玄武岩纤维对再生混凝土早期抗开裂性能的影响

刘逸，刘元珍，郭耀东

(太原理工大学 土木工程学院， 山西 太原 030024)

0 引言

长期以来，作为建筑工程的主要建筑材料，混凝土材料的大规模使用在产生大量混凝土废弃物的同时，也使砂石材料短缺问题日益突出，对资源、能源和环境等方面产生巨大压力。近年来，我国建筑垃圾年产量约为35亿t[1]，建筑固废物资源化和建筑垃圾处理已成为亟待解决的问题。

再生混凝土是将再生骨料按一定比例代替天然骨料而制备的一种绿色建筑材料，可以有效解决建筑垃圾再利用率低和资源枯竭等问题。然而，我国建筑垃圾的再生利用率仍不足10%，再生混凝土的应用还处于初步发展阶段。再生混凝土由于再生骨料的自身缺陷和内部多重界面过渡区的复杂性[2]，使其变形能力、力学性能、耐久性能和抗渗透能力均较普通混凝土差[3- 6]，因此在技术层面上，其结构安全耐久性问题仍然是制约再生混凝土推广应用的技术瓶颈。裂缝问题是影响混凝土安全耐久性最直接的原因[7]，混凝土的开裂尤其是早期开裂，在实际工程中已日趋严重[8]。早期裂缝的形成，会加剧侵蚀介质的渗入，引起保护层脱落及钢筋锈蚀，降低结构的承载能力和使用寿命，引起人们的广泛关注。但普通混凝土存在抗拉强度低、抗裂性能差的天然缺陷，再生混凝土则使该性能缺陷更加突出，肖建庄等[9]研究表明再生粗骨料会降低混凝土的早期抗开裂性能，因而不利于再生混凝土的推广。

纤维对混凝土具有增韧、增强、阻裂作用[10]，成为改善再生混凝土性能的重要手段。其中，玄武岩纤维(basalt fiber，BF)作为四大高性能纤维之一，具有抗拉强度高、抗裂性能好、耐腐蚀和耐高温等特性，对抑制普通混凝土早期开裂有积极效应。研究表明合理的玄武岩纤维掺量，可减小混凝土早期开裂的最大宽度[11]，并有效降低早龄期的总开裂面积[12]，从而增强混凝土的早期抗裂性能。

将玄武岩纤维用于再生混凝土的研究主要是针对基本力学性能和耐久性能开展的，纤维对强度的影响结果尚存在较大差异[13-14]，而关于玄武岩纤维再生混凝土(basalt fiber recycled aggregate concrete, BFRAC)的早期抗开裂性能研究还鲜有涉及。本文通过刀口约束诱导法，旨在探究玄武岩纤维对再生混凝土的早期抗开裂性能的影响，为其改良再生混凝土早期抗裂性能提供借鉴，促进再生混凝土的耐久性设计和推广应用。

1 试验设计

1.1 试验材料

本研究中混凝土所用胶凝材料为P·O42.5级水泥和硅灰，两者成分和基本性质见表1。试件中包含的骨料有天然粗骨料、再生粗骨料和细骨料，骨料的物理指标见表2。粗骨料均为连续级配，再生粗骨料经检测属于Ⅱ类；细骨料为2区天然河砂，细度模数为2.4。外加剂选用高效聚羧酸减水剂，减水率约为35%。拌和水为自来水。

表1 胶凝材料性质与成分

表2 骨料的物理性能

玄武岩纤维是一种硅酸盐类的纯天然无机纤维。本文选用山西晋投玄武岩开发有限公司生产的短切玄武岩纤维，长度统一选用18 mm，整体呈金褐色，如图1所示，其物理性能见表3。

图1 玄武岩纤维

表3 玄武岩纤维的物理性能

1.2 配合比设计

为了保证混凝土的力学性能和施工性能，再生混凝土中的再生粗骨料取代率均为50%(等体积取代)，试件制备前对再生粗骨料预润湿处理，使其为饱和面干状态。玄武岩纤维在再生混凝土中的体积掺量分别取0、0.1%、0.2%和0.3%。试件根据配合比不同命名，NC表示普通混凝土，RAC表示再生混凝土，BFRAC表示玄武岩纤维再生混凝土，其后数字表示纤维掺量的体积分数。试件的混凝土配合比见表4。

