摘 要：通过混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度试验，研究不同掺量的玻璃粉（5%、10%、15%、20%）替代水泥及复掺不同掺量的剑麻纤维（0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3）对混凝土力学性能的影响，分析得出最佳的玻璃粉和剑麻纤维掺量。试验结果表明：玻璃粉和剑麻纤维协同使用对混凝土的抗压强度影响较小，当玻璃粉的掺量为10%～15%，剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时可以显著提高混凝土的抗折强度及劈裂抗拉强度，掺入玻璃粉在一定程度上可降低混凝土的力学性能，而掺入适量的剑麻纤维则可以改善玻璃粉混凝土的力学性能。
关键词：剑麻纤维；玻璃粉；混凝土；力学性能
随着经济社会的高质量发展，新型基础设施建设对混凝土的需求不断增加。水泥是制备混凝土重要的材料之一。根据资料显示，2020年我国水泥的产量为2.4×109t，占全球水泥总产量一半以上[1]。而生产水泥需要消耗大量的矿料和能源，同时伴随着CO2的排放，制备水泥所产生的二氧化碳排放量约占世界总排放量的8%～10%[2-3]。为了解决生产水泥带来的能源消耗和环境污染问题，掺入矿物材料作为辅助胶凝材料，减少硅酸盐水泥熟料用量，成为行之有效的方法[4]。根据资料显示，2019年，我国产生废玻璃约2×107t，回收利用率为46.2%，大部分废弃玻璃主要处理方式是填埋[5]。为了提高废弃玻璃的利用率，同时减少其对环境的污染，学者们将废弃玻璃作为辅助胶凝材料代替水泥。杨震樱等[6]研究表明，混凝土的力学性能随着玻璃粉掺量的增加呈现出先增后减的趋势，其结论与众多国内外研究学者[7-11]的结论一致。柯国军等[12]研究表明，掺入玻璃粉会降低混凝土的抗拉强度。Anama-falda等[13]研究表明，用玻璃粉替代水泥制备砂浆，一定程度上可以降低其抗压强度和抗弯强度。
剑麻纤维具有韧性足、弹性高、抗弯及抗拉能力强等特点，常将其添加到混凝土中用以提升混凝土的力学性能。王磊等[14]通过试验研究表明，掺入3.5kg/m3的剑麻纤维可以显著提高珊瑚混凝土的抗折强度及劈裂抗拉强度，有效改善了珊瑚混凝土的脆性。De andrade silva等[15]研究表明，剑麻纤维在试块裂缝间起到了一定的桥接作用，从而改善了混凝土受拉易断裂的特性，提高了混凝土的抗拉、抗弯等力学性能。董健苗等[16-17]研究表明，在混凝土中掺入一定量的剑麻纤维可以相应地提升混凝土的抗拉强度和耐久性。
针对玻璃粉混凝土存在的上述力学性能欠佳的问题，本试验的目的在于通过掺入剑麻纤维以提高混凝土力学性能，研究不同掺量玻璃粉替代水泥及复掺不同掺量剑麻纤维对混凝土力学性能的影响，确定最佳剑麻纤维掺量和最佳玻璃粉掺量，为进一步研究剑麻纤维与玻璃粉对混凝土的力学性能及其他性能的影响提供参考。
1试验
1.1原材料
水泥为桂林海螺水泥生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。玻璃粉：本地废品回收站收购的棕色啤酒瓶，经过清洗除污、晾干，通过初次人工破碎后放入鄂式破碎机进行二次破碎，用粒径为1mm的筛盘将细小的玻璃颗粒进行筛分，将小于1mm的玻璃颗粒投入球磨机中，球磨时间设置为35min，球磨后的玻璃粉粒径大小相差不大。剑麻纤维选用广西龙州强力麻业有限公司生产的剑麻纤维，用剪刀剪成长度为10～15mm的短剑麻后，用质量分数为1%的NaOH溶液浸泡30min，清洗去渍晾干。水泥和玻璃粉的化学成分如表1所示。细骨料为河砂，粗骨料为5～16mm连续级配碎石。玻璃粉和用NaOH溶液浸泡后的剑麻纤维分别如图1、图2所示。
表1 水泥和玻璃粉的化学成分质量分数
图1 玻璃粉
图2 剑麻纤维
1.2试验配合比
本研究采用的配合比如表2所示，其中GP代表玻璃粉，其后面的数字代表掺量，如GP5、GP10、GP15、GP20分别表示玻璃粉的掺量依次为5%、10%、15%、20%（质量分数）。SF代表剑麻纤维，其后面的数字代表掺量，如SF0、SF1.5、SF3.0、SF4.5分别表示剑麻纤维的掺量为0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3。GP0SF0表示普通混凝土，GP5SF0表示玻璃粉掺量为5%及复掺为0的剑麻纤维混凝土，以此类推。
表2 混凝土配合比
1.3试验方法
