鋼纖維再生粗集料混凝土的力學性能和抗凍性研究

汪振雙,譚曉倩

(1.東北財經大學投資工程管理學院,大連　116025；2.國家知識產權局專利局,北京　100088)

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鋼纖維再生粗集料混凝土的力學性能和抗凍性研究

汪振雙1,譚曉倩2

(1.東北財經大學投資工程管理學院,大連116025；2.國家知識產權局專利局,北京100088)

為了研究鋼纖維對再生混凝土抗凍性的影響，試驗以鋼纖維的體積摻量為1%，2%和3%，研究鋼纖維再生混凝土的力學性能和抗凍性，并對再生混凝土的孔結構特征進行了分析。研究結果表明，鋼纖維的摻入對再生混凝土抗壓強度的提高不明顯，對再生混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度提高比較顯著。鋼纖維的摻入改善了混凝土的抗凍性能，降低了再生混凝土的孔隙率。

鋼纖維； 再生混凝土； 強度； 抗凍性

1　引　言

混凝土材料是當前土木工程領域消耗量最大的建筑材料。混凝土消耗大量的砂石資源和能源，產生大量的建筑垃圾，給經濟社會發展帶來沉重負擔。據不完全統計，我國每年因建筑物的改建、擴建和舊建筑物拆就產生0.3～0.4億噸混凝土固體廢棄物[1,2]。此外，地震等突發自然災害等會帶了龐大的建筑垃圾[3]，資源和環境問題日益突出。近年來，再生混凝土技術逐漸得到了人們的青睞，混凝土的再生利用是建筑垃圾資源化的一種重要途徑和解決方法，能有效解決建筑業與環境的協調問題，符合可持續發展[4]。關于再生混凝土的性能，國內外學者已進行了大量的研究[4-7]。與普通混凝土相比，再生混凝土的力學性能和耐久性還存在一定的差距，本文將鋼纖維和再生混凝土相結合起來制備鋼纖維再生混凝土,改善再生混凝土的力學性能和耐久性，為再生混凝土的進一步深入研究提供科學依據。

2　試　驗

2.1原材料

水泥為唐山盾牌P·Ⅱ42·5R型水泥，物理力學性能如表1所示。砂子為天然河砂，細度模數2.4，表觀密度為2675 kg/m3。再生粗集料是實驗室澆注強度等級為C40混凝土自然養護6個月后，經破碎、研磨、篩分和組配后得到，最大粒徑控制在25 mm，再生粗集料表觀密度為2560 kg/m3，質量吸水率為2.87%，壓碎指標8.58%。鋼纖維為剪切波浪型, 長度30 mm。水為普通飲用水，外加劑采用的是羧酸系高性能 AE 減水劑，減水率15%～25%。

表1　水泥的物理力學性能

2.2鋼纖維再生混凝土配合比設計

試驗配制C40強度等級再生混凝土，鋼纖維按體積摻量1%，2%和3%摻入到再生混凝土中，減水劑摻量為膠凝材料用量的5.2%，鋼纖維再生混凝土的配合比如表2所示。

表2　鋼纖維再生混凝土配合比

2.3試驗方法

鋼纖維再生混凝土抗壓強度檢測方法按中國工程建設標準化協會標準《鋼纖維混凝土結構設計與施工規范》規定的方法進行。鋼纖維再生混凝土的抗凍性按GBJ 82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的快凍法進行測試，壓汞試驗采用AUTO-PORE 9500壓汞儀。

3　結果與討論

3.1鋼纖維再生混凝土的力學性能

鋼纖維再生混凝土力學性能的試驗結果如表3所示。再生混凝土28 d抗壓強度，28 d劈拉抗裂強度和28 d抗折強度分別為45.5 MPa，4.2 MPa和4.8 MPa。可以看出，隨著鋼纖維體積摻量的增加，再生混凝土28 d抗壓強度，28 d劈裂抗拉強度和28 d抗折強度也隨之增加。鋼纖維的摻入改變了再生混凝土抗壓破壞的形式，提高了混凝土的韌性和抗裂性，混凝土在破壞后裂而不散。

表3　鋼纖維再生混凝土力學性能試驗結果

再生粗集料對鋼纖維存在著邊壁效應，混凝土內部的鋼纖維與再生粗集料和砂漿之間的界面裂縫平行，致使在裂縫發展初期, 鋼纖維起不到增強阻裂作用，鋼纖維對再生混凝土的增強作用不明顯。當裂縫擴展至水泥石時, 此時跨越裂縫的鋼纖維開始起增強作用, 減緩裂縫擴展速度，纖維有效地阻止了再生混凝土裂縫的發展, 使再生混凝土試件韌性增加。隨著荷載進一步增大, 鋼纖維逐漸被拔出，鋼纖維改善了再生混凝土的脆性特征，這也是鋼纖維加入后對再生混凝土抗壓強度提高幅度小, 而再生混凝土的抗壓韌性有很大改善的緣故[7,8]。

