玄武巖-聚丙烯混雜纖維再生混凝土粘結(jié)性能研究

杜鵬

（焦作大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

隨著土木工程建設(shè)的快速發(fā)展，建筑垃圾大量產(chǎn)出與建筑材料短缺的矛盾日益突出[1]。再生骨料混凝土是將廢棄混凝土進(jìn)行處理替代天然骨料，以解決天然砂石骨料日漸枯竭的難題，有效減少對(duì)天然砂石的開(kāi)采量，減輕建筑垃圾對(duì)自然環(huán)境造成的污染[2]。由于再生混凝土骨料棱角過(guò)多，表面包裹著水泥砂漿，空隙率大、表觀密度低、吸水率高、壓碎指標(biāo)大等，導(dǎo)致再生骨料混凝土耐久性差、強(qiáng)度低，成為制約再生混凝土應(yīng)用的瓶頸[3]。為彌補(bǔ)再生骨料混凝土耐久性、強(qiáng)度低等缺陷，提高再生混凝土骨料的利用率，可將聚丙烯纖維和玄武巖纖維摻入再生混凝土中，制備混雜纖維再生混凝土。混雜纖維均勻地分布于再生混凝土中，可有效提高再生混凝土的抗彎和抗拉性能，增強(qiáng)材料的韌性和耐久性能。孔祥清等[4]研究了鋼-聚丙烯混雜纖維類(lèi)型、摻量、長(zhǎng)徑比對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鋼-聚丙烯混雜纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度較素混凝土提高17.7%，劈拉強(qiáng)度提高57.8%。任磊等[5]研究了高溫環(huán)境下混雜纖維再生混凝土構(gòu)件的力學(xué)行為，分析了混雜纖維再生混凝土的應(yīng)用前景。章文姣等[6]的研究表明，摻入鋼纖維和聚丙烯混雜纖維后，再生混凝土的破壞形式由脆性變成彈性。王社良等[7]的研究表明，摻入混雜纖維可以顯著提高再生混凝土的抗震性能。從國(guó)內(nèi)研究情況看，目前的混雜纖維再生混凝土大多是摻入鋼纖維和聚丙烯混雜纖維，摻入玄武巖和聚丙烯混雜纖維的研究還不多見(jiàn)。本文以玄武巖-聚丙烯混雜纖維再生混凝土作為研究對(duì)象，分析了凍融循環(huán)次數(shù)、玄武巖-聚丙烯混雜纖維摻量對(duì)其粘結(jié)性能的影響，為提高混雜纖維再生混凝土與玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合筋間的粘結(jié)性能提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5級(jí)，山東恒華水泥有限公司；粉煤灰：大唐首陽(yáng)山電廠產(chǎn)的F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰，表觀密度2230 kg/m3；細(xì)骨料：中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.72，表觀密度2.695 g/cm3，洛陽(yáng)砂石廠；再生粗骨料：由40年以上廢棄房屋拆除的燒結(jié)磚或承重墻混凝土小砌塊破碎制成，粒徑5～20 mm，表觀密度2520 kg/m3，吸水率5.07%，含水率2.2%，壓碎指標(biāo)16.5%；聚丙烯纖維：長(zhǎng)18 mm，束狀，斷裂伸長(zhǎng)率15%，抗拉強(qiáng)度300～770MPa，彈性模量3500 MPa，常州利爾德通新材料科技有限公司；玄武巖纖維：長(zhǎng)18 mm，短切連續(xù)，斷裂伸長(zhǎng)率3.2%，抗拉強(qiáng)度3000 MPa，鄭州登電玄武石纖有限公司；水：飲用水；BFRP3-12玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合筋（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合筋）：直徑12 mm，抗拉強(qiáng)度750 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率1.8%，北京喜卡復(fù)合材料科技有限公司；聚羧酸鹽高效減水劑：襄陽(yáng)嘉源建材有限公司，減水率≥23%。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

WAW-4000B型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，珠海三思泰捷電氣設(shè)備有限公司；DHG-9240A型干燥箱，深圳愛(ài)特爾電子科技有限公司；140型強(qiáng)力攪拌機(jī)，濟(jì)寧格森工程機(jī)械有限公司；XT350型混凝土切割機(jī)，濟(jì)寧信通機(jī)械設(shè)備有限公司；KDR-16型混凝土凍融試驗(yàn)儀，北京國(guó)奧路業(yè)精密儀器有限公司；605A-01型電子游標(biāo)卡尺，哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方案

再生混凝土配合比設(shè)計(jì)采用試配法，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，將不同配合比試件養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，最終確定再生混凝土的配合比為：m（水泥）∶m（細(xì)骨料）∶m（粗骨料）∶m（粉煤灰）∶m（減水劑）∶m（水）=186.3∶259∶410∶65.5∶0.2∶79，分別摻入不同體積摻量的聚丙烯、玄武巖纖維。鑒于纖維尺寸較小，制備時(shí)應(yīng)先將纖維與水泥充分拌合，然后加入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康?，共制作?組試件，每組3個(gè)，各組試件中纖維摻量和試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。普通中心拔拉試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，中心預(yù)埋1根BFRP3-12玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合筋，復(fù)合筋在混凝土中的埋藏長(zhǎng)度為60 mm。將制備好的混雜纖維再生混凝土澆注到試模中，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測(cè)試。凍融試驗(yàn)采用“氣凍水融”慢凍法[8]，將制備好的試件在凍融機(jī)內(nèi)-10℃的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d，隨后取出在15℃的水中浸泡5d。為了避免水流入影響復(fù)合筋與混凝土的粘結(jié)性能，在試件表面混凝土與復(fù)合筋接觸處進(jìn)行石蠟填縫。