依据表2混凝土配合比，制成100mm×100mm×100mm非标准立方体抗压试块、100mm×100mm×400mm非标准棱柱体抗折试块以及150mm×150mm×150mm标准的立方体劈裂抗拉试块。试块浇筑成型1d后拆模，待混凝土试块养护至28d时参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019）[18]对剑麻纤维玻璃粉混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度进行测定。将立方体抗压强度的加载速度设置为0.50MPa/s。由于采用的是非标准试块，因此抗压强度值应乘以换算系数0.95。因为对应的立方体抗压强度为30～60MPa，所以将抗折强度的加载速度设置为0.05MPa/s。由于其采用的是非标准试块，因此抗折强度值应乘以换算系数0.85。因为对应的立方体抗压强度为30～60MPa，劈裂抗拉强度测定时加载速度设置为0.05MPa/s。由于其采用的是标准试块，因此劈裂抗拉强度值不用乘以换算系数。
2试验结果与分析
2.1抗压强度
在进行抗压强度试验时，普通混凝土与剑麻纤维-玻璃粉混凝土两者的破坏形态是有区别的。图3为普通混凝土抗压破坏形态图，图4为剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压破坏形态图。结合图3、图4可知，普通混凝土在受到向下的荷载作用时，试块两侧边产生竖向微小裂缝，随着荷载逐渐增加，试块表面有剥落且中间开始产生裂缝，两侧边和中间的裂缝不断扩展直至试块完全破环。剑麻纤维-玻璃粉混凝土在受压破坏过程中产生的裂缝比普通混凝土稍多，这也是其抗压强度比普通混凝土略低的外在表现。
图3 普通混凝土抗压破坏形态
图4 剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压破坏形态
剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压强度测试结果如图5所示，单掺玻璃粉的掺量为5%、10%、15%、20%时对应混凝土的抗压强度为44.51MPa、45.23MPa、47.81MPa、46.05MPa，与普通混凝土相比分别降低了10.6%、9.2%、4.0%、7.5%，整体上呈现出先升高后降低的趋势。当玻璃粉的掺量为15%时，复掺0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3的剑麻纤维，对应剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗压强度分别为47.81MPa、48.32MPa、48.81MPa、47.56MPa。当剑麻纤维的掺量为3.0kg/m3时，其抗压强度达到最大值，此时剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗压强度接近于普通混凝土。当玻璃粉的掺量为5%、10%、15%，复掺不同掺量的剑麻纤维时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗压强度呈上升趋势；但是，当玻璃粉掺量为20%，复掺不同掺量的剑麻纤维时，其抗压强度呈下降趋势。
图5 （网络版彩图）剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压强度变化曲线
综上所述，玻璃粉的化学成分中主要以SiO2为主，大量的SiO2使玻璃粉具有火山灰性，玻璃粉粒径研磨越小，火山灰性就越强[19]。研究表明，掺入适量的玻璃粉可以促进与水泥的水化产物（CH）进行二次水化反应，生成更多的C—S—H凝胶[20-21]。但是，当玻璃粉掺量过多时，水泥含量变少，使得水泥水化产生的CH含量降低，导致参与“二次水化”反应所需的玻璃粉含量减少，这很大程度上削弱了混凝土微观结构的密实度，从而导致抗压强度降低[6]。由此可知，对于其抗压强度而言，当玻璃粉的掺量为5%～15%时，玻璃粉与水泥的水化产物（CH）进行二次水化反应生成较多的C—S—H凝胶，填充了混凝土内部的孔隙，使得混凝土内部的密实度进一步提高。随着玻璃粉的掺量逐渐增加，水泥的含量减少，水泥的水化产物（CH）也随之减少，因此，削弱了二次水化反应生成的水化硅酸钙（C—S—H）和水化铝酸钙，导致抗压强度降低。因此，玻璃粉的掺量宜控制在5%～15%。将剑麻纤维掺入混凝土中对其强度的影响具体体现在两方面：一方面，掺入适量的剑麻纤维可以有效抑制细微裂缝发展，提高混凝土强度；另一方面，掺入过量的剑麻纤维会造成剑麻纤维成团或者打结，从而增加试块中的孔隙，形成混凝土破坏的薄弱环节，导致其强度降低[22]。当剑麻纤维掺量为0～3.0kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压强度有所增加且呈上升趋势；当剑麻纤维掺量继续增加，剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗压强度呈下降趋势。因此，剑麻纤维的掺量宜控制在0～3.0kg/m3。
