侯晉杰,賈迎澤,趙強(qiáng)
(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司,山西 太原 030001)
纖維增強(qiáng)高性能混凝土是近年來研究的熱點(diǎn),纖維對混凝土基本力學(xué)性能、耐久性能以及長期性能均有一定的積極影響[1-3]。目前關(guān)于單一纖維對混凝土的研究已經(jīng)做了大量的工作,但隨著研究的深入,多個(gè)學(xué)者發(fā)現(xiàn)單一纖維對優(yōu)化混凝土性能有一定的局限性,不同纖維性能優(yōu)勢互補(bǔ)更加符合復(fù)合材料增強(qiáng)理論[4-6]。有研究表明[7],鋼纖維具有阻止混凝土基體裂縫發(fā)展的作用,從而使混凝土的抗拉、抗剪、抗沖擊、韌性、耐久性能得到提高;當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%~2%時(shí),抗拉強(qiáng)度提高了27%~52%,抗剪強(qiáng)度提高了45%~90%[8-9]。而玄武巖纖維對混凝土具有阻裂、增韌的效果,尤其對混凝土早期抗開裂作用,可以極大地減少混凝土早期裂縫出現(xiàn),進(jìn)而提高混凝土基體的密實(shí)性,增強(qiáng)混凝土的抗凍性能[10-11]。因此本文在保證鋼纖維提高再生混凝土基本力學(xué)性能基礎(chǔ)上,研究玄武巖纖維對鋼纖維再生混凝土抗凍性能的影響,充分發(fā)揮不同纖維的性能優(yōu)勢。并從理論上揭示混雜纖維增強(qiáng)再生混凝土的耐久性機(jī)理,促進(jìn)混雜纖維再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。
水泥:太原獅牌P·O42.5 水泥;硅灰:四川某硅粉廠生產(chǎn),比表面積18 954 m2/kg,燒失量2.28%;河砂:太原某砂廠提供,細(xì)度模數(shù)2.37,表觀密度2700 kg/m3,吸水率3.6%,含泥量1.4%,粒徑0.075~4.75 mm;天然粗骨料(NCA):太原某砂石廠提供,粒徑5~20 mm 的碎石,表觀密度2470 kg/m3,壓碎指標(biāo)13.1%;再生粗骨料(RCA):某小區(qū)廢舊混凝土梁經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、篩分、清洗組配后得到,符合GB 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中5~20 mm 連續(xù)級配要求,壓碎指標(biāo)14.48%;聚羧酸減水劑(PC):減水率35%~40%,固含量40%;水:自來水;鋼纖維(SF):太原某鋼纖維廠生產(chǎn),斷面呈矩形,縱向?yàn)榕で鸂睿恍鋷r纖維(BF):大同某玄武巖纖維廠生產(chǎn),2 種纖維的技術(shù)性能見表1。
表1 鋼纖維和玄武巖纖維的技術(shù)性能
本文主要考慮纖維種類和摻量對再生混凝土抗凍性能的影響,在再生混凝土配合比的基礎(chǔ)上,根據(jù)單一變量原則調(diào)整各成分變量,最終確定配合比。本研究中再生粗骨料等體積取代50%天然粗骨料,鋼纖維體積摻量分別為0、1%、2%,玄武巖纖維體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%,再生混凝土的具體配合比見表2。
表2 再生混凝土的配合比
依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm;抗壓強(qiáng)度試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm。采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)在水中凍融循環(huán) 0、50、100、150、200 次后,測試混凝土試件的質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度來表征試件的抗凍性。
單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率見圖1。
圖1 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率
由圖1 可見,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加,未摻纖維的普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失均逐漸增大。在經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)時(shí),單摻1%、2%鋼纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率較普通再生混凝土分別降低了37.1%、67.8%;單摻0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率較普通再生混凝土分別降低了24.1%、36.2%、37.3%;復(fù)摻鋼纖維和玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率較普通再生混凝土平均降低了76.8%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件表面裂縫逐漸增多,凍融損傷不斷增加,質(zhì)量損失率也開始增大。經(jīng)歷150 次凍融循環(huán)后,未摻纖維的再生混凝土表面疏松、石子外露、砂漿大面積脫落,輕微觸碰即成松散狀態(tài);而摻入鋼纖維和玄武巖纖維可有效抑制再生混凝土表面的剝蝕作用,表面無貫穿裂縫,仍具有一定抗壓強(qiáng)度,試件完整性較好,與普通再生混凝土相比,鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率分別平均降低了57.1%、23.6%、62.6%。經(jīng)歷200 次凍融循環(huán)后,鋼纖維再生混凝土、鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率最低分別為2.93%、2.67%。復(fù)摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土性能較優(yōu),250 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為3.78%。摻入纖維的再生混凝土試件質(zhì)量損失率較普通再生混凝土更低,且混雜纖維對降低再生混凝土質(zhì)量損失率較單一纖維效果更加明顯。這是因?yàn)?,鋼纖維與玄武巖纖維在再生混凝土基體內(nèi)部形成網(wǎng)構(gòu)骨架,能有效降低骨料以及砂漿的損失。
