鋼纖維-玄武巖纖維混雜對再生混凝土抗凍性能的影響

侯晉杰，賈迎澤，趙強

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 前 言

纖維增強高性能混凝土是近年來研究的熱點，纖維對混凝土基本力學性能、耐久性能以及長期性能均有一定的積極影響[1-3]。目前關于單一纖維對混凝土的研究已經做了大量的工作，但隨著研究的深入，多個學者發現單一纖維對優化混凝土性能有一定的局限性，不同纖維性能優勢互補更加符合復合材料增強理論[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；當鋼纖維體積摻量為1%～2%時，抗拉強度提高了27%～52%，抗剪強度提高了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，進而提高混凝土基體的密實性，增強混凝土的抗凍性能[10-11]。因此本文在保證鋼纖維提高再生混凝土基本力學性能基礎上，研究玄武巖纖維對鋼纖維再生混凝土抗凍性能的影響，充分發揮不同纖維的性能優勢。并從理論上揭示混雜纖維增強再生混凝土的耐久性機理，促進混雜纖維再生混凝土在實際工程中的應用。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：太原獅牌P·O42.5 水泥；硅灰：四川某硅粉廠生產，比表面積18 954 m2/kg，燒失量2.28%；河砂：太原某砂廠提供，細度模數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13.1%；再生粗骨料(RCA)：某小區廢舊混凝土梁經顎式破碎機破碎、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 連續級配要求，壓碎指標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，斷面呈矩形，縱向為扭曲狀；玄武巖纖維(BF)：大同某玄武巖纖維廠生產，2 種纖維的技術性能見表1。

表1 鋼纖維和玄武巖纖維的技術性能

1.2 配合比設計

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上，根據單一變量原則調整各成分變量，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

1.3 試驗方法

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》進行凍融循環試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm；抗壓強度試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm。采用混凝土快速凍融試驗機進行試驗，經在水中凍融循環 0、50、100、150、200 次后，測試混凝土試件的質量損失率、相對動彈性模量和抗壓強度來表征試件的抗凍性。

2 試驗結果與分析

2.1 纖維增強再生混凝土凍融后的質量損失率

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復摻再生混凝土不同凍融循環次數后的質量損失率見圖1。

圖1 纖維增強再生混凝土不同凍融循環次數后的質量損失率

由圖1 可見，隨著凍融循環次數的逐漸增加，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量損失均逐漸增大。在經歷50 次凍融循環時，單摻1%、2%鋼纖維的再生混凝土質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量損失率較普通再生混凝土分別降低了24.1%、36.2%、37.3%；復摻鋼纖維和玄武巖纖維再生混凝土的質量損失率較普通再生混凝土平均降低了76.8%。隨著凍融循環次數的增加，試件表面裂縫逐漸增多，凍融損傷不斷增加，質量損失率也開始增大。經歷150 次凍融循環后，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；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量損失率分別平均降低了57.1%、23.6%、62.6%。經歷200 次凍融循環后，鋼纖維再生混凝土、鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質量損失率最低分別為2.93%、2.67%。復摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土性能較優，250 次凍融循環后質量損失率為3.78%。摻入纖維的再生混凝土試件質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量損失率較單一纖維效果更加明顯。這是因為，鋼纖維與玄武巖纖維在再生混凝土基體內部形成網構骨架，能有效降低骨料以及砂漿的損失。

2.2 纖維增強再生混凝土凍融后的相對動彈性模量

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復摻再生混凝土不同凍融循環次數后的相對動彈性模量見圖2。

圖2 纖維增強再生混凝土不同凍融循環次數后的相對動彈性模量

由圖2 可見，隨著凍融循環次數的增加，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 次凍融循環時，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彈性模量平均值分別為82.60%、81.07%、83.88%；200 次凍融循環后，各組混凝土的相對動彈性模量平均值分別為72.83%、69.87%、66.10%。經歷250 次凍融循環時，各組試件相對動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。可以看出，摻入纖維可以減緩凍融后再生混凝土相對動彈性模量下降的速率，混雜纖維的作用效果更明顯。因為纖維發揮了阻裂、增強的作用，能有效降低了微裂縫的發展，增加混凝土的密實性，從而改善了再生混凝土的抗凍性能。復摻0.2%BF+2%SF 的再生混凝土經250 次凍融循環后相對動彈性模量為66.82%。

2.3 纖維增強再生混凝土凍融后的抗壓強度

單摻鋼纖維、玄武巖纖維以及2 種纖維復摻再生混凝土不同凍融循環次數后的抗壓強度見圖3。

圖3 纖維增強再生混凝土不同凍融循環次數后的抗壓強度

由圖3 可知，隨著凍融循環次數的增加，凍融損傷不斷增強，試件的抗壓強度均逐漸降低。0 次凍融循環時，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度分別平均提高了24.5%、12.9%、35.6%。經歷100 次凍融循環后，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，仍具有一定抗壓強度，試塊完整性較好。與未經凍融循環時相比，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度分別降低了40.1%、26.6%、28.2%、24.8%。復摻0.2%BF+2%SF的再生混凝土性經250 次凍融循環后抗壓強度為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部的微裂縫、孔隙和缺陷的產生和發展，極大地減弱了試件內部的應力集中，從而對減弱了凍融破壞的損傷，起到了增強作用。

3 結 論

(1)摻鋼纖維、玄武巖纖維纖維的再生混凝土質量損失率、相對動彈性模量、立方體抗壓強度均優于未摻纖維的普通再生混凝土。

(2)經凍融循環后，鋼纖維-玄武巖纖維再生混凝土的質量損失率更小、相對動彈性模量更大、立方體抗壓強度更高，即摻混雜纖維的再生混凝土抗凍性優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%復摻時再生混凝土的性能較優，250 次凍融循環后質量損失率為2.78%，相對動彈性模量為66.82%，抗壓強度為25.92 MPa。