2.2抗折强度
在进行抗折强度试验时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土和普通混凝土的破坏形态有着明显的区别。图6为普通混凝土抗折破坏形态。由图6可知，当受到集中向下的荷载作用时，普通混凝土试块先是在跨中区底部产生裂缝，随着荷载逐渐增加，裂缝沿着纵向延伸发展直至试块完全破坏，达到极限承载力时，普通混凝土试块直接破坏成两截是属于脆性破坏。图7为剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗折破坏形态图。由图7可知，在达到极限承载力时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土并未断裂成两截，剑麻纤维起到良好的桥接作用。
图6 普通混凝土抗折破坏形态
图7 剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗折破坏形态
剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗折强度测试结果如图8所示，单掺玻璃粉的掺量为5%、10%、15%、20%时对应混凝土的抗折强度分别为5.49MPa、6.07MPa、5.51MPa、5.95MPa。当玻璃粉掺量为10%，复掺0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3的剑麻纤维时，其抗折强度与普通混凝土相比分别提高了11.6%、18.5%、15.3%、11.8%，呈现出先升高后降低的趋势，且剑麻纤维掺量为1.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗折强度达到最大值为6.45MPa。当玻璃粉掺量为15%，剑麻纤维掺量为0时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗折强度最小，为5.51MPa。当玻璃粉的掺量为5%和10%时，复掺不同掺量的剑麻纤维，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗折强度呈上升趋势；但是，当玻璃粉掺量为15%和20%，复掺不同掺量的剑麻纤维时，其抗折强度呈下降趋势。由此可知，对于剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗折强度而言，玻璃粉的掺量宜控制在5%～10%，剑麻纤维的掺量宜控制在1.5～3.0kg/m3。
图8（网络版彩图）剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗折强度变化曲线
综上所述，当玻璃粉掺量为5%～10%时，少量的玻璃粉与其他材料混合均匀，使得试块内部的孔隙与微裂缝减少[23]。当剑麻纤维的掺量在1.5～3.0kg/m3时，有利于剑麻纤维提高其抗折强度。这是因为在剑麻纤维-玻璃粉混凝土受抗折破坏时，合适掺量的剑麻纤维在断裂缝两侧起到良好的拉伸作用，可有效缩减断面之间的距离，避免进一步破坏混凝土试块。
2.3劈裂抗拉强度
图9为普通混凝土的劈裂抗拉破坏形态图，图10为剑麻纤维-玻璃粉混凝土的劈裂抗拉破坏形态图。结合图9、图10可知，普通混凝土试块在劈裂抗拉夹具夹紧状态下，受到集中向下的荷载作用时，试块的顶面和底面产生细小的裂缝，在达到极限承载力时，普通混凝土试块劈裂成两半。而剑麻纤维-玻璃粉混凝土在达到极限承载力时，试件并未断裂成两半，而是在试块中部产生一条深裂缝，剑麻纤维承受一部分拉荷载，起到一定的拉伸作用。
图9 普通混凝土劈裂抗拉破坏形态
图10 剑麻纤维-玻璃粉混凝土劈裂抗拉破坏形态
图11为剑麻纤维-玻璃粉混凝土劈裂抗拉强度变化曲线图。如图11所示，单掺玻璃粉的掺量为5%、10%、15%、20%时，对应混凝土的劈裂抗拉强度分别为3.35MPa、3.55MPa、3.72MPa、3.66MPa，呈现出先增后减的趋势。当玻璃粉掺量为15%时，复掺0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3的剑麻纤维，其劈裂抗拉强度与普通混凝土相比分别上升了6.0%、9.4%、8.3%、7.4%。剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时，其劈裂抗拉强度达到了最大值，为3.84MPa。当玻璃粉的掺量为20%，复掺剑麻纤维的掺量为4.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的劈裂抗拉强度为最小值，为3.25MPa，比普通混凝土降低了7.4%。当玻璃粉的掺量分别为5%、10%、15%，复掺不同掺量的剑麻纤维时，其劈裂抗拉强度呈上升趋势；当玻璃粉的掺量为20%，复掺不同掺量的剑麻纤维时，其劈裂抗拉强度呈下降趋势。由此可知，对剑麻纤维-玻璃粉的混凝土劈裂抗拉强度而言，玻璃粉的掺量宜控制在5%～15%，剑麻纤维的掺量宜控制在1.5～3.0kg/m3。
