混雜鋼纖維摻率對再生混凝土梁抗裂性能影響

金素月 裴長春*

(延邊大學工學院，吉林延吉 133002)

混雜鋼纖維摻率對再生混凝土梁抗裂性能影響

金素月 裴長春*

(延邊大學工學院，吉林延吉 133002)

通過改變混雜鋼纖維摻率，試驗分析了其對再生骨料混凝土基本力學性能及梁抗裂性能的影響，結果表明，混雜鋼纖維的摻入可以有效提高混凝土的抗壓強度與劈拉強度，延遲混凝土梁開裂，阻礙裂縫發展，并減小梁在屈服時的最大撓度。

混雜鋼纖維，再生骨料，力學性能，抗裂性能

0 引言

隨著建筑業的急速發展，老舊建筑物拆除重建為高層、超高層建筑物，隨之大量產生建筑垃圾，導致嚴重的環境污染。為了降低環境污染、提高建筑垃圾的再利用率，人們把建筑垃圾中的廢棄混凝土等加工后替代部分混凝土材料［1，2］，攪拌再生混凝土。但這些摻入再生材料的混凝土構件，由于廢棄物自身的缺陷，其構件的實際強度、抗裂性等有不同程度的降低，因此對實際結構中的應用受到一定的限制。據文獻［3］［4］可知:鋼纖維摻入可以有效地提高混凝土的各項力學性能。

本文以廢棄混凝土代替部分粗骨料、以粉煤灰［5］及硅灰代替部分水泥膠凝體拌制再生混凝土，并對其改變由1次彎鉤型(簡稱A型)和2次彎鉤型(簡稱B型)組合的混雜鋼纖維摻率［6］，分析其基本力學性能及抗裂性能，為再生混凝土在結構中的擴大應用提供技術參考。

1 試驗方案設計及方法

1.1 試驗方案設計

本試驗中混凝土的水膠比選用0.25，在膠凝體中摻入20%的粉煤灰(在膠凝體中所占的質量百分比)和10%的硅粉(在膠凝體中所占的質量百分比)，粗骨料中摻入30%廢棄混凝土粗骨料(在粗骨料總量中所占質量百分比)，拌制基準混凝土(簡稱SF0)。并對SF0混凝土改變在本文前期基礎試驗研究中效果比較優秀的A型鋼纖維75%和B型鋼纖維25%組合而成的混雜鋼纖維摻率0.5%，1%，1.5%，共設計4組再生混凝土梁。本試驗中砂率均采用0.42，減水劑摻率均采用0.9%(相對膠凝體的質量百分比)，其詳細的混凝土配合比詳見表1。

表1 混凝土配合比 kg

并在規定的齡期測定抗壓強度、劈拉強度、梁的初始開裂荷載、極限荷載、梁的荷載—撓度曲線、荷載裂縫數量等。

1.2 試驗原材料

本試驗水泥采用延邊朝鮮族自治州某水泥廠P.O42.5型號普通硅酸鹽水泥，密度為3 150 kg/m3，粉煤灰采用吉林省延吉市某建材有限公司生產的一級粉煤灰，密度為2 200 kg/m3，硅灰采用長春某科技有限公司生產，密度為2 700 kg/m3。本試驗使用的鋼纖維為河北玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司生產的兩種端鉤剪切型鋼纖維，其長度為60 mm、長徑比為80，具體形狀如圖1所示。本試驗使用的細骨料為延吉市本地產天然中砂，密度為2 600 kg/m3。本實驗中使用的再生粗骨料為廢棄混凝土試塊用顎式破碎機破碎而成，破碎的再生骨料粒徑為5 mm～25 mm，吸水率為5.1%，密度為2 460 kg/m3;天然粗骨料采用延邊地區天然碎石，粒徑為5 mm～25 mm，密度為2 600 kg/m3。本試驗采用粘稠透明液態減水劑，固含量為40%。

圖1 纖維形狀

1.3 試驗方法

本試驗中混凝土攪拌選用了HJW-100型單臥軸強制式混凝土攪拌機。混凝土制備過程中，先將膠凝材料與粗、細骨料混合干攪拌60 s，然后將鋼纖維均勻撒入攪拌機內干攪拌60 s，最后將減水劑與水的混合溶液倒入攪拌機內濕攪拌180 s，攪拌時間滿足規范GB 50164—2011混凝土質量控制標準要求。并使用電液伺服壓力試驗機，采用分級加載方式，初始每級加載5 kN，產生第一條裂縫起，每級加載增至10 kN，加載穩定至200 s后觀察裂縫發展情況，直至構件破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 力抗壓強度

