玄武巖纖維再生混凝土及其軸壓短柱力學(xué)性能分析

侯 敏，董江峰，袁書成，王清遠(yuǎn)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

近年來，房屋拆遷以及地震等自然災(zāi)害造成了大量的建筑垃圾，不僅使環(huán)境惡化，還給能源的消耗增添了不少難題，如何高效利用建筑廢棄料是解決環(huán)境問題的有效途徑［1］.將建筑廢棄物篩選、分類、破壞和篩分后作為再生粗骨料代替天然骨料用于生產(chǎn)新的混凝土，即再生混凝土，不僅解決了建筑垃圾的處理問題，還保護(hù)了天然骨料的過度消耗，符合我國綠色低碳經(jīng)濟(jì)的要求，具有重要的研究和應(yīng)用價值［2－3］.大量研究結(jié)果表明，再生混凝土相對普通混凝土的各項力學(xué)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廣的一大難題［4－6］.

纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機(jī)纖維或有機(jī)纖維為增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料.它是將短而細(xì)的，具有高抗拉強(qiáng)度、極限延伸率和抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料.纖維混凝土以其優(yōu)良的抗拉、抗彎強(qiáng)度、阻裂和限縮能力、耐沖擊性能及優(yōu)良的抗?jié)B、抗凍特性而成功應(yīng)用于軍事、水利、建筑、機(jī)場、公路等工程領(lǐng)域［7］.

玄武巖纖維由天然的玄武巖礦石高溫拉絲制成，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和耐酸堿性能，是一種新型的無機(jī)生態(tài)綠色復(fù)合材料，在纖維混凝土中得到廣泛應(yīng)用［8－10］.因此，筆者在研究再生粗骨料性能的基礎(chǔ)上，研究了玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土的基本物理和力學(xué)性能，分析了不同再生骨料取代率對其軸壓短柱力學(xué)性能的影響，為再生混凝土和纖維混凝土的研究和工程應(yīng)用提供一定的參考.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗用混凝土包括再生混凝土和玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土.分別澆筑了0%，50%，100%取代率(r)下的再生混凝土和玄武巖纖維再生混凝土.試驗用天然骨料(Nature Aggregate，NA)和再生骨料(Recycled Aggregate，RA)的粒徑為2.36!19.00 mm，滿足再生混凝土粗骨料級配要求，骨料級配曲線如圖1所示.骨料的基本物理和力學(xué)性能見表1.試驗用水泥為峨眉牌普通硅酸鹽水泥(P42.5).試驗用砂為天然粗砂.試驗用纖維為成都點石玄武巖纖維技術(shù)有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，纖維直徑13 μm，密度2 600 kg/m3，抗拉強(qiáng)度 2 GPa，彈性模量 93 GPa，延伸率3%，纖維摻量4 kg/m3.

表1 骨料的基本物理和力學(xué)性能

圖1 試驗用骨料的級配曲線

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)和玄武巖纖維再生混凝土(Basalt Fibre Aggregate Concrete，BFAC)的基本力學(xué)參數(shù)見表2.其中:fcu為立方體抗壓強(qiáng)度;fc為軸心抗拉強(qiáng)度;E為彈性模量;u為泊松比.

表2 混凝土基本力學(xué)性能

1.2 試件設(shè)計

試驗主要研究玄武巖纖維增強(qiáng)不同再生骨料替代率下的再生混凝土的性能，主要研究參數(shù)包括:再生骨料取代率(0%，50%，100%);混凝土短柱截面形式(圓形和方形)，圓柱直徑114 mm，方柱邊長100 mm，高400 mm.

1.3 試件加載

試件加載在四川大學(xué)破壞力學(xué)與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點實驗室500T液壓試驗機(jī)上進(jìn)行.共分為兩種加載方案:靜態(tài)加載和循環(huán)加載.為了觀察和分析試件的變形，在混凝土柱的中部對稱粘貼2個豎向應(yīng)變片和2個環(huán)向應(yīng)變片.采用分級加載的方式加載，加載速度為0.5 kN/s，每級加載5 kN，保持3 min，待儀器數(shù)值穩(wěn)定后，記錄試驗數(shù)據(jù)，主要包括:豎向變形、環(huán)向應(yīng)變和豎向應(yīng)變.試件具體加載方式如圖2所示.