图11（网络版彩图）剑麻纤维-玻璃粉混凝土劈裂抗拉强度变化曲线
综上所述，当玻璃粉的掺量为5%～15%时，适量的玻璃粉与其他材料均匀混合能促进水化反应，且少部分未参与水化反应的玻璃粉起到微集料填充的作用，使试块内部密实，在一定程度上提高混凝土的强度。由于玻璃粉颗粒具有多棱角的特性，随着玻璃粉的增加，一定程度上减弱骨料与基体之间的咬合力和黏结效果，导致其劈裂抗拉强度逐渐下降。当剑麻纤维的掺量为1.5～3.0kg/m3时，剑麻纤维承担了部分拉荷载，延缓裂缝扩展。随着荷载不断增加，剑麻纤维在试块折断前承受了横截面的荷载作用，增强了混凝土的抗拉强度。而随着剑麻纤维掺量逐渐增加，剑麻纤维在混凝土中难以均匀分布，容易产生应力集中等现象，减弱了剑麻纤维的强化、增韧效果[24]。
2.4压折比
混凝土的压折比是混凝土的抗压强度与抗折强度的比值。在工程中，压折比一方面用来衡量混凝土的抗变形性能，另一方面用来衡量混凝土的脆性。压折比越低混凝土的脆性越小，抗变形性能越高，反之亦然。从图12可以看出，普通混凝土的压折比最高为9.15，当单掺玻璃粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%时，混凝土的压折比呈现先减后增的趋势。当玻璃粉的掺量一定，复掺不同掺量的剑麻纤维时，混凝土的压折比同样呈现出先下降后升高的趋势，但总体上比普通混凝土低，且当玻璃粉的掺量为10%，复掺剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时，混凝土的压折比最低为7.18，与普通混凝土相比降低了21.5%。压折比的降低表明了玻璃粉和剑麻纤维的掺入在一定程度上提高了混凝土的抗变形能力，有效改善了普通混凝土的脆性。
图12（网络版彩图）剑麻纤维和玻璃粉对混凝土压折比的影响
2.5压拉比
混凝土的压拉比是混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度的比值。压拉比通常用来衡量混凝土的抗裂性，压拉比越小，混凝土的抗裂能力就越强，韧性越大。不同掺量的玻璃粉及复掺不同掺量的剑麻纤维的混凝土的压拉比如图13所示，普通混凝土的压拉比最高为14.19，当单掺玻璃粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%时，对应的混凝土的压折比为13.29、12.74、12.85、12.58。当玻璃粉的掺量一定，复掺不同掺量的剑麻纤维时，混凝土的压拉比呈现逐渐下降的趋势，总体上比普通混凝土低，且当玻璃粉的掺量为15%，复掺剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时，混凝土的压拉比最低为12.57，与普通混凝土相比降低了11.42%。玻璃粉和剑麻纤维的掺入进一步降低了混凝土的压拉比，提高了混凝土的抗裂能力，具有良好的增韧效果。
图13 （网络版彩图）剑麻纤维和玻璃粉对混凝土压拉比的影响
3结论
1）当玻璃粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%，复掺剑麻纤维掺量为0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗压强度得到提高，但增加幅度小。玻璃粉的掺量为15%，复掺剑麻纤维的掺量为3.0kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的强度最高且接近于普通混凝土。
2）当玻璃粉掺量为5%、10%、15%、20%，复掺剑麻纤维掺量为0、1.5kg/m3、3.0kg/m3、4.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的抗折强度呈现先升高后降低的趋势，且玻璃粉掺量为10%，复掺剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土抗折强度最高，比普通混凝土提高了18.5%。
3）剑麻纤维-玻璃粉混凝土的劈裂抗拉强度变化趋势与抗折强度相似，当玻璃粉的掺量为15%，复掺剑麻纤维的掺量为1.5kg/m3时，剑麻纤维-玻璃粉混凝土的劈裂抗拉强度最高，与普通混凝土相比提高了9.4%。
参考文献
[1]贺晋瑜，何捷，王郁涛，等.中国水泥行业二氧化碳排放达峰路径研究[J].环境科学研究，2022，35（2）：347-355.