1)抗壓強度。

圖2 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的抗壓強度

圖2 為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的28 d抗壓強度。首先，未摻入混雜鋼纖維的SF0組混凝土的抗壓強度57.6 MPa，隨著混雜鋼纖維摻率的增加混凝土強度先提高后降低。即當混雜鋼纖維的摻率為 0.5%，1.0%，1.5%時抗壓強度分別為74.3 MPa，83.0 MPa，74.7 MPa，其中在SF1.0組混凝土達到最高值時，比SF0組混凝土提高44.2%。而在SF1.5組混凝土中，相對SF1.0組抗壓強度降低了10.0%，這是因為隨著混雜鋼纖維的摻率增大，混凝土的擴展度降低，特別是在SF1.5組混凝土中其流動性發生急驟地降低，隨之混凝土密實性變差，強度降低。

2)劈拉強度。

圖3 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的劈拉強度

圖3 為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的28 d劈拉強度。從圖中可知，未摻入混雜鋼纖維的SF0組混凝土劈拉強度為4.4 MPa得到比較小的值。當混雜鋼纖維摻率為1.0%以下時，隨著鋼纖維摻率的增加劈拉強度逐步得到提高，并在鋼纖維摻率1.0%時達到5.4 MPa，比SF0組提高22.9%，達到最高值。但當混雜鋼纖維摻率為1.5%時由于混雜鋼纖維的摻率增大，和易性急劇降低，纖維分散性變差，繼而劈拉強度有小幅度降低。

2.2 抗裂性能分析

1)破壞形態分析。

圖4為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的破壞形狀圖。從圖中得知:4根梁均發生正截面受彎破壞，當梁的跨中受拉區應力達到開裂荷載時出現極細微的垂直裂縫。當荷載加載到80 kN左右時，4根梁均在沿著支座向荷載方向出現細微的斜裂縫。隨著荷載繼續增大，裂縫數量不斷增加且裂縫向受壓區發展。受拉區的縱向受拉鋼筋屈服后，裂縫的發展速度、梁的撓度均發展迅速。當梁的混凝土受壓區開始快速出現裂縫，最終被壓碎時，梁喪失承載力。通過4根梁的破壞形狀比較分析可知，在混凝土強度最大的SF1.0梁試件裂縫數量發生最少、裂縫寬度和長度最短，得到比較良好的效果。

圖4 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的破壞形狀

2)初始開裂荷載。

圖5為混雜鋼纖維摻入率變化下再生混凝土梁的初始開裂荷載圖。首先，未摻入混雜鋼纖維的SF0組梁，由于再生骨料自身的缺陷，隨著荷載的增加在荷載為5 kN時發生了第一道裂縫。隨著鋼纖維摻率的增加混凝土梁初始開裂荷載有了大幅度提高，即混雜鋼纖維摻率在0.5%和1.5%時，開裂荷載均在20 kN，混雜鋼纖維摻率在1.0%時開裂荷載最高，達到30 kN，說明混雜鋼纖維摻入有效地提高了再生混凝土梁的初始開裂荷載。這是由于混雜鋼纖維加入后，其與受拉區混凝土產生摩擦作用，且鋼纖維的端鉤與混凝土有咬合作用，提高了受拉區混凝土的抗拉強度和抗變形能力。而當混雜鋼纖維的摻率達到1.5%時，由于鋼纖維的分散性較差，鋼纖維沒有起到有效的橋接作用，繼而初始開裂荷載降低。

3)極限荷載。

圖6為混雜鋼纖維摻入率變化下再生混凝土梁的極限荷載。由圖可知，當未摻入混雜鋼纖維時梁的極限荷載為139.9 kN。隨著混雜鋼纖維摻率的增加，當鋼纖維摻率為0.5%，1.0%，1.5%時極限荷載分別達到146.9 kN，182.7 kN，138.6 kN，其中在鋼纖維摻率為1.0%時極限荷載提高幅度最大，說明合理摻率混雜鋼纖維可以有效提高梁的強度和抗彎能力。

