玻璃纤维再生混凝土力学性能研究和微观结构分析

宗 翔，何骏珍，吴素瑶

(安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

城市在不断更新迭代过程中，建筑垃圾存量日益增多，随意处置建筑垃圾造成的生态危机愈发严重，因此建筑垃圾处理问题亟待解决[1]。习近平主席在“领导人气候峰会”上指出要坚持绿色发展，做到人与自然和谐共生，让良好生态环境成为全球经济社会可持续发展的支撑[2]。用再生骨料替代天然骨料，一方面符合资源再利用观念，另一方面也解决了由天然砂石的大量开采造成的资源匮乏。再生骨料通过大型机械破碎和筛分而来，因此表面多棱角，内部有微裂纹产生，还有部分硬化的水泥砂浆掺杂其中，从而增大了再生骨料的吸水性[3-4]，导致制备而成的再生混凝土利用率大幅度降低。为进一步提升再生混凝土的各项基本力学性能，需对再生骨料进行强化实验，有研究[5]表明，用10%PVA(聚乙烯醇)溶液浸泡再生骨料，通过填补表层大部分细微裂纹来降低骨料的吸水性，从而有效提高其性能。因为再生混凝土较高的孔隙率，导致其立方体抗压性能和劈裂抗拉性能低于天然混凝土，为了弥补以上不足，在混凝土中加入玻璃纤维。玻璃纤维是高弹模纤维，有优异的绝缘性、耐热性和抗腐蚀性能，作为一种性能优异的无机非金属材料，其透明且光滑的丝状纤维在混凝土中分布均匀，良好的粘结性使其构成相对稳定的网格体系，提高了混凝土的整体结构性能，从而有效抑制混凝土中微小裂缝的产生[6]。

姚运等[7]设计5个不同的再生骨料替代率，研究了其对玻璃纤维再生混凝土力学性能的影响。葛辉等[8]研究玻璃纤维掺入量和密度相互改变时，各自对混凝土力学性能的影响。本文考虑在掺入不同长度和不同掺量的玻璃纤维情况下，研究再生骨料和天然骨料按照11制备的再生混凝土劈裂抗拉强度和立方体抗压强度，旨在为增强再生混凝土的各项基本性能和资源再利用提供一定参考。

1 再生骨料强化试验

本试验用到的再生骨料为淮南金科再生资源利用有限公司预处理过的再生混凝土骨料，经大型机械破碎处理后，骨料较为干净，只在表面覆盖有少部分砂浆，经过高压水枪冲洗，去除一部分表面砂浆，太阳下晾晒1 d备用。

PVA，安徽维皖集团有限责任公司生产,见图1。称取PVA-1799(L)500 g，沸水(95 ℃以上)4 500 g，倒入带盖的密闭水泥桶中，用玻璃棒搅拌均匀后，PVA溶液初步制成，设置电热鼓风干燥箱的温度为150 ℃，放入PVA溶液，见图2。3 h后取出，PVA溶液已完全溶解，浓度为10%。

待10%PVA溶液冷却至室温，将其倒入装有再生混凝土骨料的容器，如图3所示，浸泡24 h，每隔6 h搅拌一次，排出气泡，使其浸泡完全。浸泡24 h后，过滤出再生骨料，冲洗骨料表层附着的PVA薄膜，使骨料相互分散开后在(22±5)℃的环境中晾晒至完全干燥，制成PVA改性再生混凝土骨料[9]。

图1 PVA-1799(L) 图2 加热PVA溶液 图3 浸泡再生骨料

2 再生混凝土基本力学性能试验

2.1 试验原材料

(1)水泥：P·O 42.5级，产地为淮南八公山。水泥各项质量指标均满足规范要求，具体见表1。

表1 水泥的主要质量指标

(2)粗骨料：试验制得的10%PVA改性再生混凝土骨料。

(3)细骨料：河砂，细度模数为2～3。

(4)水：实验室自来水。

(5)外加剂：减水率为20%的聚羧酸高效减水剂。

(6)无碱玻璃纤维：上海臣启化工科技有限公司生产，其物理力学性质见表2。

表2 玻璃纤维的物理性质

2.2 试验方案

设计C40强度的再生混凝土，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)计算试验配合比，如表3所示。再生骨料取代率为50%[10]，保持再生混凝土配合比不变，设置纤维的长度和掺量2个变量，长度：3 mm、6 mm、12 mm；掺量：0%、0.1%、0.2%。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2.3 试件制作与养护