[2]PRAKASH CHANDAR S， SANTHOSH R. Partial re-placement of cement with alternative cementitious mate-rial in the production of concrete： a review[J]. Materials Today： Proceedings， 2022，68：2421-2426.
[3]LEE H， HANIF A， USMAN M， et al. Performance evaluation of concrete incorporating glass powder and glass sludge wastes as supplementary cementing material[J]. Journal of Cleaner Production，2018，170：683-693.
[4]刘数华，冷发光，李丽华.混凝土辅助胶凝材料[M].北京：中国建材工业出版社，2010.
[5]柳晓燕，朱芬芬，赵冰.中国玻璃物质流分析和未来需求预测研究[J].中国环境科学，2022，42（5）：2464-2470.
[6]杨震樱，周长顺.玻璃粉对再生混凝土力学性能的影响[J].硅酸盐通报，2020，39（12）：3874-3880.
[7]樊磊，刘光焰，卢瑞阳，等.玻璃粉粒度对复合胶凝材料性能的影响[J].硅酸盐通报，2017，36（1）：180-185.
[8]HE P P，POON C S，TSANG D C W．Comparison of glass powder and pulverized fuel ash for improving the water resistance of magnesium oxychloride cement[J]. Ce-ment and Concrete Composites，2018，86：98-109．
[9]刘光焰，樊磊，金大智，等.纳米二氧化硅对玻璃粉水泥体系水化硬化的影响[J].硅酸盐通报，2017，36（6）：2112-2116.
[10]OMRAN A F， MORIN E D， HARBEC D， et al. Long-term performance of glass-powder concrete in large-scale field applications[J]. Construction and Build-ing Materials，2017，135（15）：43-58.
[11]SOLIMAN N A，TAGNIT-HAMOU A．Development of ultra-high-performance concrete using glass powderTowards ecofriendly concrete[J]. Construction and Building Materials，2016，125： 600-612．
[12]柯国军，邹品玉，甘元初，等.废玻璃粉活性特征和活性机理研究[J].中国粉体技术，2015，21（5）：87-92.
[13]MATOS A M， SOUSA-COUTINHO J. Durability of mortar using waste glass powder as cement replacement[J]. Construction and Building Materials，2012， 36：205-215.
[14]王磊，刘存鹏，熊祖菁.剑麻纤维增强珊瑚混凝土力学性能试验研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014，33（6）：826-830.
[15]DE ANDRADE SILVA F，MOBASHER B，TOLEDO FILHO R D. Cracking mechanisms in durable sisal fiber reinforced cement composites[J]. Cement and Concrete Composites，2009，31（10）：721-730.
[16]董健苗，曹嘉威，王留阳，等.纤维增强自密实轻骨料混凝土早期抗裂性能试验[J].广西科技大学学报，2020，31（2）：32-38.
[17]董健苗，李洋洋，殷玲发，等.剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁抗弯性能与抗弯承载力分析[J].广西科技大学学报，2019，30（1）：4-11.
[18]中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准：GB/T50081—2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.
[19]李卓才，柯国军，宋百姓，等.废玻璃粉的火山灰活性[J].中国粉体技术，2014，20（4）：74-79.
[20]VAITKEVI?IUS V，ŠERELIS E， HILBIG H. The ef-fect of glass powder on the microstructure of ultra high performance concrete[J]. Construction and Building Ma-terials，2014，68（15）：102-109.
[21]ISLAM G M S， RAHMAN M H， KAZI N. Waste glass powder as partial replacement of cement for sus-tainable concrete practice[J]. International Journal of Sustainable Built Environment， 2017，6（1）： 37-44.
[22]包惠明，孟汉卿.剑麻纤维混凝土力学性能试验研究[J].混凝土，2011（3）：63-66.
[23]汤婉，王淑，刘数华.含废弃玻璃粉活性粉末混凝土的抗折性能研究[J].新型建筑材料，2015，42（1）：13-15，29.
[24]俞亚楠，卢小雨.剑麻纤维混凝土力学性能试验研究[J].安徽工程大学学报，2022，37（1）：46-51.
文章摘自：覃振林,周源芳,林书立,梁毅.剑麻纤维和玻璃粉对混凝土力学性能的影响[J].广西科技大学学报,2023,34(02):45-51.DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.007.