表4 混凝土配合比

1.3 试验方法

早期开裂试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[15]进行，采用刀口约束诱导法来评定混凝土的早期抗开裂性能，早期开裂试验如图2所示。使用钢直尺和100倍带光源读数显微镜对裂缝数据进行统计，显微镜精度为0.02 mm，并观测裂缝的发展情况，每组试件为2个，尺寸为800 mm×600 mm×100 mm。立方体抗压强度试验根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[16]进行，每组试件为3个，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

图2 早期开裂试验

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

各组混凝土试件标准养护28 d后的混凝土试件抗压强度见表5，RAC的抗压强度较NC降低了4.5%，说明再生粗骨料会降低混凝土的抗压强度，这与大多数研究结果一致。主要原因是旧水泥砂浆存在较多的孔隙和裂缝，使再生粗骨料与新旧水泥砂浆间的粘结性能较差，RAC内部的新旧界面过渡区成为薄弱部分，在承受轴向压力时，更容易劣化，从而降低了混凝土的强度。图3所示为混凝土试件受压破坏瞬时的表观形貌，由图3可看出RAC试件的破坏特征最为严重，呈明显哑铃形状，表面的剥落也最为严重，体现了其较差的粘结性。

表5 混凝土试件抗压强度

由表5知，掺入玄武岩纤维后，BFRAC的抗压强度随纤维掺量增加，并非呈现线性增加。纤维掺量为0.1%和0.2%时，BFRAC抗压强度较RAC分别提高了7.6%和13.5%，且均高于NC，但纤维掺量为0.3%时，BFRAC抗压强度较RAC降低了3.4%，较NC降低了7.7%。

纤维对抗压强度的影响呈先上升后下降的变化趋势，这与DONG等[17]和潘慧敏[18]研究结果相符。这表明纤维在混凝土内部形成乱向分布的三维网架体系，可使骨料间发挥复合材料的增强作用，改善再生混凝土中的结构，从而提高强度和延性。混凝土试件破坏模式如图3所示，由图3可知，掺入适量玄武岩纤维后，试件破坏情况发生改观，BFRAC-0.2的裂缝最少，且保持着较高的完整性，与其较高的抗压强度相一致。但较多的纤维容易在搅拌过程中出现抱团现象，不利于其在基体中的结合，同时可能因其吸水性导致水化反应不完全，使混凝土内部的缺陷增多，降低了密实度[18]。BFRAC-0.3破坏时裂缝宽度较大，说明较多的纤维破坏了混凝土内部的最佳结构。

(a) NC

2.2 早期抗开裂性能

每组试件7条刀口诱导器(1～7)上的裂缝观测数据见表6。

表6 裂缝观测数据

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，通过初始开裂时间、最大裂缝宽度和单位面积上的总开裂面积等指标来评定混凝土的早期抗开裂性能，各指标取每组试件统计结果的平均值。其中，单位面积上的总开裂面积c通过公式(1)计算：

(1)

式中，Wi为第i条裂缝最大宽度，mm；Li为第i条裂缝长度，mm；同一诱导器上出现多条裂缝时，叠加为一条计算；N为试件裂缝数目；A为试件表面积，A=0.48 m2。

表7为NC与RAC试件早期开裂指标。对比发现，两者单位面积的总开裂面积相差很小，但RAC的最大裂缝宽度达到0.87 mm，较NC增加了14.5%，且RAC在成型后较短时间内即产生裂缝。以每条诱导器上的裂缝面积作为统计样本，得出NC和RAC的裂缝变异系数分别为0.65和0.93，说明RAC表面裂缝发展的离散性更大，易出现较大宽度的裂缝，因而RAC较NC的早期抗开裂性能差。

表7 NC和RAC试件早期开裂指标

研究表明再生粗骨料与水的接触角较小，水分的扩散速率较大，增大了混凝土的收缩变形[19]，同时再生粗骨料在破碎过程中不可避免会产生微裂缝和初始损伤，使界面过渡区较为薄弱，在混凝土内部受到较大收缩拉应力时，更易诱导裂缝的拓展[9]，从而降低了混凝土的抗裂性能。

