玄武巖纖維對再生混凝土軸心受拉性能的影響

劉 逸， 劉元珍， 劉運房， 郭耀東

(太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

隨著城鎮化進程的推進和基礎設施建設的持續發展，混凝土作為主要的建筑材料，在大量使用砂石材料的同時，也產生了大量的混凝土廢棄物，造成了資源浪費、能源短缺和環境破壞等一系列重大問題。利用再生骨料制備的再生混凝土，是實現建筑固廢物資源化和建筑垃圾處理的有效途徑。

混凝土天然存在拉壓強度和變形相差懸殊、質地脆等特點，較低的抗拉能力使混凝土更易開裂，進而引起鋼筋銹蝕等病害，威脅建筑物的承載力與耐久性能。大量研究表明，再生混凝土由于再生骨料的自身缺陷和內部多重界面過渡區的復雜性[1]，其力學性能、耐久性能等均較普通混凝土差[2-4]，使混凝土的缺陷更加突出。肖建莊等[5]研究表明，再生混凝土的抗拉強度較普通混凝土低，并提出了再生混凝土軸拉上升段的計算式。盧欽旺等[6]研究得到再生混凝土軸拉應力-應變全曲線，表明再生混凝土隨再生粗骨料取代率的增大，抗拉強度逐漸降低，峰值應變略微增大。

纖維對混凝土具有增韌、增強、阻裂作用[7-8]，對再生混凝土性能的改善引起人們的重視。作為四大高性能纖維之一，玄武巖纖維(basalt fiber，BF)具有抗拉強度高、耐腐蝕和耐高溫等特性[9]，對再生混凝土的抗拉性能具有積極作用。陳愛玖等[10]研究表明，當玄武巖纖維為4 kg/m3時，再生混凝土的劈拉強度和抗折強度分別提高了15.8%和19.4%。高銀[11]研究發現玄武巖纖維對再生混凝土劈拉強度的提升作用較抗壓強度更為明顯，玄武巖纖維對再生混凝土抗拉強度的提升作用已得到較多學者的一致認識[12-13]。

綜上，玄武巖纖維對再生混凝土抗拉性能的研究主要是通過劈拉和彎拉試驗進行，軸心拉伸性能還鮮有涉及。間接拉伸試驗并不能真實反映混凝土的抗拉性能，因而通過自行設計的混凝土單軸直接拉伸試驗裝置，探究玄武巖纖維對再生混凝土軸心受拉性能的影響，并與普通混凝土進行比較，對理論研究和工程設計提供借鑒。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

混凝土所用膠凝材料為P·O 42.5級水泥和硅灰。粗骨料均為連續級配，粗骨料的物理指標如表1所示，天然粗骨料為天然碎石，再生粗骨料經檢測屬于II類，如圖1(a)所示。細骨料為2區天然河砂，細度模數為2.4。外加劑選用減水率為35%高效聚羧酸減水劑。拌和水為自來水。

玄武巖纖維是一種硅酸鹽類的純天然無機纖維。采用山西晉投玄武巖開發有限公司生產的短切玄武巖纖維，纖維為集束型，整體呈金褐色，如圖1(b)所示，其物理性能如表2所示。

表1 粗骨料的物理性能

圖1 再生粗骨料和玄武巖纖維Fig.1 Recycled coarse aggregates and basalt fibers

1.2 配合比設計

采用纖維體積率法，在已設計的混凝土配合比基礎上，直接將玄武巖纖維摻入混凝土拌合物中。普通混凝土(normal concrete，NC)和再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)基體的配合比如表3所示。為了保證混凝土的力學性能和施工性能，再生混凝土中的再生粗骨料體積取代率為50%，試件制作前通過預潤濕處理，使再生粗骨料為飽和面干狀態。

考慮纖維摻量為主要因素，玄武巖纖維在普通混凝土和再生混凝土中的體積摻量分別取0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%。根據配合比不同命名混凝土試件，將玄武巖纖維分別摻入NC和 RAC后，用BFRC(basalt fiber reinforced concrete)表示玄武巖纖維增強混凝土，BFRAC(basalt fiber recycled aggregate concrete)表示玄武巖纖維再生混凝土，其后數字表示纖維的體積摻量。

表2 玄武巖纖維的物理性能

表3 混凝土基體配合比

1.3 試驗方法

試驗采用變截面啞鈴形試件[14]，如圖2所示。試件總長為460 mm，受拉區截面尺寸為100 mm×100 mm。變截面的試件形狀，可控制試件在中部量測區域發生斷裂。平滑圓弧曲面的過渡區設計，可有效減少截面變化造成的應力集中。每組試件為3個。

