剑麻纤维对废红砖建筑垃圾再生砖力学性能影响

陈俊雯， 唐 磊,2

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004；

2.广西建筑新能源与节能重点实验室， 广西 桂林 541004)

改革开放以来，随着人口增加和工业化、城市化进程加快，产生了大量的建筑垃圾。2020年我国年产建筑垃圾高达24亿 t，利用率不足10%，废弃粘土烧结砖在建筑垃圾中占比较大，约为总量的60 %[1]。常见的建筑垃圾处理方式为露天堆放和直接填埋，这使得大量空间被占用并对环境造成直接或间接的污染。采用废弃建筑垃圾加工制得而成的再生骨料替代天然砂石骨料进行资源化利用，既满足建筑业可持续发展的需要，又符合环境保护和生态文明建设的要求[2]。

对再生骨料制成的再生砖试验研究表明，再生砖能够获得较好的机械性能及热工性能[3]，但再生砖脆性特点明显，强度较低。植物纤维具有密度低、吸湿性好、耐摩擦、高比强度、高比模量、低热膨胀系数[4]等优点。剑麻纤维质地坚硬耐磨，具有很好的抗拉强度，并且耐盐酸、耐腐蚀，运用到再生砖中可以有效改善再生砖的抗拉强度、抗弯强度和韧性等力学性能指标[5]。

本文研究了不同掺量剑麻纤维再生砖的力学性能，并结合试样的SEM图分析机理，得到最佳配比。

1.1 试验参数与配合比

本试验以剑麻纤维的掺量为主要试验参数，设计制作4组共84个240 mm × 115 mm × 53 mm的废红砖建筑垃圾再生砖。从每组21个试件中选取7个试件，分别测量在3 d、7 d及28 d的标准养护后试件的抗压强度、抗折强度、吸水率、饱和系数、体积密度等，研究不同剑麻纤维掺量对建筑垃圾再生砖力学性能的影响；
同时，进行SEM观测，研究剑麻纤维再生砖的微观结构。以再生骨料取代率为100 %的再生混凝土配合比为基准配合比，剑麻纤维的掺量分别为0 kg/m3、1.5 kg/m3、3 kg/m3、4.5 kg/m3，如表1所示。

表1 材料配合比

1.2 材料来源与制备

水泥采用海螺P·O 32.5，粗骨料为破碎处理的建筑垃圾红砖，细骨料为破碎处理的建筑垃圾砂浆。先人工用锤进行破碎，分离出其他杂物，再用颚式破碎机进行二次破碎，过筛得到连续颗粒级配，获取本次试验骨料。本次试验粗骨料和细骨料的比例为6∶4，粒径分别为4.75～10 mm和0～4.75 mm，依据国家标准GB/T 14684—2001《建筑用砂》[6]和GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》[7]测得细骨料的含水率为2.2 %，24 h吸水率为30.2 %，坚固性为18.4 %，堆积密度和表观密度分别为880 kg/m3和2 143 kg/m3；
粗骨料的含水率为0.3 %，24 h吸水率为7.8 %，坚固性为0.6 %，堆积密度和表观密度分别为1 039 kg/m3和2 344 kg/m3，实物如图1所示。剑麻纤维是广西龙州强力麻业有限公司生产的剑麻成品，为消除植物纤维中半纤维素和木质素受水泥高碱侵蚀溶解的问题，对剑麻纤维进行碱液浸渍，将剪切成10～15 mm的剑麻短纤维在加入拌和物前，使用浓度为1%的NaOH溶液中浸泡1 h，如图2所示。

(a)细骨料 (b)粗骨料

(a)剪切后的剑麻纤维 (b)NaOH溶液浸渍的剑麻纤维

1.3 试验概况

本试验按照国家标准GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》[8]的要求，在3 000 kN电液伺服压力试验机上进行抗压试验。将同一块试样的两半截砖切断口相反叠放，叠合部分不得小于100 mm，以0.3 MPa/s加载速率对叠放试件进行加载，直至试件被破坏为止。进行抗折试验时，将试样大面平放在下支辊上，支辊的跨距为200 mm，试样两端面与下支辊的距离保持相同，当试样有裂缝或凹陷时使有裂缝或凹陷的大面朝下，以0.03 MPa/s的速度加载，直至试样断裂，试验加载实物如图3所示。进行体积密度、吸水率及饱和系数试验时，对试样依次进行干燥、浸泡、蒸煮等步骤，获得相关参数。

(a) 抗压试验 (b)抗折试验

2.1 试件破坏形态

再生砖的骨料来源决定了骨料自身的强度低于天然石材，破碎的过程加剧了内部裂缝的发展和损伤程度，试件破坏时，试件断面贯穿其中，骨料发生劈裂破坏。剑麻纤维掺量的变化对再生砖的破坏形态并未产生影响，本文剑麻纤维的长度较小(10～15 mm)，在破坏断面可以观察到均匀分布的红砖粗骨料，如图4所示。