圖2 試件加載方式和測點布置

2 纖維再生混凝土試驗結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度

對比研究了再生混凝土和玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，分別研究其 3，7，14，21，28，90 d的抗壓強(qiáng)度，并將不同齡期的強(qiáng)度與28 d混凝土的抗壓強(qiáng)度的比值定義為混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)，用Sd表示.試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 混凝土強(qiáng)度隨時間發(fā)展關(guān)系曲線

由圖3(a)可知，前期再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較慢，在7 d到28 d齡期之間，50%和100%取代率下的再生混凝土強(qiáng)度發(fā)展高于0%取代率下的混凝土，這主要由于再生粗骨料在拌合過程中吸附較多的拌合水促進(jìn)其后期強(qiáng)度的發(fā)展［1］.將圖3(a)與圖3(b)進(jìn)行比較，相對普通混凝土，纖維再生混凝土可顯著提高28 d齡期之前100%再生骨料取代率下的強(qiáng)度系數(shù)，同時也顯著提高了纖維普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，這與普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展區(qū)別較大.可見玄武巖纖維可顯著提高0%和100%再生骨料取代率的混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù).

2.2 抗拉強(qiáng)度

試驗測得混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值見表3.

表3 試驗用混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

由表3可知，隨著取代率的增加，RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低.肖建莊［2］研究再生混凝土取代率(r)，立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)和抗拉強(qiáng)度(ft)之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)有

BFAC的抗拉強(qiáng)度明顯低于相應(yīng)的RAC的抗拉強(qiáng)度，特別對于0%取代率下的BFAC的抗拉強(qiáng)度比相應(yīng)的RAC的強(qiáng)度低約55.6%.當(dāng)再生骨料取代率為100%時，纖維再生混凝土的抗拉強(qiáng)度與再生混凝土強(qiáng)度相當(dāng)，可見4 kg/m3的纖維摻量下，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度有所降低.這主要與再生混凝土和玄武巖纖維的吸水率都較大有關(guān)，影響了再生混凝土的實際水灰比，從而降低了纖維再生混凝土的抗拉強(qiáng)度.

2.3 彈性模量和泊松比

由表2可知，隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土和纖維再生混凝土的彈性模量均降低.雖然玄武巖纖維可有效提高再生混凝土的彈性模量，但是100%再生骨料取代率下的纖維再生混凝土彈性模量比0%取代率下的纖維再生混凝土降低25%，可見玄武巖纖維對于再生混凝土的彈性模量影響較大.再生混凝土的彈性模量E、立方體抗壓強(qiáng)度fcu和再生骨料取代率r之間的關(guān)系為

對于4 kg/m3玄武巖纖維摻量的纖維再生混凝土，其彈性模量約為再生混凝土彈性模量的1.1倍.

3 纖維再生混凝土短柱試驗結(jié)果

3.1 破壞模式

試驗圓柱靜態(tài)破壞和循環(huán)加載破壞模式如圖4所示.由圖4可知，對于靜態(tài)加載的再生混凝土和纖維再生混凝土短柱，裂縫首先在底部萌生，隨著加載的進(jìn)行，底部混凝土被壓碎而破壞;對于循環(huán)加載短柱，底部混凝土首先出現(xiàn)裂縫，豎向延伸后，在底部不斷萌生新的混凝土裂縫，最后底部混凝土壓碎破壞，去除上部混凝土發(fā)現(xiàn)，纖維再生混凝土的上、下部分完全脫離，核心混凝土壓碎破壞.

圖4 靜載破壞和循環(huán)加載破壞模式

3.2 承載力分析

再生混凝土和玄武巖纖維再生混凝土短柱的承載力試驗結(jié)果見表4，其中編號C指圓柱，CB指纖維增強(qiáng)圓柱，SB指纖維增強(qiáng)方柱.

