玄武岩纤维再生混凝土研究进展

2021-08-07王诗文刘华新郑太元

山西建筑 2021年16期

王诗文刘华新郑太元

(辽宁工业大学土木工程学院，辽宁锦州 121000)

0 引言

21世纪以来,随着我国社会经济的快速进步和发展,城市房屋的更新以及对市政工程的动迁等工作,使得大量的建筑物被拆除,由此给人们带来了很多的建筑垃圾。在目前的我国,建筑垃圾的排放量已经达到了全世界建筑垃圾排放量的30%～40%[1],这些类型的建筑垃圾中尤其以排放废弃的混凝土为主。目前，在中国，每年拆除新旧建筑产生的垃圾超过8 000万t，其中废弃混凝土的比例约占1/3[2]，大部分将被埋在地下，造成严重的环境污染。再生混凝土的研发可以解决建筑垃圾问题，符合绿色发展和可持续发展的理念，对建设资源节约型和环境友好型社会起到很大的帮助作用。

但再生混凝土自身存在孔隙率和吸水率高、表观密度和堆积密度小、空隙率大、压碎指标高[3]等缺陷，并且再生混凝土有很多棱角和粗糙的表面。再生混凝土在破碎过程中容易开裂，强度低于普通混凝土[4-6]。再生混凝土自身性能不足的原因，使得其在工程应用中得到了限制。玄武岩纤维作为“四大科技纤维”之一，它具有力学强度高、耐腐蚀性好、价格低廉、原料易得、低导热性以及较好的介电性能等多重优良性能[7]，能够起到增强、增韧、阻裂的效果。

在查阅国内外文献后，本文从力学性能方面来简要总结玄武岩纤维再生混凝土国内外的研究进展，并浅谈了今后的若干发展，从而促进了玄武岩纤维再生混凝土在工程中的应用和发展。

1 玄武岩纤维再生混凝土力学性能研究现状

1.1 玄武岩纤维再生混凝土基本力学性能

高银等[8]研究了玄武岩纤维体积掺量对替代率为50%的混凝土劈裂抗拉与抗压试验，研究发现：玄武岩纤维的掺入可以提高再生混凝土的抗压强度，并且对于劈裂抗拉的强度提高更是明显。

李家齐[9]通过研究发现, 利用玄武岩纤维增强和FRP约束对再生混凝土的力学性能具有明显的优化作用，替代率为50%的混凝土柱承载力最强，刚度较高，塑性变形时显著高于替代率为0和100%的混凝土柱。

全晓旖[10]通过分析9 mm，14 mm，18 mm长度，掺量为1%，1.5%，2%的玄武岩纤维对再生混凝土抗压强度的影响，其试验结果显示随着纤维长度的增加以及掺量的增多，抗压强度也得到增强。

李坤[11]研究发现，单掺玄武岩纤维会降低再生混凝土的抗压强度，但会提高劈裂抗拉强度，随着玄武岩纤维的掺入，再生混凝土的立方体抗压强度下降的范围在0.12%～5.9%，劈裂抗拉强度在掺量为0.3%时达到最佳。

田凯[12]研究发现，随着玄武岩纤维的掺入，再生混凝土的抗压强度会相应提高，而对于劈裂抗拉强度提高比较明显，最大提高48.8%。

董腾等[13]对不同玄武岩纤维掺量的再生混凝土进行了抗压、抗折、轴压以及劈拉试验，并对其抗折试验进行了数值模拟，了解到掺入玄武岩纤维可以有效减缓再生混凝土试件裂缝的发生。相较未掺纤维的再生混凝土，纤维掺量为0.3%的时候对再生混凝土抗压强度和劈拉强度分别提升了13.44%,6.32%，纤维掺量为0.6%的时候对再生混凝土抗折强度和轴压强度最为明显，分别提升了10.35%,10.9%。

以上研究表明，随着再生骨料置换率的增加，再生混凝土的抗压强度等力学性能逐渐降低。其中适量的纤维对替代率为50%的再生混凝土的劈裂抗拉强度提高更为明显。玄武岩纤维既能桥接混凝土裂缝，又能减少再生混凝土的裂缝。目前,有关再生混凝土的抗压强度和抗拉强度,大多数国内学者认为, 在50%替代率下的再生混凝土玄武岩纤维增强效果是最明显的,而与其他替代率对再生混凝土的研究太少,应加强这方面。

随着再生混凝土置换率的增加，再生混凝土的抗折强度逐渐降低。随着玄武岩纤维掺量的增加，再生混凝土抗折先增后减，说明适量的玄武岩纤维会在混凝土内部起到三维乱向作用，形成网络格构，这一网络格构阻碍作用越强，就会更好地阻碍混凝土内部产生裂缝，起到增强增韧的效果。但过量的玄武岩纤维会在内部成团，对于混凝土力学性能产生不利的作用，使抗折强度降低。

1.2 高温下玄武岩纤维再生混凝土力学性能

王永贵等[14]利用玄武岩纤维和纳米氧化硅提高了再生混凝土的高温性能，结果显示：随纤维掺量增多，裂缝数量及宽度减少；随温度升高，抗压强度降低的越明显。

国内对于高温下玄武岩再生混凝土力学性能的研究很少，研究仍处于初级阶段，应加强该领域的研究，为玄武岩纤维再生混凝土在高温工程中的应用研究提供理论依据。

2 玄武岩纤维再生混凝土耐久性能研究

姬枫[15]通过不同掺量的玄武岩纤维的掺入研究对再生混凝土力学性能以及耐久性的影响，结果显示，3%掺量的玄武岩纤维对再生混凝土的后期抗压强度有显著提升，对后期抗折强度明显提升了24.3%。相较未掺纤维的再生混凝土，3%掺量的玄武岩纤维再生混凝土通电量减少了58%，说明对抗氯离子性能提升最为明显。