4)荷載—撓度曲線。

圖7，圖8分別為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的荷載—撓度曲線和跨中最大撓度圖。由圖7可知，未摻入混雜鋼纖維的SF0梁在每級加載中撓度變化最為明顯。SF0.5梁與SF1.5梁在加載到120 kN前撓度變化比較緩慢，基本呈現一致，而荷載在120 kN～130 kN之間時SF0.5梁有了較大撓度變化，SF1.5梁撓度雖有所增大但依舊較為平緩，但加載到130 kN后撓度有突增。SF1.0梁的撓度變化一直較為平緩，全程并無突增的撓度變化。

圖5 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的初始開裂荷載

圖6 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的極限荷載

圖7 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的荷載—撓度曲線

圖8 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的最大撓度

從圖8可知，未摻入鋼纖維的 SF0梁的跨中最大撓度為31 mm。當鋼纖維摻率為0.5%，1.0%，1.5%時梁的最大撓度分別達到26 mm，15.5 mm，17 mm，其中在SF1.0梁的撓度達到最小值，相對SF0而言撓度減少50%，說明鋼纖維本身對混凝土有橋接作用，且鋼纖維兩端的彎鉤促進其與混凝土的摩擦與咬合，有效控制混凝土梁的形變。

5)荷載—裂縫數量。

圖9為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁在不同荷載下裂縫數量增長點狀圖。由圖可知，混雜鋼纖維不同摻率的變化，所有組梁隨著荷載的增長裂縫數量均呈現增多趨勢，且增長較為平緩，并沒有出現比突增現象。其中，SF0梁與SF0.5梁的裂縫數量增長情況較接近，表現的比較緩慢。SF1.0梁開裂進展最為緩慢，而荷載超過160 kN后裂縫增長速度發生加快。SF1.5在每級加載中裂縫數量增長最多，在荷載超過100 kN后裂縫增長速度加快。

圖9 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的荷載—裂縫數量

3 結語

本文通過研究混雜鋼纖維不同摻率對再生骨料混凝土的基本力學性能及梁的抗裂性能影響，得到以下結論:

1)鋼纖維的摻入可以有效提高混凝土的抗壓強度，在本試驗中在SF1.0組得到最大值。

2)混雜鋼纖維總摻率低于1.0%時，鋼纖維摻率的增加可以有效提高混凝土的劈拉強度，但當鋼纖維摻率達到1.5%時，由于混凝土的流動性降低，纖維分散性變差，使得劈拉強度有所降低。

3)在所有組梁均發生正截面受彎破壞，鋼纖維的摻入可以有效延遲混凝土梁開裂，阻礙裂縫發展。當鋼纖維總摻率為1.0%時混凝土強度及抗裂性能提高比較明顯，開裂荷載及極限荷載都達到最大值。

4)在本試驗梁中，SF1.0梁隨荷載增加撓度的發展最為緩慢且其在屈服時的最大撓度最小，對再生混凝土梁抗裂性的提高幅度最為明顯。

［1］王立久，艾紅梅.綠色生態混凝土技術與循環經濟發展［J］.混凝土，2009(1):6-11.

［2］趙 超，張曉翠，程 興.建筑廢棄混凝土再生利用的分析與研究［J］.四川水泥，2014(8):164，166.

［3］陳愛玖，王 靜，楊 粉.鋼纖維再生混凝土抗壓強度試驗研究［J］.混凝土，2012(4):64-66.

［4］胡圣軍.鋼纖維再生混凝土力學性能的影響因素［J］.建筑材料學報，2010(9):103-106.

［5］張學兵，匡成鋼，方 志，等.鋼纖維粉煤灰再生混凝土強度正交試驗研究［J］.建筑材料學報，2014(4):677-684，694.

［6］劉 慈，鄧佳卓，崔佳偉，等.不同組合鋼纖維再生砂漿力學性能試驗研究［J］.四川建材，2016(5):8-10.

Effect of hybrid steel fiber on crack resistance of recycled concrete beams

Jin Suyue Pei Changchun
(College of Engineering Yanbian University，Yanji 133002，China)

In this paper，by changing the hybrid steel fiber ratio，to study its effect on the basic mechanical properties and crack resistance of recycled aggregate concrete beams.The results show that the hybrid steel fiber can improve compressive strength and splitting tensile strength of concrete，effectively delayed cracking of concrete beams，hinder the crack development and reduce the maximum deflection.

hybrid steel fiber，recycled concrete，mechanical property，anti cracking performance

TU528

:A

1009-6825(2016)36-0133-03

2016-10-12

金素月(1991-)，女，在讀碩士

裴長春(1976-)，男，博士，講師