圖1　鋼纖維再生混凝土凍融破壞時形貌(a)C;(b)R1;(c)R2;(d)R3Fig.1　Destroyed appearance of steel fiber recycled aggregate concrete

當再生混凝土鋼纖維體積摻量從0增至3%時, 再生混凝土28 d劈裂抗拉強度由4.2 MPa 增至6.1 MPa,再生混凝土強度提高幅度為47.36%, 拉壓比從0.091增至0.119;再生混凝土28 d 抗折強度由4.8 MPa 增至7.8 MPa, 再生混凝土強度提高幅度為70.95%, 再生混凝土折壓比從0.104增至0.152。

3.2鋼纖維再生混凝土的抗凍性試驗

從摻鋼纖維再生混凝土快凍法試驗可以觀察到，經過200次凍融循環后再生混凝土R1尺寸完整性最差，摻入橡膠顆粒的再生混凝土表面破壞狀況均好于R1再生混凝土。隨著橡膠顆粒摻量的增加，再生混凝土粗集料外露少，表面剝落量少，混凝土的完整性好，如圖1所示。

鋼纖維再生混凝土質量損失率和相對動彈模量隨凍融循環次數變化試驗結果如圖2和圖3所示。可以看出，再生混凝土C1經過100次凍融循環后質量損失率增加的比較明顯，125次凍融循環質量損失率達到5.3%。從試驗結果中可以看出，摻入鋼纖維后明顯改善了再生混凝土的抗凍性，R1，R2和R3再生混凝土經過200次凍融循環質量損失率分別為5.41%、3.92%和3.01%。混凝土凍融劣化作用是一個由致密到疏松的物理作用過程，動彈性模量下降便是這種疏松過程的外在反映。由于再生混凝土在制備過程中，內部不可避免的存在一定的原始缺陷和微裂縫，在凍融循環疲勞荷載作用下，這些原始缺陷和微裂縫逐漸發育生長，同時伴有心得缺陷和裂縫不斷產生[9,10]。從圖3再生混凝土凍融循環作用下相對動彈模的變化過程中可以看出，經150次凍融循環后，再生混凝土C的相對動彈性模量下降到85.1%。鋼纖維的摻入能明顯的抑制再生混凝土的相對動彈性模量的下降，經150次凍融循環后，鋼纖維再生混凝土的相對動彈模均大于93%。200次凍融循環后，鋼纖維再生混凝土R1、R2和R3的相對動彈性模量分別為85.8%、91.7%和94.1%。由此可知，鋼纖維的體積摻入量為3%時，再生混凝土的抗凍性最好。

圖2　鋼纖維再生混凝土凍融循環質量損失率Fig.2　Mass loss of steel fiber recycled aggregate concrete after freezing-thawing cycles

圖3　鋼纖維再生混凝土相對動彈性模量變化Fig.3　Relative dynamic modulus of steel fiber recycled aggregate concrete after freezing-thawing cycles

再生混凝土的抗凍性與其內部的孔結構特征和分布密切相關，利用壓汞試驗，對鋼纖維再生混凝土的孔結構進行分析，試驗結果如圖4所示。可以看出，再生混凝土C的孔隙率為17.12%，這可能是由于再生粗集料表面附著砂漿在混凝土成型過程中吸水性造成的。隨著鋼纖維體積摻量的增加，再生粗集料混凝土的孔隙率逐漸降低，分別降低了20.4%、29.5%和44.67%。鋼纖維的摻入，在再生混凝土的界面處形成大量封閉孔，改善了混凝土內部的孔結構。

圖4　再生混凝土孔結構分布Fig.4　Pore size distribution of steel fiber recycled aggregate concrete

4　結　論

鋼纖維的加入對再生混凝土抗壓強度的貢獻不大，但改善了再生混凝土的變形和破壞特征，提高了再生混凝土的韌性。此外，鋼纖維的摻入降低了再生混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗凍性。鋼纖維的體積摻量存在一個最佳值，當體積摻量為3%時，再生混凝土的抗凍性最好。

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Frost Resistant and Mechanical Properties of Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete

WANGZhen-shuang1,TANXiao-qian2

(1.School of Investment & Construction Management,Dongbei University of Finance and Economics,Dalian 116025,China;2.State Intellectual Property Office,Beijing 100088,China)

In order to research the influence of steel fiber on recycled aggregate concrete, this research investigate the mechanical properties and frost resistant of recycled concrete with different steel fiber volume replacement level 1%, 2% and 3%, respectively. The results indicated that incorporation of steel fibers on compressive strength of recycled concrete increase is not obvious, the recycled concrete splitting tensile strength and flexural strength increased significantly. Steel fiber added to improve the durability of the concrete, reduces the porosity of recycled concrete.

steel fiber;recycled aggregate concrete;strength;frost resistant

第八批博士后特別資助項目(2015T80259)；遼寧省教育廳基金一般項目(W2015130)；東北財經大學青年科技人才培育項目(DUFE2015Q15)

汪振雙(1982-)，男，博士，講師.主要從事建筑垃圾資源化方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1184-04