單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動(dòng)彈性模量見圖2。
圖2 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動(dòng)彈性模量
由圖2 可見,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,未摻纖維的普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的相對動(dòng)彈性模量均逐漸減小,且普通再生混凝土的減小速率最快。150 次凍融循環(huán)時(shí),鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的相對動(dòng)彈性模量平均值分別為82.60%、81.07%、83.88%;200 次凍融循環(huán)后,各組混凝土的相對動(dòng)彈性模量平均值分別為72.83%、69.87%、66.10%。經(jīng)歷250 次凍融循環(huán)時(shí),各組試件相對動(dòng)彈性模量由大到小的順序 為 RACS2B0.3>RACS2B0.2>RACS1B0.3>RACS2B0.1>RACS1B0.2>RACS1B0.1>RACS2>RACB0.3>RACS1>RACB0.2>RACB0.1>RAC??梢钥闯觯瑩饺肜w維可以減緩凍融后再生混凝土相對動(dòng)彈性模量下降的速率,混雜纖維的作用效果更明顯。因?yàn)槔w維發(fā)揮了阻裂、增強(qiáng)的作用,能有效降低了微裂縫的發(fā)展,增加混凝土的密實(shí)性,從而改善了再生混凝土的抗凍性能。復(fù)摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土經(jīng)250 次凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量為66.82%。
單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復(fù)摻再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度見圖3。
圖3 纖維增強(qiáng)再生混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度
由圖3 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凍融損傷不斷增強(qiáng),試件的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。0 次凍融循環(huán)時(shí),與未摻纖維的普通再生混凝土相比,鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別平均提高了24.5%、12.9%、35.6%。經(jīng)歷100 次凍融循環(huán)后,未摻纖維的再生混凝土試件表面疏松、石子外露、砂漿大面積脫落;而摻入鋼纖維和玄武巖纖維的再生混凝土表面無貫穿裂縫,仍具有一定抗壓強(qiáng)度,試塊完整性較好。與未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)相比,普通再生混凝土、鋼纖維再生混凝土、玄武巖纖維再生混凝土以及鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了40.1%、26.6%、28.2%、24.8%。復(fù)摻0.2%BF+2%SF的再生混凝土性經(jīng)250 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度為25.92 MPa。相對于普通再生混凝土,摻入纖維的混凝土試件強(qiáng)度損失率更低,分析其原因,纖維在混凝土基體中形成類似鋼筋骨架的支撐作用,能夠抑制再生混凝土內(nèi)部的微裂縫、孔隙和缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展,極大地減弱了試件內(nèi)部的應(yīng)力集中,從而對減弱了凍融破壞的損傷,起到了增強(qiáng)作用。
(1)摻鋼纖維、玄武巖纖維纖維的再生混凝土質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量、立方體抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于未摻纖維的普通再生混凝土。
(2)經(jīng)凍融循環(huán)后,鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質(zhì)量損失率更小、相對動(dòng)彈性模量更大、立方體抗壓強(qiáng)度更高,即摻混雜纖維的再生混凝土抗凍性優(yōu)于單摻纖維再生混凝土的抗凍性。
(3)按玄武巖纖維0.2%、鋼纖維2%復(fù)摻時(shí)再生混凝土的性能較優(yōu),250 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為2.78%,相對動(dòng)彈性模量為66.82%,抗壓強(qiáng)度為25.92 MPa。