提高混凝土的抗裂性能，在循环加载过程中，其应变响应无显著的滞回环.

［1］董江峰，侯敏，王清远，等.碳纤维布加固薄壁钢管再生混凝土短柱的力学性能［J］.四川大学学报:工程科学版，2012，44(S1):255 －260.

［2］肖建庄.再生混凝土［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］石宵爽，王清远.从灾后重建探讨再生混凝土的研究现状及其应用前景［J］.四川大学学报:工程科学版，2009，41(3):301 －310.

［4］ Xiao J Z，Li J B，Zhang C H.Mechanical properties of recycled aggregate concrete under uniaxial loading［J］.Cement and Concrete Research，2005，35:1187 －1194.

［5］ Breccolotti M，Materazzi A L.Structural reliability of eccentrically-loaded sections in RC columns made of recycled aggregate concrete［J］.Engineering Structures，2010，32:3704－3712.

［6］ Son K S，Hajirasouliha I，Pilakoutas K.Strength and deformability of waste tyre rubber-filled reinforced concrete columns［J］.Construction and Building Materials，2011，25:218－228.

［7］陈寅春.玄武岩纤维混凝土梁的试验研究［D］.重庆:重庆交通大学，2011.

［8］李为民，许金余，沈刘军，等.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能［J］.复合材料学报，2008，25(2):135 －142.

［9］陈伟，王钧.玄武岩纤维混凝土梁斜截面受剪试验［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2011，27(4):674－678.

［10］贺东青，卢哲安.短切玄武岩纤维混凝土的力学性能试验研究［J］.河南大学学报:自然科学版，2009，39(3):320－322.