童瑶[16]研究了不同长度和掺量玄武岩纤维对再生混凝土基本力学性能和疲劳性能的影响，得出结论：纤维长度为12 mm，掺量为0.2%时，抗压强度提高率最大为10.95%，掺入玄武岩纤维对再生混凝土有一定的增韧效果，显著提高了混凝土的脆性。在玄武岩纤维长度为12 mm，掺量为0.1%～0.3%时，再生混凝土的耐疲劳性能提高的程度各不相同。

陈爱玖等[17]通过对玄武岩纤维橡胶再生混凝土抗冻性的研究，发现再生混凝土的抗冻性低于普通混凝土，这与任磊的研究有所不同，其原因可能是掺入了橡胶。在掺入玄武岩纤维后，提高了再生混凝土的抗冻性。混凝土相对动弹性模量的下降幅度趋于平稳。在经历150次冻融循环之后，当纤维掺量为2 kg/m3，4 kg/m3时，相对动弹模量分别为81.3%，82.1%，相对不掺玄武岩纤维再生混凝土的相对动弹性模量有所提高。

卫志盛等[18]发现硫酸盐侵蚀在很大程度上破坏了再生混凝土，玄武岩纤维的加入提高了再生混凝土的强度，纤维本身起到的增强效果要大于硫酸盐对于再生混凝土的破坏效果。

总之，冻融循环会降低混凝土的力学性能，玄武岩纤维的加入会提高再生混凝土的抗冻性，提高再生混凝土的抗压强度和弹性模量，增强其延性。玄武岩纤维的加入和冻融循环次数的增加会降低纤维再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

3 混杂纤维再生混凝土力学性能研究进展

混杂纤维就是综合考虑各种纤维的优点，又能体现它们的协同效应，达到改善混凝土力学性能的效果[19]。通过对混杂纤维再生混凝土高温力学性能试验的研究，孔祥清等[20]发现高温后聚丙烯—玄武岩纤维混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随着温度的升高先增大后减小，在200 ℃时抗压强度和劈裂抗拉强度略有升高。高温后混杂纤维再生混凝土的质量损失率高于素混凝土的质量损失率，且除200 ℃外随着玄武岩纤维掺量的增加，质量损失率在逐渐增大。陈爱玖[21]经试验结果发现掺量为50%和100%的再生骨料相比普通钢纤维混凝土的抗压强度降低了11%和17%。

Chandra等[22]通过掺入聚丙烯纤维研究对再生骨料混凝土的性能影响，试验结果表明，纤维含量的增加使天然骨料和再生骨料的抗压强度均增加0.5%，但进一步增加纤维掺量，其抗压强度降低。由结果得纤维最佳掺量为0.5%，纤维掺量对抗压强度影响较小，但对其劈拉弯曲强度等作用影响较多。

Jianhe Xie等[23]在高温条件下利用硅灰和钢纤维的混掺研究对再生混凝土力学性能的影响，由于再生骨料具有吸水率高的特点，所以在经过高温之后，混凝土出现裂缝，显现出的钢纤维可以有效的提高混凝土的抗压强度和韧性；由于硅灰与钢纤维之间的良好耦合，所以在掺入硅灰之后也可以有效的提高混凝土的密实性能。试验结果显示在温度低于400 ℃时，能够使混凝土性能达到最佳的硅灰掺量是8%；当温度高于400 ℃时，硅灰的最佳掺量是4%。

对于混杂纤维再生混凝土的研究，国内还处于初级阶段，混杂纤维的研究是建筑科技的发展方向之一[24]，所以对于混杂纤维再生混凝土的研究很有意义。

4 主要问题和展望

目前，在关于玄武岩纤维再生混凝土的研究中，国内学者认为取代率为50%的再生混凝土强度较高，但对其他取代率下的玄武岩纤维再生混凝土研究较少，在这方面的研究还应加强。

混杂纤维可以发挥1+1>2的效果，能够更好地弥补单一纤维性能的不足，国内学者对于玄武岩纤维和其他纤维混杂后增强再生混凝土的研究还处于初级阶段。

国内对于玄武岩纤维再生混凝土的耐久性能研究也很少，对于抗冻性能，抗硫酸盐腐蚀的相关研究还处于初级阶段，在抗碳化性能、抗氯离子渗透性能、抗渗性能等方面的研究还未涉及。

高性能混凝土有着很好地耐久性能以及力学性能，随着“节能减排”“环保”理念的日渐深入，近些年来，绿色高性能混凝土的研究不断出现，其重要性也不断显现。我国现代化混凝土的研究和应用起步并不晚，在优化和完善绿色高性能再生混凝土方面，充分展现其多样化优势的同时，也发现其开裂、脆性等相关问题。玄武岩纤维是一种具有增强增韧阻裂能力的绿色纤维，将玄武岩纤维和高性能再生混凝土组合成一种复合材料，不仅能实现节能环保理念，还能解决高性能再生混凝土的开裂等相关问题，玄武岩纤维高性能混凝土是一种新型复合材料，这也是现代化混凝土在复合材料领域的发展趋势。