玄武巖纖維對(duì)再生混凝土早期抗開裂性能的影響

劉逸，劉元珍，郭耀東

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

0 引言

長期以來，作為建筑工程的主要建筑材料，混凝土材料的大規(guī)模使用在產(chǎn)生大量混凝土廢棄物的同時(shí)，也使砂石材料短缺問題日益突出，對(duì)資源、能源和環(huán)境等方面產(chǎn)生巨大壓力。近年來，我國建筑垃圾年產(chǎn)量約為35億t[1]，建筑固廢物資源化和建筑垃圾處理已成為亟待解決的問題。

再生混凝土是將再生骨料按一定比例代替天然骨料而制備的一種綠色建筑材料，可以有效解決建筑垃圾再利用率低和資源枯竭等問題。然而，我國建筑垃圾的再生利用率仍不足10%，再生混凝土的應(yīng)用還處于初步發(fā)展階段。再生混凝土由于再生骨料的自身缺陷和內(nèi)部多重界面過渡區(qū)的復(fù)雜性[2]，使其變形能力、力學(xué)性能、耐久性能和抗?jié)B透能力均較普通混凝土差[3- 6]，因此在技術(shù)層面上，其結(jié)構(gòu)安全耐久性問題仍然是制約再生混凝土推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。裂縫問題是影響混凝土安全耐久性最直接的原因[7]，混凝土的開裂尤其是早期開裂，在實(shí)際工程中已日趨嚴(yán)重[8]。早期裂縫的形成，會(huì)加劇侵蝕介質(zhì)的滲入，引起保護(hù)層脫落及鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，引起人們的廣泛關(guān)注。但普通混凝土存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差的天然缺陷，再生混凝土則使該性能缺陷更加突出，肖建莊等[9]研究表明再生粗骨料會(huì)降低混凝土的早期抗開裂性能，因而不利于再生混凝土的推廣。

纖維對(duì)混凝土具有增韌、增強(qiáng)、阻裂作用[10]，成為改善再生混凝土性能的重要手段。其中，玄武巖纖維(basalt fiber，BF)作為四大高性能纖維之一，具有抗拉強(qiáng)度高、抗裂性能好、耐腐蝕和耐高溫等特性，對(duì)抑制普通混凝土早期開裂有積極效應(yīng)。研究表明合理的玄武巖纖維摻量，可減小混凝土早期開裂的最大寬度[11]，并有效降低早齡期的總開裂面積[12]，從而增強(qiáng)混凝土的早期抗裂性能。

將玄武巖纖維用于再生混凝土的研究主要是針對(duì)基本力學(xué)性能和耐久性能開展的，纖維對(duì)強(qiáng)度的影響結(jié)果尚存在較大差異[13-14]，而關(guān)于玄武巖纖維再生混凝土(basalt fiber recycled aggregate concrete, BFRAC)的早期抗開裂性能研究還鮮有涉及。本文通過刀口約束誘導(dǎo)法，旨在探究玄武巖纖維對(duì)再生混凝土的早期抗開裂性能的影響，為其改良再生混凝土早期抗裂性能提供借鑒，促進(jìn)再生混凝土的耐久性設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中混凝土所用膠凝材料為P·O42.5級(jí)水泥和硅灰，兩者成分和基本性質(zhì)見表1。試件中包含的骨料有天然粗骨料、再生粗骨料和細(xì)骨料，骨料的物理指標(biāo)見表2。粗骨料均為連續(xù)級(jí)配，再生粗骨料經(jīng)檢測(cè)屬于Ⅱ類；細(xì)骨料為2區(qū)天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4。外加劑選用高效聚羧酸減水劑，減水率約為35%。拌和水為自來水。

表1 膠凝材料性質(zhì)與成分

表2 骨料的物理性能

玄武巖纖維是一種硅酸鹽類的純天然無機(jī)纖維。本文選用山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，長度統(tǒng)一選用18 mm，整體呈金褐色，如圖1所示，其物理性能見表3。

圖1 玄武巖纖維

表3 玄武巖纖維的物理性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為了保證混凝土的力學(xué)性能和施工性能，再生混凝土中的再生粗骨料取代率均為50%(等體積取代)，試件制備前對(duì)再生粗骨料預(yù)潤濕處理，使其為飽和面干狀態(tài)。玄武巖纖維在再生混凝土中的體積摻量分別取0、0.1%、0.2%和0.3%。試件根據(jù)配合比不同命名，NC表示普通混凝土，RAC表示再生混凝土，BFRAC表示玄武巖纖維再生混凝土，其后數(shù)字表示纖維摻量的體積分?jǐn)?shù)。試件的混凝土配合比見表4。

