牛孟鍇

（長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，隨之帶來(lái)的還有大量的廢棄玻璃，目前對(duì)其的主要處理方式是填埋，但這種方式會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此做了許多研究，研究其宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化[1-4]。然而鋼化玻璃處理成鋼化顆粒時(shí)，顆粒為表面較光滑的鈍角碎小顆粒，用其代替混凝土中的粗骨料可能會(huì)造成因鋼化玻璃顆粒與水泥砂漿粘結(jié)性較差而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能降低。

聚乙烯（PE）纖維可以有效阻礙混凝土的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土中摻入纖維可以提高其劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能，對(duì)混凝土抗凍性、抗?jié)B性等也有不同程度的改善。為了解決鋼化玻璃骨料混凝土的缺陷，文章提出在鋼化玻璃骨料混凝土中摻入聚乙烯纖維來(lái)改善力學(xué)性能。但經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯纖維玻璃骨料混凝土中的水泥漿會(huì)將玻璃骨料完全包裹，從而不能達(dá)到透光的試驗(yàn)?zāi)康?，為此急需一種材料作為鋼化玻璃渣的基材來(lái)制備透光混凝土。

混凝土帆布（Concrete Canvas,以下簡(jiǎn)稱CC）作為一種織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，最早由兩位英國(guó)學(xué)生提出，其與普通混凝土相比，省去了攪拌和養(yǎng)護(hù)的過(guò)程，能夠較快地用于工程中。因其具有方便儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施工方便、節(jié)省時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于帳篷制備、外灘襯里、溝渠襯砌、邊坡防護(hù)、混凝土修復(fù)等方面。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 CC國(guó)外研究現(xiàn)狀

CC在國(guó)外研究較為成熟，已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際工程中。2010年2月3日英國(guó)南威爾士教堂村公路，經(jīng)過(guò)環(huán)境署批準(zhǔn)，公路旁的排水溝采用CC襯里。其優(yōu)勢(shì)是施工速度快、成本低、經(jīng)久耐用、與環(huán)境相容。2010年8月19日南非海德堡南非高登到卡祖魯納塔爾的燃油管道，由于管溝多石塊，現(xiàn)場(chǎng)焊縫用混CC快速保護(hù)，防止下溝回填時(shí)損傷。CC性質(zhì)柔軟，適合彎頭等形狀特殊的部位防護(hù)。管道穿越濕地時(shí)，CC起到負(fù)浮力加重層作用，防止聚氯乙烯管道漂浮。

1.2 CC國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

劉放[5]和楊先碧[6]介紹了國(guó)外使用CC制作帳篷的過(guò)程及優(yōu)勢(shì)，指出CC作為固定性的結(jié)構(gòu)可以在任何地方架設(shè)建造，兩個(gè)人工作1h就可完工，凝結(jié)則需要1d的時(shí)間。曹鵬[7]研究了CC帳篷的組成、構(gòu)造和性能，對(duì)帆布內(nèi)水泥基材料的配合比進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)CC的抗沖擊性、耐磨性、防火性進(jìn)行測(cè)定，利用有限元分析了帳篷的結(jié)構(gòu)特性。

2 研究目的

目前混凝土已不再局限于滿足單純的建筑材料的基本功能需要，而對(duì)其環(huán)保節(jié)能、藝術(shù)美學(xué)提出了更高層次的要求。本研究擬采用廢舊鋼化玻璃珠填充入混凝土帆布，制成透光混凝土帆布，賦予混凝土帆布透光的新定義，并能實(shí)現(xiàn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展。

3 制備工藝

3.1 3D網(wǎng)布

選用SF0520型3D網(wǎng)布，網(wǎng)布規(guī)格尺寸如圖1所示。

圖1 3D網(wǎng)布規(guī)格尺寸

3.2 水泥

硫鋁酸鹽水泥具有快硬性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d的強(qiáng)度可達(dá)3d強(qiáng)度的70%～85%[8]。故試驗(yàn)選用425硫鋁酸鹽水泥，水泥的性能指標(biāo)如表1所示。

4 試件制作

將大卷3D網(wǎng)布裁成500mm×650mm的矩形，3D網(wǎng)布厚度為15mm。將鋼化玻璃敲碎成粒徑為5～10mm的玻璃珠。根據(jù)網(wǎng)布大小打印相應(yīng)的字體，將字體剪下并在網(wǎng)布上描出其輪廓，剪去字體上層面布及內(nèi)部纖維絲，剪完后如圖2所示。接著灌入水泥粉，將快硬水泥粉拍入3D網(wǎng)布中，并用混凝土振動(dòng)器搗實(shí)，以待使用。在灌好水泥粉的帆布上灑水，直到帆布背面浸濕，且沒有多余的水分流出為止，使3D網(wǎng)布中的水泥粉充分水化，然后放入自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。待混凝土帆布硬化后放入鋼化玻璃珠，平整后用502膠水封裝，如圖3所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

圖2 字體刻繪后的3D網(wǎng)布

圖3 玻璃珠封裝后的混凝土帆布

5 試驗(yàn)研究

5.1 透光實(shí)驗(yàn)

固定光源與試件的距離一定，對(duì)每個(gè)字體進(jìn)行了透光測(cè)試。經(jīng)過(guò)施加光源，每個(gè)字體正面和其他角度的透光性均良好，透光效果如圖4所示，進(jìn)一步說(shuō)明透光混凝土帆布可以降低在透過(guò)可見光方面對(duì)光能需求帶來(lái)的能源損耗。