R為圓弧面的曲率半徑圖2 試件尺寸Fig.2 Dimension of specimen

為解決混凝土軸拉試驗中可能存在的偏心受拉及試驗機剛度問題，設計制作了由高強鋼板和四根鋼柱元件組成的鋼架，以提高試驗裝置的整體高度，降低試件達到峰值應力后的破壞速度。并通過拉環和匹配圓弧曲面的套箍進行傳力，避免夾持試件端部引起的表面損傷以及黏結式連接不牢靠的問題。加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置Fig.3 Uniaxial tensile test device

2 試驗結果與討論

2.1 軸心受拉強度

各試件軸心受拉強度的試驗結果如表4所示。

表4 軸心受拉強度試驗結果

玄武巖纖維摻量對各試件初裂強度的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著纖維摻量的增加，BFRAC的初裂強度呈現先增加后減小的趨勢，當纖維摻量為0.3%時，BFRAC的初裂強度達到最大值，提升率為40.5%。玄武巖纖維摻量對各試件軸拉強度(即軸拉峰值應力)的影響如圖5所示。從圖5可以看出，BFRAC的軸拉強度隨纖維摻量的增加，先增加后減小，軸拉強度在纖維摻量為0.3%時達到最優，提升率為35.4%。說明玄武巖纖維對再生混凝土的抗拉強度提升作用明顯。分析其增強原因為，再生混凝土中舊水泥砂漿存在較多的孔隙和裂縫，使混凝土內部的界面過渡區性能較差，容易產生應力集中現象，當應力集中達到抗拉強度時，裂縫就會加速發展直至混凝土破壞。而摻入高抗拉強度和高彈性模量的玄武巖纖維，在混凝土受拉開裂時，作為增強相的纖維具有橋接作用，能繼續承受裂縫間的拉應力，降低了微裂縫周圍的應力集中現象，因而纖維可提高再生混凝土的抗拉能力。

但較多的纖維在混凝土中易出現結團現象，分散性較差，不利于其與基體的緊密結合，導致再生混凝土內部密實性降低，不再是最優結構。同時在混凝土攪拌過程中，較多的纖維會吸收大量的水，使再生混凝土中水泥未能完全發生水化反應[11]，因而玄武巖纖維對再生混凝土抗拉強度的提升效果會降低。

圖4 玄武巖纖維摻量對初裂強度的影響Fig.4 Effect of BF volume fraction on initial tensile strength

圖5 玄武巖纖維摻量對軸拉強度的影響Fig.5 Effect of BF volume fraction on uniaxial tensile strength

與BFRC相比，BFRAC的初裂強度和軸拉強度均低于BFRC，反映出再生粗骨料因其自身較差的性能，會降低混凝土的抗拉強度。不同纖維摻量下，纖維對BFRC初裂強度和軸拉強度的平均提升率分別為21.9%和21.5%，對BFRAC初裂強度和軸拉強度的平均提升率分別為28.7%和26.3%，說明玄武巖纖維對再生混凝土軸心受拉強度的提升效果要優于普通混凝土，摻入纖維可以較好地彌補再生混凝土內部的自身缺陷，纖維對再生混凝土中裂縫拓展的抑制能力較普通混凝土更為顯著。

2.2 軸心受拉變形性能

各試件軸心受拉變形性能的試驗結果如表5所示。

玄武巖纖維摻量對各試件初裂應變的影響如圖6(a)所示，可以看出，隨著纖維摻量的增加，BFRAC的初裂應變呈現先增加后減小的變化趨勢，當纖維摻量為0.3%時，BFRAC的初裂應變達到最大值，提升率為10.4%。玄武巖纖維摻量對各試件峰值應變的影響如圖6(b)所示，可以看出，BFRAC的峰值應變隨纖維摻量的增加，同樣先增加后減小，峰值應變在纖維摻量為0.3%時提升率最大，為22.4%。說明適量的玄武巖纖維在混凝土內部形成亂向分布的三維網狀結構，可有效提高復合材料的整體性能，進而束縛裂縫的發展。同時纖維與混凝土基體具有較好的粘結性能，使混凝土在破壞過程中需要消耗更多的能量，因而提高了混凝土的延性，使再生混凝土的變形性能更優。

BFRAC的峰值應變略高于BFRC，這與肖建莊等[5]和盧欽旺等[6]的研究結果相一致，認為再生粗骨料表面附著有舊水泥砂漿，結合面存在薄弱層，其自身彈性模量低于天然粗骨料，且再生粗骨料自身的變形大，會增大混凝土的變形能力，使再生混凝土的峰值應變高于普通混凝土。而BFRAC初裂應變低于BFRC，是由于再生混凝土較低的初裂強度和初始彈性模量導致的。纖維對BFRC初裂應變和峰值應變的提升率分別為6.8%和12.9%，對BFRAC初裂應變和峰值應變的平均提升率為4.2%和17.4%，表明玄武巖纖維對再生混凝土峰值應變的提升效果較優于普通混凝土，而對初裂應變的區別不大。