表4 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

早期開裂試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[15]進(jìn)行，采用刀口約束誘導(dǎo)法來評(píng)定混凝土的早期抗開裂性能，早期開裂試驗(yàn)如圖2所示。使用鋼直尺和100倍帶光源讀數(shù)顯微鏡對(duì)裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯微鏡精度為0.02 mm，并觀測(cè)裂縫的發(fā)展情況，每組試件為2個(gè)，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[16]進(jìn)行，每組試件為3個(gè)，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

圖2 早期開裂試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

各組混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的混凝土試件抗壓強(qiáng)度見表5，RAC的抗壓強(qiáng)度較NC降低了4.5%，說明再生粗骨料會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。主要原因是舊水泥砂漿存在較多的孔隙和裂縫，使再生粗骨料與新舊水泥砂漿間的粘結(jié)性能較差，RAC內(nèi)部的新舊界面過渡區(qū)成為薄弱部分，在承受軸向壓力時(shí)，更容易劣化，從而降低了混凝土的強(qiáng)度。圖3所示為混凝土試件受壓破壞瞬時(shí)的表觀形貌，由圖3可看出RAC試件的破壞特征最為嚴(yán)重，呈明顯啞鈴形狀，表面的剝落也最為嚴(yán)重，體現(xiàn)了其較差的粘結(jié)性。

表5 混凝土試件抗壓強(qiáng)度

由表5知，摻入玄武巖纖維后，BFRAC的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加，并非呈現(xiàn)線性增加。纖維摻量為0.1%和0.2%時(shí)，BFRAC抗壓強(qiáng)度較RAC分別提高了7.6%和13.5%，且均高于NC，但纖維摻量為0.3%時(shí)，BFRAC抗壓強(qiáng)度較RAC降低了3.4%，較NC降低了7.7%。

纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，這與DONG等[17]和潘慧敏[18]研究結(jié)果相符。這表明纖維在混凝土內(nèi)部形成亂向分布的三維網(wǎng)架體系，可使骨料間發(fā)揮復(fù)合材料的增強(qiáng)作用，改善再生混凝土中的結(jié)構(gòu)，從而提高強(qiáng)度和延性?；炷猎嚰茐哪Ｊ饺鐖D3所示，由圖3可知，摻入適量玄武巖纖維后，試件破壞情況發(fā)生改觀，BFRAC-0.2的裂縫最少，且保持著較高的完整性，與其較高的抗壓強(qiáng)度相一致。但較多的纖維容易在攪拌過程中出現(xiàn)抱團(tuán)現(xiàn)象，不利于其在基體中的結(jié)合，同時(shí)可能因其吸水性導(dǎo)致水化反應(yīng)不完全，使混凝土內(nèi)部的缺陷增多，降低了密實(shí)度[18]。BFRAC-0.3破壞時(shí)裂縫寬度較大，說明較多的纖維破壞了混凝土內(nèi)部的最佳結(jié)構(gòu)。

(a) NC

2.2 早期抗開裂性能

每組試件7條刀口誘導(dǎo)器(1～7)上的裂縫觀測(cè)數(shù)據(jù)見表6。

表6 裂縫觀測(cè)數(shù)據(jù)

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，通過初始開裂時(shí)間、最大裂縫寬度和單位面積上的總開裂面積等指標(biāo)來評(píng)定混凝土的早期抗開裂性能，各指標(biāo)取每組試件統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值。其中，單位面積上的總開裂面積c通過公式(1)計(jì)算：

(1)

式中，Wi為第i條裂縫最大寬度，mm；Li為第i條裂縫長度，mm；同一誘導(dǎo)器上出現(xiàn)多條裂縫時(shí)，疊加為一條計(jì)算；N為試件裂縫數(shù)目；A為試件表面積，A=0.48 m2。

表7為NC與RAC試件早期開裂指標(biāo)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者單位面積的總開裂面積相差很小，但RAC的最大裂縫寬度達(dá)到0.87 mm，較NC增加了14.5%，且RAC在成型后較短時(shí)間內(nèi)即產(chǎn)生裂縫。以每條誘導(dǎo)器上的裂縫面積作為統(tǒng)計(jì)樣本，得出NC和RAC的裂縫變異系數(shù)分別為0.65和0.93，說明RAC表面裂縫發(fā)展的離散性更大，易出現(xiàn)較大寬度的裂縫，因而RAC較NC的早期抗開裂性能差。

表7 NC和RAC試件早期開裂指標(biāo)

研究表明再生粗骨料與水的接觸角較小，水分的擴(kuò)散速率較大，增大了混凝土的收縮變形[19]，同時(shí)再生粗骨料在破碎過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生微裂縫和初始損傷，使界面過渡區(qū)較為薄弱，在混凝土內(nèi)部受到較大收縮拉應(yīng)力時(shí)，更易誘導(dǎo)裂縫的拓展[9]，從而降低了混凝土的抗裂性能。