圖4 透光混凝土帆布效果圖

5.2 力學(xué)性能及耐久性

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，CC在1d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度較高，能夠達(dá)到3d齡期的60%以上；3d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度有大幅度增長(zhǎng)，基本達(dá)到28d齡期的80%左右；到達(dá)28d齡期，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照《建筑砂漿試驗(yàn)》（JCJ/T 70—2009）中有關(guān)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，抗折強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fb為CC抗折強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；L為兩個(gè)支點(diǎn)的間距，mm；b為棱柱體截面的寬度，mm；h為棱柱體截面的高度，mm。

從破壞現(xiàn)象可以看出纖維的存在使得試塊雖出現(xiàn)較大的裂縫，部分纖維外露，但并未出現(xiàn)斷裂，這說(shuō)明纖維在CC試塊中起到了很好的搭接作用。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3d抗折強(qiáng)度能達(dá)到28d抗折強(qiáng)度的95%以上，7d和28d抗折強(qiáng)度變化不大。

由于CC之間的纖維是豎向分布的，與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的方向一致，在試驗(yàn)過(guò)程中，纖維受到壓力，出現(xiàn)彎曲變形，會(huì)破壞纖維—漿體界面。同時(shí)，CC厚度僅為20mm，只有標(biāo)準(zhǔn)水泥凈漿試塊厚度（100mm）的1/5，這些因素都會(huì)造成CC試塊的抗折強(qiáng)度偏低。

快速硫化試驗(yàn)中的SO2類似于CO2，其研究具有相通之處[9]。參照文獻(xiàn)[10]，該試驗(yàn)硫化濃度確定為1‰。有關(guān)研究表明，試驗(yàn)溫度控制在20～30℃是比較理想的情況，同時(shí)有文獻(xiàn)指出，腐蝕環(huán)境的濕度對(duì)混凝土硫化的影響近似服從正態(tài)分布，當(dāng)濕度達(dá)到80%時(shí)，硫化最快，最有利于SO2對(duì)混凝土的腐蝕[11]。故該試驗(yàn)選取溫度為（25±1）℃，濕度為（80±1）%的條件進(jìn)行硫化試驗(yàn)。

CC在各齡期時(shí)的平均硫化深度計(jì)算按如下公式計(jì)算，計(jì)算精度精確至0.01mm。

式中：dt為CC硫化td后的平均硫化深度，mm；di為各測(cè)點(diǎn)的硫化深度，mm；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 硫化深度試驗(yàn)結(jié)果

5.3 微觀性能

此部分采用掃描電鏡（SEM）重點(diǎn)觀察水泥在各齡期水化產(chǎn)物變化情況和纖維-漿體界面過(guò)渡區(qū)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)特征，在微觀層面上闡述水泥及3D網(wǎng)布中豎向纖維對(duì)混凝土帆布的性能影響。CC在3d、7d、28d齡期時(shí)的形貌特征如圖5所示。

由圖5可知，CC在3d齡期時(shí)，通過(guò)SEM電鏡掃描可以發(fā)現(xiàn)試樣中微小的裂紋比較多，這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥在水化反應(yīng)前期，生成產(chǎn)物以鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）為主，鈣礬石具有一定的膨脹性，造成水泥漿體出現(xiàn)裂紋。CC在到達(dá)7d齡期，鈣礬石大量生成，同時(shí)，由于鋁膠（Al2O3·3H2O）和水化硅酸鈣凝膠（C-S-H凝膠）的生成，在水泥漿體中均勻分布，對(duì)不斷發(fā)展著的水泥石結(jié)構(gòu)起著極為重要的膠凝和塑性襯墊作用，能夠不斷填充由鈣礬石膨脹產(chǎn)生的裂紋，從而保證了水泥石在不斷發(fā)展的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下具有較大的變形能力[12]。CC在28d齡期時(shí)，水化氧化鋁凝膠和C-S-H凝膠為主要生成物，呈現(xiàn)顆粒狀和皺箔狀。CC在28d齡期時(shí)的纖維-漿體界面微觀形貌如圖6所示。

圖5 CC在3d、7d、28d齡期時(shí)的形貌特征

由圖6可以看出，CC養(yǎng)護(hù)到28d齡期后，纖維與漿體均能夠很好地黏結(jié)在一起，使得水泥漿體與纖維能夠構(gòu)成穩(wěn)固的空間結(jié)構(gòu)，也使得混凝土帆布具有一定的韌性，提高了混凝土帆布的基本力學(xué)強(qiáng)度。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)、硫化試驗(yàn)及微觀分析后發(fā)現(xiàn)CC抗硫化侵蝕效果良好，CC反應(yīng)后期漿體界面和纖維-漿體界面結(jié)合較為密實(shí)。目前研究人員對(duì)于該類基于鋼化玻璃骨料透光混凝土帆布的制備工藝、力學(xué)性能及微觀機(jī)理等進(jìn)行了初步研究，并取得了一定進(jìn)展。但對(duì)如何高效批量生產(chǎn)，如何進(jìn)一步提高該混凝土的強(qiáng)度耐久性、玻璃用量以及玻璃強(qiáng)度對(duì)混凝土帆布的性能有何影響等問(wèn)題還需要進(jìn)一步探索。透光混凝土帆布作為一種對(duì)混凝土帆布的新型擴(kuò)展，結(jié)合了混凝土帆布和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用于裝飾背景墻，還可以拓展應(yīng)用于路面材料、商店門墊等。它不僅是對(duì)建筑材料的擴(kuò)充，更是對(duì)可持續(xù)發(fā)展的最好詮釋。

圖6 CC在28d齡期時(shí)的纖維-漿體界面微觀形貌