不同摻入率玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土梁的抗裂性能影響

王 聰,裴長春

(延邊大學(xué)工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程系,吉林 延吉 133002)

近年來,隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展,大量的建筑物被拆除重建,從而產(chǎn)生大量的建筑垃圾。據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)資料表明：我國建筑垃圾產(chǎn)量達(dá)到15億噸,未來將可能達(dá)到24億噸/年。還有,2016年我國水泥產(chǎn)量達(dá)到24億噸[1],既消耗了大量石灰石等資源,又產(chǎn)生大量的二氧化碳。近年來,合理處理這些廢棄物逐步得到國內(nèi)外廣大學(xué)者們的青睞。經(jīng)研究資料表明：可以再生骨料代替天然骨料[2],以工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物,如礦渣、粉煤灰等取代水泥作為膠凝材料,配制出再生混凝土。但配制出的再生混凝土由于強(qiáng)度、抗裂性能等性能有大幅度的降低[3-4]而推廣應(yīng)有受到一定的限制。

為了提高再生混凝土的各項(xiàng)性能,提高資源的合理利用率及降低環(huán)境污染,本文以礦渣、粉煤灰和低純度石灰粉代替100%傳統(tǒng)水泥,以再生骨料部分代替天然骨料拌制再生混凝土,并改變玄武巖纖維的不同摻入率分析再生混凝土的抗裂性能,為再生資源的擴(kuò)大應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)水膠比為0.3,以75%的礦渣、20%的粉煤灰、5%的低純度石灰石粉作為膠凝材料100%替代水泥,以30%的廢棄混凝土再生骨料替代部分天然骨料,并改變玄武巖纖維的摻入率4個水準(zhǔn),共設(shè)計(jì)5組再生混凝土。本試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

注：SFC為無熟料水泥再生混凝土；SFCBx為無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土,其中B代表玄武巖纖維下標(biāo)x值代表玄武巖纖維摻量,下標(biāo)值1,2,3,4分別代表摻入玄武巖纖維0.06%,0.09%,0.12%和0.15%。

本試驗(yàn)所有組梁長度均為1500mm,截面尺寸均為120mm×180mm,受拉鋼筋選用HRB335級B14鋼筋。箍筋為HPB300級A8@100鋼筋。

1.2 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)中使用的膠凝材料分別為S95級高爐礦渣,II級粉煤灰和低純度石灰石粉。再生骨料通過廢棄混凝土破碎形成,其粒徑為5～25mm；天然骨料為粒徑5～25mm具有連續(xù)級配的石子,其密度為2700kg/m3,；細(xì)骨料為天然砂。玄武巖纖維為20mm長短切玄武巖纖維。激發(fā)劑為NaOH和KOH顆粒。減水劑為液態(tài)聚羧酸高效減水劑。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的試驗(yàn)梁均采用四點(diǎn)加載試驗(yàn)法,為防止集中應(yīng)力對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,在加載點(diǎn)及約束點(diǎn)預(yù)埋了剛性鐵塊。試驗(yàn)操作均滿足GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 梁開裂與極限荷載分析

2.1 梁破壞形態(tài)分析

當(dāng)荷載為23kN左右時,在梁跨中下部出現(xiàn)第一條裂縫,隨著荷載不斷增加,裂縫數(shù)量不斷增加,裂縫長度不斷加長。對于無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁與無熟料水泥再生混凝土梁相比,隨著荷載增加其裂縫數(shù)量明顯降低,裂縫寬度變小,并且由主裂縫所產(chǎn)生的支裂縫出現(xiàn)較少,裂縫長度較短。當(dāng)荷載繼續(xù)增加,試件梁的撓度逐漸增加,當(dāng)受拉鋼筋屈服時,跨中撓度發(fā)展迅速,混凝土受壓區(qū)出現(xiàn)破碎,直達(dá)梁完全破壞。