图4 骨料破坏模式

2.2 剑麻纤维在砂浆中的微观形态

从微观结构可以发现，剑麻纤维与砂浆在接触界面能够较好地相互黏结，如图5所示。剑麻纤维与砂浆接触面的SEM分析图如图5(a)所示，中间为剑麻纤维，四周为水泥砂浆。由图5(a)可知，剑麻纤维被砂浆紧密包裹，整体性较好。主要原因是剑麻纤维属于亲水性材料[9]，较高的吸水率使包裹在附近的砂浆基体水分被吸收，导致这一区域水与水泥的质量比减小，固体颗粒之间的距离缩短，更易于水化产物C-S-H凝胶对该部分孔隙的填充，促进剑麻纤维与浆体的黏结；
同时在水泥水化过程中，剑麻纤维内部存贮的水分随水泥基材料内部相对湿度的变化而释放出来，对水泥基材料起到内养护的作用[10]。剑麻纤维与水泥基体紧密结合时，荷载在纤维与水泥基体之间传递，部分应力由高强度、高模量的纤维分担。随着荷载的增加，剑麻与水泥浆体受力发生不同程度变形。当纤维与水泥基体的承载能力达到极限或二者结合界面处粘结力不足时使得纤维脱离水泥，即基体构成破坏。再生砖破坏断面中剑麻端部被砂浆包裹，结合紧密，而沿剑麻纤维自身纤维束方向的剑麻纤维-浆体界面存在间隙，呈脱离状如图5(b)所示。

(a)剑麻纤维砂浆结合界面 (b)掺剑麻纤维试件破坏界面

为研究再生砖物理性能，依据国家标准GB/T 2542-2012《砌墙砖试验方法》要求获得相关参数，采用公式(1)～公式(4)分别计算试件的体积密度ρ、常温水浸泡24 h吸水率W24、沸煮3 h吸水率W3及饱和系数K。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为体积密度，kg/m3；
m0为试样干质量，kg；
ν为试样体积，m3；
w24为常温水浸泡24 h试样吸水率，%；
m24为试样浸水24 h的湿质量，kg；
W3为常温水浸泡3 h试样吸水率，%；
m3为试样浸水3 h的湿质量，kg；
K为试样饱和系数；
m24为常温水浸泡24 h试样湿质量，kg；
m5为试样煮沸5 h的湿质量，kg。

测试结果取平均值如表2所示。从表2中可以看出，再生砖的体积密度基本稳定，未发生较大幅度变化。吸水率随着剑麻纤维掺量的增加有所增长，但增长幅度较小。以28 d常温24 h吸水率为例，当掺入纤维量为1.5 kg/m3、3 kg/m3及4.5 kg/m3时，吸水率增长幅度分别为15.4 %、28.1 %及21.5 %。风化作用会使再生砖产生裂纹、剥蚀、破碎、脱落等现象。饱和系数为砖的抗风化性能合格数值，良好的抗风化性能保证砖材料不会因裸露在大气之中而影响寿命。表2中数据显示，建筑垃圾废红砖再生砖的饱和系数未能满足规范中对抗风化的要求，均大于0.85，这说明试件内部连通孔隙数量较多，而掺加剑麻纤维对其改善效果欠佳，需要进一步改进。

表2 再生砖物理性能

续表2 再生砖物理性能

4.1 抗压性能

剑麻纤维对再生砖抗压强度的影响如图6所示。随着养护龄期的延长，各组再生砖的抗压强度在前期增长幅度较小， 7 d后，再生砖的抗压强度增长幅度变大。随着剑麻纤维掺量的增加，再生砖抗压强度总体呈下降趋势，当掺量为3 kg/m3，强度降低幅度较小。剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，3 d抗压强度增长率为正值，其余组增长率均为负值，表现出强度损失。当剑麻纤维掺量为1.5 kg/m3时，剑麻纤维再生砖3 d、7 d和28 d抗压强度平均值比无剑麻纤维掺量的再生砖分别降低8 %、19 %和16 %；
剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，剑麻纤维再生砖3 d抗压强度平均值比无剑麻纤维掺量的再生砖提高11 %，7 d和28 d抗压强度平均值分别降低1 %和8 %；
剑麻纤维掺量为4.5 kg/m3时，再生砖3 d、7 d和28 d抗压强度平均值比无剑麻纤维掺量的再生砖分别降低3 %、15 %和21 %；
其中， 3 d、7 d和28 d的抗压强度增长率均在掺量为3 kg/m3时，剑麻纤维再生砖与无剑麻纤维掺量再生砖的抗压强度差异最小，强度并未随掺量的增长呈线性变化。这种非线性影响一方面是掺入的剑麻纤维与水泥基体紧密结合，抑制再生砖内微裂缝发展对抗压强度产生增强作用；
另一方面是，剑麻纤维在水泥水化过程中因其亲水性和吸水性，减弱了水泥泌水现象，多余的水分在水泥体内增加了孔洞的数量，使得再生砖体内原生裂缝增多，从而降低了抗压强度。