RAC和BFRAC試件早期開裂結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出裂縫基本上沿誘導(dǎo)器的方向開裂。隨著纖維摻量的增加，裂縫的數(shù)目明顯減少，BFRAC-0.3表面僅出現(xiàn)了一條細(xì)微短裂縫，抗裂效果顯著。

(a) RAC

玄武巖纖維摻量對(duì)RAC早期抗開裂性能的影響如圖5所示，由圖5(a)知，摻入纖維后，BFRAC試件的初始開裂時(shí)間推遲，BFRAC-0.3在5 h后才開裂，是RAC的1.67倍，是NC的2.63倍。由圖5(b)知，BFRAC試件的最大裂縫寬度逐漸減小，BFRAC-0.3的最大裂縫寬度降低到0.13 mm，較RAC降低了85.1%，阻裂效果明顯。圖5(c)為各試件單位面積上總開裂面積的變化規(guī)律，隨著纖維摻量的增加，BFRAC試件的總開裂面積顯著下降，BFRAC-0.3單位面積上的總開裂面積僅為10.3 mm2/m2，是RAC的0.9%。圖5(d)所示裂縫降低系數(shù)為各試件對(duì)NC總開裂面積的降低率，BFRAC試件中纖維摻量為0、0.1%、0.2%和0.3%時(shí)，裂縫降低系數(shù)分別為1.9%、60.1%、66.8%和99.1%。因此玄武巖纖維可以很好地改善再生混凝土早期抗裂性能。

(a) 初始開裂時(shí)間

混凝土試件的抗裂等級(jí)劃分見表8。根據(jù)《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 193—2009)[20]，以單位面積上的總開裂面積為劃分依據(jù)。BFRAC試件的抗裂等級(jí)逐漸提高，BFRAC-0.3達(dá)到最高的L-V級(jí)。

表8 混凝土試件的抗裂等級(jí)劃分

2.3 纖維阻裂機(jī)理

在100倍顯微鏡下觀測(cè)到的裂縫和玄武巖纖維如圖6所示。由圖6(a)和圖6(c)可知，BFRAC的裂縫寬度較RAC則明顯減小。這是因?yàn)榱芽p中的纖維呈現(xiàn)單絲狀態(tài)，且纖維表面附著有水泥漿體，表明其在混凝土中具有較好的分散性與相容性，玄武巖纖維在混凝土中形成的三維網(wǎng)架體系，可減小混凝土的泌水，緩解骨料的不均勻沉降，提高混凝土的均質(zhì)性[21]，使早期塑性收縮減小，因而抑制了RAC早齡期的開裂。同時(shí)由圖6(b)和圖6(c)可知，裂縫中的纖維主要以兩種形式存在，大部分為“兩端錨固的拉直狀態(tài)”，小部分為“一端錨固，一端被拔出的狀態(tài)”，并未發(fā)現(xiàn)纖維被拉斷的情況，表明玄武巖纖維對(duì)裂縫具有較強(qiáng)的橋接作用，其較高的抗拉強(qiáng)度可有效抵抗混凝土中的部分拉應(yīng)力，吸收混凝土因收縮應(yīng)力產(chǎn)生的能量。由圖6(d)可知，纖維可改變裂縫發(fā)展的方向，降低裂縫尖端的應(yīng)力集中，進(jìn)而阻擋了裂縫的連通與拓展。因此，纖維可抑制再生混凝土內(nèi)部薄弱部位初始裂縫的形成與發(fā)展，有效提高了再生混凝土的早期抗開裂性能。

(a) RAC裂縫最大寬度區(qū)

3 結(jié)論

① 玄武巖纖維具有一定的增強(qiáng)作用，適量的玄武巖纖維提高了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，但超出一定摻量則出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在0.1%～0.3%的摻量范圍內(nèi)，玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為0.2%，對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的增幅為13.5%。

② 玄武巖纖維具有較好的阻裂作用。隨著纖維摻量的增加，再生混凝土的各項(xiàng)早期開裂評(píng)價(jià)指標(biāo)逐漸優(yōu)化，最大裂縫寬度和總開裂面積大幅減小，初始開裂時(shí)間延遲，且優(yōu)于普通混凝土。玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)，最大裂縫寬度和單位面積上的總開裂面積分別下降了85.1%和99.1%，抗裂等級(jí)達(dá)到L-V級(jí)，阻裂效果最為顯著。

③ 再生粗骨料加劇了混凝土的早期開裂，而玄武巖纖維與混凝土的粘結(jié)性能較強(qiáng)，其在再生混凝土中均勻分散、相互搭接形成的網(wǎng)架體系，抑制了再生混凝土內(nèi)部薄弱部位初始裂縫的拓展及新裂縫的誘發(fā)，有效地提高了再生混凝土的早期抗開裂性能。