2.2 裂縫發(fā)展情況

圖1為無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-裂縫寬度曲線圖。由圖可以看出,隨著玄武巖纖維摻入率的增加,同級荷載下的最大裂縫寬度有所變小。玄武巖纖維的摻入對梁的最大裂縫寬度的減小有明顯效果,這是由于玄武巖纖維與無熟料水泥具有較好的粘結(jié)性,有效緩解了裂縫尖端的應(yīng)力集中,降低裂縫寬度的擴(kuò)大,對混凝土有較好的增韌效果和抗裂效果。

圖2為無熟料水泥不同摻入率玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-裂縫數(shù)量圖。由圖可以看出,加載初期,SFC的初始裂縫出現(xiàn)相對較早,裂縫數(shù)量隨荷載增加發(fā)展迅速,裂縫數(shù)量增加。而隨著玄武巖纖維摻入率的增加,初始裂縫出現(xiàn)較晚,裂縫數(shù)量減少2～3條,對試件梁的抗裂作用較為明顯[5]。

圖1 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載—裂縫寬度

圖2 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的裂縫數(shù)量圖

2.3 荷載—撓度關(guān)系

圖3為不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-撓度曲線圖。由圖可知：隨著荷載的繼續(xù)增加,相同荷載情況下,SFC梁相對NC梁撓度變化較大,但摻入玄武巖纖維后無熟料水泥再生混凝土梁的撓度均有所減少。以SFCB4梁與SFC相比,最大撓度減小43%,極限荷載增加8%。由此可以看出,玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土梁的撓度發(fā)展具有抑制作用,提高了梁的抗裂性能。

圖3 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-撓度曲線

2.4 梁的跨中受拉鋼筋應(yīng)變分析

圖4為無熟料水泥不同摻入率玄武巖纖維再生混凝土梁的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線圖。由圖中可以看出：加載初期都為彈性階段,受拉鋼筋產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小,應(yīng)變值與荷載成正比例變化。當(dāng)荷載持續(xù)增加后,各組梁出現(xiàn)明顯變化,當(dāng)玄武巖纖維摻入率在0.06%時,相同荷載作用下鋼筋應(yīng)變最小,與SFC相比減小10%。可以看出在無熟料水泥再生混凝土中添加玄武巖纖維可以與基體產(chǎn)生粘結(jié)作用,為受拉區(qū)鋼筋分擔(dān)部分應(yīng)力,從而是鋼筋變形的速度得到緩解降低鋼筋應(yīng)變。

圖4 不同摻入率玄武巖纖維無水泥熟料再生混凝土梁的荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本文通過研究不同摻入率的玄武巖纖維對無熟料水泥再生混凝土的基本力學(xué)性能及梁試件的抗裂性能,得出以下結(jié)果:①玄武巖纖維無熟料水泥再生混凝土梁的開裂寬度和裂縫數(shù)量隨著玄武巖纖維的摻入率增加而減少,當(dāng)玄武巖纖維摻入率為0.12%時能夠最有效的減小無熟料水泥再生混凝土梁裂縫的開裂寬度和裂縫數(shù)量；②無熟料水泥再生混凝土梁的撓度隨著玄武巖纖維摻入率的增加而減小；③無熟料水泥玄武巖纖維再生混凝土梁跨中受拉鋼筋的應(yīng)變隨荷載的變化趨勢與普通混凝土梁的變化趨勢相似。

[1]劉建軍,姜芳祿,張海輝.礦渣微粉高性能混凝土及工程應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè),2006(12):33-36．

[2]杭美艷,張培育,徐雅麗,等.再生混凝土技術(shù)性能研究[J].江西建材,2015(12):33-38．

[3]吳銘輝.再生混凝土高性能化的研究現(xiàn)狀[J].江西建材,2014(01):12-13．

[4]陳偉,王均,張可等.玄武巖纖維對混凝土梁抗裂性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2017(35):144-148．

[5]張明濤,趙敏,譚克鋒.新型無熟料礦渣水泥的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報,2011(20):920-924．