表5 軸心受拉變形性能試驗結果

混凝土初始彈性模量取為0.5倍峰值應力時的割線模量。玄武巖纖維摻量對各試件初始彈性模量的影響如圖6(c)所示。可以看出，BFRAC初始彈性模量隨纖維摻量的增加，先增大后減小，當纖維摻量為0.3%，BFRAC的初始彈性模量最大，提升率為16.9%。說明在一定摻量范圍內，依據彈性疊加原理，玄武巖纖維的彈性模量相對于混凝土基體更高，使復合材料的彈性模量提高。

圖6 玄武巖纖維摻量對軸心受拉變形性能的影響Fig.6 Effect of BF volume fraction on uniaxial tensile deformation property

而因再生粗骨料的彈性模量較低，部分取代天然粗骨料后，混凝土整體的彈性模量降低，導致BFRAC的初始彈性模量較BFRC略低。纖維對BFRC初始彈性模量平均提升率為7.0%，對BFRAC初始彈性模量的平均提升率為11.6%。因而玄武巖纖維對再生混凝土彈性模量的提高效果更優。

2.3 軸心受拉應力-應變關系

混凝土的受拉應力-應變全曲線可以完整地反映力與變形的全過程，BFRAC的軸拉應力-應變全曲線如圖7所示。不同纖維摻量下，BFRAC初裂點前曲線的斜率基本一致，且較不摻纖維的基體有明顯提升。經過初裂點后，各曲線開始出現明顯的差別，說明混凝土產生裂縫，亂向分布的玄武巖纖維開始承受拉應力，對混凝土發揮阻裂作用，但不同摻量的纖維對試件抗拉性能影響存在差異。纖維摻量為0.3%時，峰值應力與應變最大，下降段殘余變形最大，曲線最為飽滿，說明此摻量下纖維與基體的結合性最優，纖維自身優良的性能得到充分發揮，使再生混凝土體現出較好的韌性。而摻量較大時，纖維因分散性較差產生負效應，摻量為0.5%時，曲線的豐滿程度較差。

纖維摻量對BFRAC應力-應變曲線形態的影響與BFRC總體差別較小，以0.3%的纖維摻量為例，如圖8所示，BFRAC的裂縫發展階段較BFRC更為平緩，峰值應力較小，且下降段更陡峭，表明再生混凝土的軸拉韌性略小于普通混凝土。

圖7 玄武巖纖維摻量對BFRAC應力-應變曲線的影響Fig.7 Effect of BF volume fraction on stress-strain curve of BFRAC

圖8 BFRAC0.3和BFRC0.3應力-應變曲線對比Fig.8 Comparison of stress-strain curves between BFRAC0.3 and BFRC0.3

圖9 峰值應變與軸拉強度的關系Fig.9 Relationship between peak tensile strain and uniaxial tensile strength

由應力-應變曲線得，各組試件軸拉強度與其對應的峰值應變如圖9所示。BFRAC和BFRC的軸拉峰值應變隨軸拉強度的增加而提高，與普通混凝土中的規律相一致。普通混凝土峰值應變計算公式為[15]

(1)

式(1)中：εt為峰值應變；ft為軸拉強度。對BFRAC和BFRC試驗數據擬合分別得到式(2)、式(3)，擬合度較好。可以得出BFRAC的峰值應變較同強度的BFRC提高約8.3%。

BFRAC:

(2)

BFRC:

(3)

3 結論

(1)再生粗骨料會降低混凝土的軸拉性能，而玄武巖纖維在再生混凝土中均勻分散、相互搭接形成的網狀結構，可分擔混凝土內部裂縫處的拉應力，抑制裂縫的發展，因而可以提高再生混凝土的軸拉性能。當玄武巖纖維摻量為0.3%時，再生混凝土初裂強度、軸拉強度、初裂應變、峰值應變和初始彈性模量均達到最優值，提升率分別為40.5%、35.4%、10.4%、22.4%和16.9%。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增加，再生混凝土初裂強度、軸拉強度、初裂應變、峰值應變和初始彈性模量呈先增大后減小的趨勢，與普通混凝土基本一致，但玄武巖纖維對再生混凝土軸拉性能的提升效果要優于普通混凝土。

(3)不同玄武巖纖維摻量下，再生混凝土峰值應變隨軸拉強度的增大而增大。