RAC和BFRAC试件早期开裂结果如图4所示，由图4可以看出裂缝基本上沿诱导器的方向开裂。随着纤维掺量的增加，裂缝的数目明显减少，BFRAC-0.3表面仅出现了一条细微短裂缝，抗裂效果显著。

(a) RAC

玄武岩纤维掺量对RAC早期抗开裂性能的影响如图5所示，由图5(a)知，掺入纤维后，BFRAC试件的初始开裂时间推迟，BFRAC-0.3在5 h后才开裂，是RAC的1.67倍，是NC的2.63倍。由图5(b)知，BFRAC试件的最大裂缝宽度逐渐减小，BFRAC-0.3的最大裂缝宽度降低到0.13 mm，较RAC降低了85.1%，阻裂效果明显。图5(c)为各试件单位面积上总开裂面积的变化规律，随着纤维掺量的增加，BFRAC试件的总开裂面积显著下降，BFRAC-0.3单位面积上的总开裂面积仅为10.3 mm2/m2，是RAC的0.9%。图5(d)所示裂缝降低系数为各试件对NC总开裂面积的降低率，BFRAC试件中纤维掺量为0、0.1%、0.2%和0.3%时，裂缝降低系数分别为1.9%、60.1%、66.8%和99.1%。因此玄武岩纤维可以很好地改善再生混凝土早期抗裂性能。

(a) 初始开裂时间

混凝土试件的抗裂等级划分见表8。根据《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193—2009)[20]，以单位面积上的总开裂面积为划分依据。BFRAC试件的抗裂等级逐渐提高，BFRAC-0.3达到最高的L-V级。

表8 混凝土试件的抗裂等级划分

2.3 纤维阻裂机理

在100倍显微镜下观测到的裂缝和玄武岩纤维如图6所示。由图6(a)和图6(c)可知，BFRAC的裂缝宽度较RAC则明显减小。这是因为裂缝中的纤维呈现单丝状态，且纤维表面附着有水泥浆体，表明其在混凝土中具有较好的分散性与相容性，玄武岩纤维在混凝土中形成的三维网架体系，可减小混凝土的泌水，缓解骨料的不均匀沉降，提高混凝土的均质性[21]，使早期塑性收缩减小，因而抑制了RAC早龄期的开裂。同时由图6(b)和图6(c)可知，裂缝中的纤维主要以两种形式存在，大部分为“两端锚固的拉直状态”，小部分为“一端锚固，一端被拔出的状态”，并未发现纤维被拉断的情况，表明玄武岩纤维对裂缝具有较强的桥接作用，其较高的抗拉强度可有效抵抗混凝土中的部分拉应力，吸收混凝土因收缩应力产生的能量。由图6(d)可知，纤维可改变裂缝发展的方向，降低裂缝尖端的应力集中，进而阻挡了裂缝的连通与拓展。因此，纤维可抑制再生混凝土内部薄弱部位初始裂缝的形成与发展，有效提高了再生混凝土的早期抗开裂性能。

(a) RAC裂缝最大宽度区

3 结论

① 玄武岩纤维具有一定的增强作用，适量的玄武岩纤维提高了再生混凝土的抗压强度，但超出一定掺量则出现下降趋势。在0.1%～0.3%的掺量范围内，玄武岩纤维的最优掺量为0.2%，对再生混凝土强度的增幅为13.5%。

② 玄武岩纤维具有较好的阻裂作用。随着纤维掺量的增加，再生混凝土的各项早期开裂评价指标逐渐优化，最大裂缝宽度和总开裂面积大幅减小，初始开裂时间延迟，且优于普通混凝土。玄武岩纤维掺量为0.3%时，最大裂缝宽度和单位面积上的总开裂面积分别下降了85.1%和99.1%，抗裂等级达到L-V级，阻裂效果最为显著。

③ 再生粗骨料加剧了混凝土的早期开裂，而玄武岩纤维与混凝土的粘结性能较强，其在再生混凝土中均匀分散、相互搭接形成的网架体系，抑制了再生混凝土内部薄弱部位初始裂缝的拓展及新裂缝的诱发，有效地提高了再生混凝土的早期抗开裂性能。