(a)抗压强度变化 (b)抗压强度增长率变化

4.2 抗折性能

废红砖建筑垃圾再生砖抗折强度在养护周期内的变化如图7(a)所示。各组再生砖的抗折强度在前期增长幅度较大，而超过7 d，再生砖的抗折强度增长幅度变小；
随着剑麻纤维的掺入，再生砖的抗折强度得到提升，其中当剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，出现抗折强度最大值，为3.29 MPa。与无剑麻纤维掺量的再生砖相比，剑麻纤维掺量为1.5 kg/m3时，剑麻纤维再生砖抗折强度在3 d、7 d及28 d的增长率分别为14 %、3 %和6 %；
剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，3 d、7 d及28 d的增长率分别为28 %、22 %和15%；
继续增加掺量为4.5 kg/m3时，剑麻纤维再生砖抗折强度在3 d、7 d及28 d的增长率依次为9 %、1 %和13 %；
可以发现增长率随龄期增长而降低，但始终在剑麻掺量为3 kg/m3时拥有最大值。这说明，剑麻纤维对再生砖的抗折强度有增强作用，且在掺量为3 kg/m3时效果最为明显。其原因主要与剑麻纤维抑制试件内裂缝的扩展有关，剑麻纤维与水泥基体紧密结合时能够分担基体所受的部分拉力，在产生裂缝时有效地连接分裂界面，抑制了裂缝的形成和发展，从而增强了基体的抗折性能。而随着养护龄期的增长，试件弹性模量变大，达到变形破坏的所需荷载增大，此时，剑麻纤维的阻裂作用不再明显[11]。

剑麻纤维对力学性能的影响并不是单向的，剑麻纤维的吸水性、亲水性可以在水泥水化过程中促进基体材料间的致密性和整体性，并对细微裂缝的发展有抑制作用；
但同时剑麻纤维的掺加，其不均匀分布及吸水收缩后的体积会构成机体内薄弱界面，增加内部孔隙与缺陷，因而剑麻纤维对强度的增强与减强存在一个平衡。综合本文试验结果，可以得出当剑麻纤维长度为10～15 mm时，对低强度的废红砖建筑垃圾再生砖产生优化作用的最佳掺量为3 kg/m3，在此基础上继续增大掺量，将会使得纤维间距增大，砂浆的孔隙率逐渐增大，对强度的增强效果降低。

(a)抗折强度变化 (b)抗折强度增长率变化

试验对力学性能与剑麻纤维掺量的相关性进行了初步拟合，其结果图8和如表3所示。以28 d抗压强度、抗折强度的拟合表达式进行修正，分别得到式(5)、式(6)；
并与相关试验数据进行对比，如图9所示(1-28 d、2-28 d、3-28 d分别为引用文献[12]、文献[13]、文献[9]数据，1-28 d*、2-28 d*、3-28 d*为对应拟合数值结果)。本文提出的抗压强度与剑麻纤维掺量关系的拟合结果与试验数据对比吻合较好，能够较好地描述剑麻纤维掺量对水泥材料抗压强度的关系，抗折强度拟合结果与实际值仍存在一定偏差。有关剑麻纤维复合材料性能的影响因素较多，拟合公式还有待试验进一步完善。

(a)抗压强度拟合曲线 (b)抗折强度拟合曲线

力学性能养护周期 /d拟合表达式(0≤x≤4.5)R2抗压强度3y=7.943-2.127 2x+1.478 5x2-0.223 7x317y=9.212-3.816 1x+2.259 1x2-0.330 7x3128y=13.487-3.922 8x+2.093 7x2-0.302 5x31抗折强度3y=1.842 8+0.022 3x+0.142 2x2-0.030 8x317y=2.496 3-0.420 9x+0.417 1x2-0.071 6x3128y=2.862 8+0.007 6x+0.100 2x2-0.018 6x31

y=2.862 8+0.007 6x+0.100 2x2-0.018 6x3+z(0≤x≤4.5)

(5)

y=13.487-3.922 8x+2.093 7x2-0.302 5x3+z(0≤x≤4.5)

(6)

z=y*-y0

(7)

式中：z为修正参数；
y*为x=0时，拟合公式所得结果；
y0为x=0时，试验数据所得结果。

(a)抗压强度拟合对比 (b)抗折强度拟合对比

(1)废红砖建筑垃圾再生砖破坏时，骨料强度低，在加载破坏断面中，发生劈裂破坏，在微观形态中，剑麻纤维与砂浆在结合界面处能够良好地黏结，进行荷载的传递。

(2)废红砖建筑垃圾再生砖物理性能欠佳，剑麻纤维的掺入未能对其进行有效改善，对于骨料的取材和处理需要进一步改善。

(3)掺入了剑麻纤维的废红砖建筑垃圾再生砖，其抗压强度降低、抗折强度提升，废红砖建筑垃圾再生砖进行优化的最佳剑麻掺量为3 kg/m3，其28 d抗压强度降低8 %、抗折强度提升14.9 %。

(4)剑麻纤维掺量对水泥材料抗压强度的关系拟合公式与试验数据对比吻合较好，为剑麻纤维复合水泥材料的应用提供参考。