玄武岩纤维再生混凝土的基本力学性能

李晓路，金宝宏，姚宇峰,2，郭虹位

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.中国矿业大学银川学院，土木工程系，宁夏 银川 750021)



玄武岩纤维再生混凝土的基本力学性能

李晓路1，金宝宏1，姚宇峰1,2，郭虹位1

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.中国矿业大学银川学院，土木工程系，宁夏 银川 750021)

玄武岩纤维(basalt fiber，BF)是一种新型无机纤维材料，具有较好的延性，抗拉强度高，密度小，且在建筑工程使用中具有较突出的经济优势，为再生混凝土力学性能的改善提供新的思路.针对C30混凝土强度等级，研究了玄武岩纤维掺量(体积分数，下同)分别在0.1%、0.2%、0.3%情况下，不同再生粗骨料替代率的抗压和劈裂抗拉性能.试验结果表明，玄武岩纤维会降低再生混凝土的流动性，增大水泥基体间的摩擦力，并对再生混凝土立方体抗压强度和劈裂拉伸强度具有一定的增强、增韧效果.玄武岩纤维掺量为0.3%，再生粗骨料替代率40%时C30混凝土抗压强度达到最大值.纤维掺量为0.1%时，再生混凝土劈裂拉伸强度的增加趋于稳定，为再生粗骨料在混凝土工程实践中的应用提供指导和借鉴.

玄武岩纤维；再生混凝土；抗压强度；劈裂拉伸强度

近年来，城市扩建和改造、废旧建筑拆除以及地震活动频繁所产生的建筑垃圾亟待处理[1]，高效利用建筑废弃料是解决这一问题的有效途径[2].目前，大量研究学者对再生混凝土的基本力学性能进行了研究，发现其抗压强度和劈裂拉伸强度均有一定程度的降低[3-4]，改善再生混凝土的力学性能，是工程推广急待解决的问题.

玄武岩再生混凝土(basalt fiber recycled aggregate concerete，BFRAC)是利用玄武岩纤维(basalt fiber,BF)抗拉强度高、抗裂性能好、非腐蚀性[5]、性价比高的特点，对再生混凝土进行力学性能改善.目前，由于其材料具有优秀的力学性能，短切玄武岩纤维在普通混凝土中应用非常普遍[6].Li等[7]研究发现玄武岩纤维对地聚物混凝土的变形能力具有一定提高.董江峰等[8]按照纤维质量掺入法对3个再生骨料替代率下的混凝土进行了研究，表明对50%再生骨料替代率的混凝土的力学性能具有较为明显的增强效果.目前有少量研究学者对玄武岩再生混凝土进行了研究，但尚未发现按照纤维体积替代法，不同替代率下再生混凝土力学性能研究的相关文献.为此，本文主要研究了玄武岩纤维(体积分数，下同)为0.1%、0.2%以及0.3%情况下，在19～26.5 mm粒径内不同替代率下再生粗骨料对再生混凝土28 d抗压强度和劈裂拉伸强度的影响，并根据实验所得数据进行处理和分析，希望能对以后的混凝土工程起到一定的借鉴和指导作用.

1 实验设计

1.1 实验原材料

实验所用水泥为宁夏赛马厂生产的42.5 R普通硅酸盐水泥，水泥细度4.7%，外加剂为乌海成城交大建材有限公司生产的奈系高效能减水剂，减水效率为20%，实验用水采用当地自来水.所使用的天然粗骨料(natural coarse,NC)为宁夏银川镇北堡生产的人工碎石，粒径为5～31.5 mm连续级配，再生粗骨料(recycled coarse,RC)为宁夏银川盈北村拆除的废弃混凝土，经机械破碎，人工筛选出19～26.5 mm的粗骨料，见图1，压碎指标为14.3%，吸水率为4.8%，天然细骨料(natural fine,NF)采用镇北堡人工水洗中砂，满足再生混凝土骨料级配要求.纤维为浙江海宁安捷复合材料有限责任公司生产的玄武岩纤维，见图2，基本力学指标如表1所示.

图1 再生粗骨料Fig.1 Recycled coarse aggregate

图2 玄武岩纤维Fig.2 Basalt fiber

表1 玄武岩纤维主要力学性能

1.2 实件制作

本实验是针对强度C30泵送混凝土，再生骨料替代率为0、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，纤维按照等体积代骨料法[9]，保持砂石相对比率不变，以0、0.1%、0.2%、0.3%等4种不同掺入量的玄武岩纤维再生混凝土.试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，24 h后拆模，试块在标准养护条件下养护28 d后进行实验.实验共设计32组玄武岩再生混凝土试件.