表4 混凝土短柱加載試驗結(jié)果

由表4可知，對于再生混凝土圓柱，C100的承載力最大，其承載力比C0高9%，這主要與再生混凝土后期水化反應(yīng)較強(qiáng)有關(guān);比C50的承載力提高32%左右，這是由于50%再生骨料取代率的再生混凝土中的新舊砂漿結(jié)合面較多，而其界面過渡區(qū)內(nèi)混凝土性能較低所致，可見再生骨料取代率對其承載力具有一定的影響.

對于纖維再生混凝土，從表4可以看出，承載力得到顯著提高，可見玄武巖纖維可顯著提高再生混凝土的極限承載力，這主要與玄武巖纖維可有效提高再生粗骨料與細(xì)骨料間的黏結(jié)性能有關(guān).由于再生粗骨料的天然缺陷，內(nèi)部裂縫和孔洞較大，影響其承載力，隨著玄武巖纖維的加入，通過砂漿－纖維－孔洞(或裂縫)間的內(nèi)部增強(qiáng)機(jī)制，從而顯著提高纖維再生混凝土的極限承載力.

3.3 載荷－位移曲線

試驗靜態(tài)加載和循環(huán)加載短柱的載荷與豎向位移關(guān)系曲線如圖5所示.

圖5 靜態(tài)加載和循環(huán)加載短柱的載荷－位移曲線

由圖5可知，100%取代率的普通再生混凝土試件的初始剛度最大，但纖維再生混凝土的屈服強(qiáng)度和極限承載力比再生混凝土高.

3.4 載荷－應(yīng)變曲線

試驗靜態(tài)加載短柱的載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示，圖7為動態(tài)加載纖維再生混凝土短柱的典型應(yīng)變關(guān)系曲線.

由圖6可知，加載初期再生混凝土和纖維再生混凝土的中部應(yīng)變基本相同，混凝土短柱的豎向變形比環(huán)向變形大.對于纖維再生混凝土，由于纖維的內(nèi)部增強(qiáng)作用，其初始變形較小.

由圖7可知，同普通混凝土相似，再生混凝土在彈性階段的應(yīng)變也具有可恢復(fù)性，在循環(huán)加載過程中橫向應(yīng)變隨著加載－卸載的進(jìn)行，其局部變形和整體變形一致(與圖5對照)，可見縱向變形的增大導(dǎo)致橫向應(yīng)變增大.再生混凝土縱向應(yīng)變曲線存在比位移曲線更大的滯回環(huán)，這主要與混凝土的開裂有關(guān).玄武巖纖維再生混凝土由于玄武巖纖維的內(nèi)部增強(qiáng)作用，其抗裂性能得到提高，其應(yīng)變曲線無明顯滯回環(huán).

4 結(jié)語

試驗研究了再生混凝土和纖維再生混凝土的基本物理和力學(xué)性能，分析了不同再生骨料取代率(0%，50%，100%)對再生混凝土和玄武巖纖維再生混凝土性能的影響，對比研究了混凝土短柱在靜態(tài)加載和循環(huán)加載過程中的力學(xué)響應(yīng).通過一系列試驗與分析，得出以下主要結(jié)論.

1)纖維再生混凝土可顯著提高28 d齡期之前的100%再生骨料取代率的混凝土強(qiáng)度，也可顯著提高纖維普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展系數(shù).

2)對于4 kg/m3纖維摻量下的纖維再生混凝土，其抗拉強(qiáng)度明顯低于再生混凝土，但隨著再生骨料取代率的增加，其抗拉強(qiáng)度逐漸增大.

3)對于4 kg/m3纖維摻量下的纖維再生混凝土短柱，其極限承載力雖然得到有效提高，但在加載初期其初始剛度比再生混凝土短柱低.

4)玄武巖纖維可顯著降低纖維再生混凝土的豎向應(yīng)變發(fā)展，提高混凝土的抗裂性能，在循環(huán)加載過程中，其應(yīng)變響應(yīng)無顯著的滯回環(huán).

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