表1 各組試件中纖維摻量和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載采用WAW-4000B型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為20 N/s，計(jì)數(shù)間隔為2 s。為了防止加載過(guò)程中發(fā)生偏移，試驗(yàn)裝置下部設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

混雜纖維再生混凝土與復(fù)合筋間的拉拔特性曲線分為：微滑移、內(nèi)裂滑移、拔出破壞、殘余應(yīng)力4個(gè)階段。本文設(shè)計(jì)的工況中，除D50和D70為劈裂破壞外，其余工況均為拔出破壞。各工況滑移峰值、粘結(jié)應(yīng)力峰值、首次出現(xiàn)裂縫的滑移、首次出現(xiàn)裂縫的粘結(jié)應(yīng)力試驗(yàn)值見(jiàn)表2。D50試件的滑移峰值和粘結(jié)應(yīng)力峰值最大，分別為4.48 mm和25.01 MPa，因此其出現(xiàn)劈裂破壞。

表2 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.2 纖維摻量對(duì)粘結(jié)性能的影響

不同纖維摻量下試件的粘結(jié)滑移曲線見(jiàn)圖1。

圖1 不同纖維摻量下試件的粘結(jié)滑移曲線

由圖1可見(jiàn)，與不摻纖維的再生混凝土相比，4種混雜纖維再生混凝土在應(yīng)力峰值處的滑移量均有所增大，BP0404試件的峰值滑移量增大最顯著。粘結(jié)滑移曲線下降階段，混雜纖維再生混凝土的延性均優(yōu)于不摻纖維的再生混凝土，試件粘結(jié)應(yīng)力隨著滑移量的增加而緩慢下降。4種混雜纖維再生混凝土的粘結(jié)應(yīng)力峰值均低于不摻纖維的再生混凝土，混雜纖維再生混凝土中，BP0204試件的粘結(jié)應(yīng)力最大，BP0402、BP0202試件次之，BP0404試件最小。聚丙烯纖維具有較好的韌性，可以改善復(fù)合筋與混凝土基體間的咬合性能；玄武巖纖維具有較好的親水性，可以提高混凝土的抗裂收縮能力。將混雜纖維摻入再生混凝土后，由于混雜纖維和BFRP復(fù)合筋間具有較好的咬合效應(yīng)，拉拔過(guò)程需要更多的能量，從而提高了混凝土與BFRP復(fù)合筋間的延性。但是隨著混雜纖維摻量的增加，纖維在混凝土基體中易成團(tuán)，產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)，使混凝土與BFRP復(fù)合筋間的粘結(jié)應(yīng)力減小。

綜上所述，當(dāng)再生混凝土復(fù)摻0.4%聚丙烯纖維和0.2%玄武巖纖維時(shí)，粘結(jié)滑移曲線下降段更加穩(wěn)定，混雜纖維再生混凝土具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度和延性。

2.3 凍融次數(shù)對(duì)粘結(jié)性能的影響

選擇BP0204試件作為對(duì)照組，各試件在不同凍融次數(shù)下的粘結(jié)滑移曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同凍融次數(shù)下試件的粘結(jié)滑移曲線

由圖2可見(jiàn)，4組試件的粘結(jié)滑移曲線上升階段基本重合，隨著凍融次數(shù)的增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸提高。與BP0204試件相比，經(jīng)凍融循環(huán)的混雜纖維混凝土試件粘結(jié)強(qiáng)度提高12%～24%。但D50和D70試件粘結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)后，馬上發(fā)生劈裂破壞，滑移曲線不存在下降段。D30試件粘結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)后，粘結(jié)應(yīng)力迅速下降到9.2 MPa附近。這是因?yàn)?，凍融循環(huán)產(chǎn)生的二次水化提高了混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，但隨著凍融次數(shù)的增加，再生混凝土凍融損傷程度增加，粘結(jié)強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）玄武巖-聚丙烯混雜纖維摻入再生混凝土后，BFRP復(fù)合筋與再生混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度有所下降?；祀s纖維可以限制混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，使再生混凝土的延性有所提高，但混雜纖維摻量過(guò)多則不利于混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提高。

（2）當(dāng)再生混凝土中復(fù)摻0.4%聚丙烯纖維和0.2%玄武巖纖維時(shí)，粘結(jié)滑移曲線下降段更加穩(wěn)定，混雜纖維再生混凝土具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度和延性。

（3）隨著凍融次數(shù)的增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸提高，但會(huì)導(dǎo)致再生混凝土凍融損傷程度增加，試件發(fā)生劈裂破壞。