由于玄武岩纤维密度较小，拌和过程中易结团，因此本实验采用了特殊的搅拌方式，即水泥净浆包裹法[10]，来保证混凝土拌合物的均匀性.搅拌顺序：先从已按配合比称好的水泥和水中分别取出一部分，加入玄武岩纤维进行拌合，再对石子、砂子和剩余水泥、水搅拌，最后投入已预先拌合好的纤维，进行拌合.

1.3 实验方法

以JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[11]为参考，混凝土配合比设计中，每立方米混凝土中水胶比为0.6、水泥用量为291.7 kg，塌落度取值为180 mm.试件制作过程中若流动性达不到要求，通过减水剂来调节和易性.试件在标准养护28 d后，以GB/ T50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]为基准，在实验机上进行抗压强度、劈裂拉伸强度测试.

1.4 实验加载

试件在标准养护28 d后，进行抗压强度、劈裂拉伸强度实验，实验采用液压式压力实验机加载，直至试件破坏.抗压强度实验过程中发现掺入玄武岩纤维的再生混凝土试件脱落现象不明显，见图3.劈裂拉伸强度实验中随着加载时间的延长，试件的裂缝呈多裂缝开展，见图4.

图3 抗压强度实验 图4 劈裂拉伸实验Fig.3 Compressive strength test Fig.4 Splitting tensile strength test

2 数据处理及分析

2.1 减水剂的影响

实验通过调节高效减水剂的用量，来改善和易性，从而达到塌落度180 mm的要求，减水剂用量如图5所示.

从图5可知，玄武岩再生混凝土试件减水剂用量，随着再生粗骨料替代率的增大而增加，因此可知，再生粗骨料具有一定的吸水性，与之前所测得的吸水率相符.并且无论是普通混凝土试件还是再生混凝土试件，减水剂用量都随着玄武岩纤维掺量的增加而大幅度的增加，究其原因，有2点：首先是玄武岩纤维本身就具有较强的吸水性；其次是部分玄武岩纤维在搅拌过程中成为粉末，增加了吸水性.

2.2 抗压强度实验结果

玄武岩纤维再生混凝土28 d抗压强度数据如表2所示.通过分析玄武岩再生混凝土抗压强度，随纤维体积掺量变化的趋势，得到短切玄武岩纤维再生混凝土的最优体积掺量和再生骨料替代率，分析结果如图6.

图5 减水剂用量Fig.5 Water reducing agent dosage

图6 抗压强度Fig.6 Compressive strength

由图6可知，对于普通混凝土，当玄武岩掺量为0.1%时，抗压强度低于未掺入纤维混凝土.但随着玄武岩纤维掺量的增加，其抗压强度在不断提高，并且在玄武岩纤维掺量达到0.3%时，抗压强度超过未掺入纤维混凝土的5.8%.由此可见，较大掺量的玄武岩纤维对于普通混凝土的增强效果较为明显.对于同一再生粗骨料替代率的混凝土试件，在0.1%和0.2%玄武岩纤维掺量下，随着玄武岩纤维掺量的增加，其抗压强度降低，但在同一纤维掺量下，随着再生粗骨料替代率的增加而呈现较为稳定的上升趋势，并且在0.1%纤维掺量下，上升趋势明显.但对于在0.3%纤维掺量下，试件抗压强度出现较大波动，呈现先下降后上升再下降的趋势，并且在再生粗骨料替代率40%时，抗压强度达到最大，甚至超过普通混凝土抗压强度的10%.

导致纤维掺量为0.3%，再生粗骨料替代率40%时抗压强度成为最大值的原因，一是玄武岩纤维比表面积较大，摩擦系数较高[13]，增大了拌合物混凝土的相对摩擦力，从而增大了纤维和水泥基体的粘结力；二是玄武岩纤维的密度与混凝土的密度十分相近，导致与混凝土有较好的相容性；三是由于玄武岩纤维能增大混凝土的保水性，何军拥等[14]指出玄武岩纤维能有效地阻止混凝土发生离析，使混凝土的粘聚性和保水性大大提高.但是由于玄武岩混凝土试件是由粗骨料来主要承受压力的，并且玄武岩纤维在搅拌的过程中，吸收了大量的水，使得更大替代率下的再生混凝土不能完全发生水化反应，使得强度降低.因此0.3%掺量的玄武岩纤维对40%再生粗骨料替代率下的混凝土试件抗压强度增强效果最为明显.