立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验均依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定进行，试件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm。

不同搅拌方式及纤维加入方式对改性骨料再生混凝土力学性能有不同影响[11]，试验统一采用干拌法，先投入粗、细骨料搅拌5 min，再加入水泥，搅拌过程中把玻璃纤维边投入边分散，干拌2 min，使玻璃纤维在混凝土中尽可能均匀分布，为避免玻璃纤维出现结团现象，最后把高效减水剂掺入水中溶解后倒入干料中，干湿充分搅拌5 min完成操作。搅拌结束后将再生混凝土装入提前涂油的模具，放在振动台上振捣，直至试件表面出浆后抹平、成型、覆膜，这一系列动作在15 min内完成。放置24 h后编号、脱模，将全部试件置于温度(20±2)℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中，分别养护3 d、7 d、28 d。

2.4 试验过程

2.4.1 立方体抗压强度试验

试件养护28 d后进行立方体抗压强度试验，如图4所示，通过位移控制加载速度，在持续加载过程中，试块表面逐渐出现不规则裂缝，主要沿纵向分布在试块侧面上下边缘，斜向下发展，裂缝发展至一定程度后，表层鼓起的砂浆开始脱落，加载持续使试件破坏，呈上下两个对立的锥状，未掺纤维的再生混凝土破坏形态与其大致相同，但在裂缝产生速度上快于玻璃纤维再生混凝土。0%纤维再生混凝土因为没有纤维的牵拉作用，试块破碎程度较严重；掺入纤维的再生混凝土试块在破坏时，因为玻璃纤维弹性限度内伸长量大、拉伸强度高，使试块裂缝之间产生粘连性，整体强度提升。

(a) 0%纤维再生混凝土 (b) 掺纤维再生混凝土图4 抗压强度试验加载过程

2.4.2 劈裂抗拉强度试验

对养护28 d后的试件进行劈裂抗拉强度试验，如图5所示。0%纤维对照组试件产生裂缝较快，伴随着较大声响，直接劈裂为两半；掺纤维组试件破坏较为缓慢，随着荷载的逐渐增加，起初只在表面慢慢产生微小裂纹，进而慢慢贯穿整个试块，最终开裂。因玻璃纤维弹性系数高，试件塑性特征明显，不易发生瞬时破坏。

(a) 0%纤维再生混凝土 (b) 掺纤维再生混凝土图5 劈裂抗拉强度试验加载过程

2.5 试验结果及分析

2.5.1 立方体抗压强度试验

再生混凝土抗压强度随纤维长度的变化关系如图6、图7所示。由图6可知：当纤维掺量为0.1%时，随纤维长度的增大，玻璃纤维再生混凝土立方体抗压强度呈先增大后减小趋势，相较于0%纤维对照组，各养护龄期的再生混凝土试件抗压强度均有所增强，玻璃纤维长度6 mm时为最优组，养护28 d时达到40.8 MPa，比未掺纤维时增大了33.7%。由图7可知：当纤维掺量为0.2%时，试件抗压强度变化趋势与掺量为0.1%时大体相同，6 mm时仍为最优组，养护28 d后达到40.0 MPa，比0.1%掺量时有所下降，下降了2%，原因为玻璃纤维长宽比大，表面电荷分布不均，搅拌过程中难以实现均匀分散，易发生纤维的絮聚[12]，产生结团现象，从而导致再生混凝土抗压强度下降，12 mm长度时抗压强度下降的原因亦是如此，因纤维越长，其质地越软，吸水性越强，更易产生结团现象。

由图6、图7可知：养护龄期为3 d、7 d、28 d时，试件的抗压强度整体都呈上升趋势。不掺纤维时，按照规范制作的再生混凝土试块，养护3 d抗压强度为22.6 MPa，达到普通混凝土强度设计值的56.5%；养护7 d抗压强度为27.9 MPa，达到普通混凝土强度设计值的69.7%；而28 d时强度为30.5 MPa，低于设计值。其主要原因：一是10%PVA溶液浸泡过后的再生骨料，其表面的部分孔隙被封堵，吸水率下降，强度接近天然骨料[13]；二是聚羧酸高效减水剂与不同品种的水泥和掺合料有较好的相容性，具有早强高强性能，早期强度能提高至50%以上，在低掺该减水剂时再生混凝土强度随掺量增加而逐渐增加。