2.3 劈裂拉伸强度实验结果

玄武岩再生混泥土28 d劈裂拉伸强度实验数据如表3所示，玄武岩再生混凝土劈裂拉伸强度随纤维体积掺量变化的趋势如图7所示.数据处理方法与抗压强度相同，数据规律性强.

表2 抗压强度实验结果

表3 劈裂拉伸强度实验结果

由表3和图7可知，对于普通混凝土，随着玄武岩纤维掺量的增加，劈裂拉伸强度出现下降趋势，如图8所示，这与沈刘军等[15]研究结果基本一致.但是对于再生混凝土，在再生骨料替代率小于70%时，随着玄武岩纤维掺量的增加，劈裂拉伸强度呈现先增大后减小再增大的趋势.首先是在较小掺量下，主要是由于玄武岩纤维增大了混凝土的黏结力，使得抗拉强度增大；其次在较大掺量下是由玄武岩纤维本身抗拉能力起主要作用.当再生骨料替代率大于70%时，随着玄武岩纤维掺量的增加，强度先增加后降低，但仍大于未掺加纤维时的强度.这是由于玄武岩纤维的亲水性，减少了水泥水化时所需的水分.由此可见，在纤维掺量为0.1%时相对于未掺加纤维的再生混凝土，其劈裂拉伸强度的波动是趋于平缓的，也可以看出玄武岩纤维对于较大再生骨料替代率下的混凝土劈裂抗拉强度的增强效果十分明显.

图7 劈裂拉伸强度Fig.7 Splitting tensile strength

图8 普通混凝土劈裂拉伸强度Fig.8 Plain concrete splitting tensile strength

3 结论

通过对玄武岩再生混凝土劈裂拉伸实验，立方体抗压实验的研究，得出以下结论：

1)玄武岩纤维会降低再生混凝土的流动性，增大水泥基体间的摩擦力，对再生混凝土立方体抗压强度和劈裂拉伸强度具有一定的增强、增韧效果.

2)在水泥净浆包裹方式下，对于同一纤维掺量下，随着再生粗骨料替代率的增加而呈现较为稳定的上升趋势，并且在0.1%纤维掺量下，上升趋势明显；但对于在0.3%纤维掺量下，呈现先下降后上升再下降的趋势，并且在再生粗骨料替代率40%时，抗压强度达到最大.

3)对于劈裂拉伸强度，在纤维掺量为0.1%时对再生混凝土劈裂拉伸强度的波动是趋于平缓的，并且玄武岩纤维对于较大再生骨料替代率下的混凝土劈裂抗拉强度的增强效果十分明显.

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(责任编辑：王兰英)

Mechanical properties of basalt fiber reinforced recycled aggregate concrete

LI Xiaolu1,JIN Baohong1,YAO Yufeng1,2,GUO Hongwei1
(1.College of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Department of Civil Engineering,China University of Mining and Technology Yinchuan College,Yinchuan 750021,China)

Basalt fiber is a new inorganic fiber material with good ductility,high tensile strength,low density and outstanding economical advantages in building construction.It provides a new idea for the improvement of the mechanical properties of recycled concrete.For C30 strength grade of concrete,the compressive strength and splitting tensile strength of basalt fiber reinforced recycled aggregate concrete (RAC) with fiber dosage of 0.1%,0.2% and 0.3% were tested.Results show that the basalt fiber will reduce the fluidity of recycled concrete,and increase the friction between the cement matrices.Furthermore,it can also enhance the compressive strength and tensile strength of the recycled concrete.In particular,when the dosage of basalt fiber was 0.3% and the replacement ratio of coarse aggregate was 40%,the compressive strength reached the maximum for C30 strength grade of concrete.When the fiber dosage is 0.1%,the growth trend of the tensile strength of recycled concrete is stable.The study can provide guidance and reference for the application of recycled aggregate in concrete engineering practice.

basalt fiber；recycled aggregate concrete；compressive strength；splitting tensile strength

2016-12-07

国家自然科学基金资助项目(11162015);宁夏回族自治区大学生创新实验项目(201610749076)

李晓路(1992—)，男，河北保定人，宁夏大学在读硕士研究生，主要从事混凝土结构理论与应用研究. E-mail：lixiaoludream@sina.cn

金宝宏(1968—)，男，北京人，宁夏大学教授，主要从事混凝土结构理论与应用研究.E-mail:jinbaohong@nxu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.03.001

TU528.572

A

1000-1565(2017)03-0225-06