图6 0.1%纤维掺量抗压强度

图7 0.2%纤维掺量抗压强度

2.5.2 劈裂抗拉强度试验

再生混凝土劈裂抗拉强度随纤维长度的变化关系如图8、图9所示。

图8 0.1%纤维掺量劈裂抗拉强度

图9 0.2%纤维掺量劈裂抗拉强度

由图8可以看出，当纤维掺量为0.1%时，各养护龄期的玻璃纤维再生混凝土，随纤维长度的增大，其劈裂抗拉强度也不断增大，但均低于0%纤维对照组。一方面，纤维的加入使再生混凝土劈裂抗拉强度值有所下降；另一方面，再生粗骨料中含有部分未处理的硬化水泥砂浆，表面也附着少部分水泥砂浆，吸水率大大增加，导致其整体性能较差，影响再生骨料的强度；再者，破碎生产再生骨料时机械操作造成骨料自身的损伤，种种因素使得再生粗骨料的性能不如天然粗骨料[14]。即使再生骨料替代部分天然骨料使混凝土劈裂抗拉强度降低，但在其中加入玻璃纤维后，随着纤维长度和掺量的增加，再生骨料混凝土的强度仍得到了有效提高。由图9可以看出，当纤维掺量为0.2%时，养护3 d、7 d、28 d的试件劈裂抗拉强度均随纤维长度的增加而逐渐增大，纤维长度为12 mm时达到最优，且均高于0%纤维对照组，不同龄期分别增大了11.1%～15.0%，这说明再生混凝土中掺入玻璃纤维能显著改善其劈裂抗拉强度。玻璃纤维在试块中呈随机分散状态分布，与其他材料之间产生机械咬合力，起到承受拉力的作用，约束裂缝的继续发展。而未掺纤维的混凝土，将直接产生裂缝[15]。

由图8、图9可知：纤维掺量不变时，劈裂抗拉强度随纤维长度增大而增大；纤维长度不变时，劈裂抗拉强度随纤维掺量增加而增大。纤维掺量0.2%、长度12 mm时得到最优组，劈裂抗拉强度为4.0 MPa。玻璃纤维再生混凝土试块受到拉力后薄弱处产生裂缝，这时其破坏面上的玻璃纤维开始承受拉力，从而使试块的抗拉强度和韧性得到提升，在纤维即将断裂时达到峰值应力[15]。

3 试验结果分析

通过SEM(扫描电镜)分析，如图10所示。

图10 不同倍数下再生骨料表面胶状物形态

由图10可知：经PVA溶液浸泡过后的改性再生骨料表面附着一层PVA凝胶，在图中用白色圆圈标出。这使得再生骨料的细微裂缝被凝胶包裹形成封闭状态，从而提高了再生骨料的整体强度；另外粗骨料表面附着的胶状物存在黏性使胶凝材料和细骨料紧密结合，再生混凝土整体强度得到极大改善。

玻璃纤维在试件中的微观形态如图11所示，图中白色箭头所指为裂缝，分布在试件各处，并且裂缝只在无纤维处发展；黄色圆圈标识为玻璃纤维，玻璃纤维呈束状分散在试件中，此时纤维与再生混凝土内部胶凝材料粘结较好，被其紧紧包裹住，起到连接作用，有效抑制荷载作用下试件产生裂缝及裂缝的发展，最终达到改善再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的目的。

图11 玻璃纤维在试件中的微观形态

4 结论

(1)再生骨料在10% PVA溶液的浸泡下强度得到提高，从而使再生混凝土的各项基本力学性能也相应得到提高。

(2)掺入不同掺量和不同长度的玻璃纤维，再生混凝土抗压强度均有所提高，不同掺量下纤维长度为6 mm时均为最优组。

(3)纤维掺量为0.1%时，再生混凝土劈裂抗拉强度随纤维长度的增加呈上升趋势，但均低于0%纤维对照组，0.1%纤维的加入使再生混凝土劈裂抗拉强度值下降；纤维掺量为0.2%时，再生混凝土的劈裂抗拉强度均随纤维长度的增加而逐渐增大，且均高于0%纤维对照组，0.2%纤维的加入能显著提高再生混凝土的劈裂抗拉强度。

(4)电镜扫描下，PVA凝胶紧密附着在再生骨料表面，骨料与胶凝材料之间粘结较好，整体强度提高；玻璃纤维呈束状均匀分散在再生混凝土中，发挥了良好的连接作用。