層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度試驗研究*

伍 毅，程火焰，屈 鋒，孫浩然，馮 帥，張 藝

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，許多老舊建筑拆除重建，產(chǎn)生大量廢棄混凝土，天然砂石骨料緊缺，再生混凝土利用廢棄物的合理循環(huán)再生，既能減少天然砂石的開采，保護自然生態(tài)環(huán)境，又能解決廢棄物造成的占地和環(huán)境污染等問題，但再生骨料固有缺陷限制了再生混凝土的發(fā)展，在文獻研究中發(fā)現(xiàn)混凝土的上下層均勻撒布鋼纖維，各項性能可得到顯著提高。通過參考資料后，把“層布式鋼纖維”的概念引入再生混凝土中，改變鋼纖維分布方式，并分析這種新型結(jié)構(gòu)形式影響規(guī)律，以期為今后再生混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及推廣提供有效的理論依據(jù)和技術(shù)參考[1-8]。

1 試驗材料

本試驗采用湖南湘鄉(xiāng)成美水泥有限公司的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，河南四通化建有限公司的I級粉煤灰，II區(qū)連續(xù)級配湘潭機制砂，細度模數(shù)2.9，天然粗骨料為玄武巖碎石，5～10mm和10～16mm兩個粒級，1∶1的比例混合，再生粗骨料是建材實驗室廢棄的混凝土試塊，經(jīng)破碎、篩分，粒徑取5～20mm，性能如表1所示，鋼纖維為河北衡水晟澤建材有限公司的端鉤型鋼纖維，長30mm，長徑比40，抗拉強度900MPa。

表1 骨料各項性能檢測結(jié)果

2 試驗方案

根據(jù)正交試驗方法，設(shè)計L9（34）試驗方案，如表2所示，分析各因素水平對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，設(shè)計強度C35，坍落度35～50mm。為滿足和易性要求，砂率取42%，用水量取240kg/m3，膠凝材料隨用水量相應(yīng)增加。采用質(zhì)量法計算混凝土配合比，每組配合比設(shè)置不摻鋼纖維的基準混凝土對照組。

3 試驗方法

表2 正交試驗因素水平

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》和CECS 13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》，抗壓強度試驗采用邊長為100mm的非標準立方體試件，每組配合比試件3塊。為防止在混凝土攪拌過程中出現(xiàn)鋼纖維分散不均勻、鋼纖維成團現(xiàn)象，采用SJD-60型單軸強制式混凝土攪拌機先干拌后濕拌的方法進行攪拌。試件如圖1所示，每組試件均為一批澆筑完成，混凝土澆筑入模后24h拆模，養(yǎng)護室養(yǎng)護滿28d。試驗在YES-600型數(shù)顯式液壓壓力試驗機上進行，試件澆筑面打磨，承壓面與鋼纖維層平行。

4 試驗結(jié)果與分析

圖1 層布式鋼纖維再生混凝土立方體抗壓強度試驗試件形式

混凝土配合比及試驗結(jié)果如表3所示。

根據(jù)正交試驗理論，分別計算各因素水平抗壓強度均值和各因素抗壓強度影響的極差值R，如表4所示。

因素極差值R越大，表明因素在3個水平之間變化時，與其他影響因素相比，對于抗壓強度造成的影響更大，通常是重點關(guān)注的因素。影響層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度因素的主次順序是：水膠比＞粉煤灰取代率＞鋼纖維體積率＞再生粗骨料取代率。

為方便直觀地分析各因素水平變化對層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，繪制點圖，如圖2所示，由圖2可得出如下結(jié)論。

1）層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度隨水膠比的增大而顯著減小，當水膠比為0.45時的抗壓強度比水膠比為0.40時的抗壓強度降低22.5%，當水膠比為0.50時的抗壓強度比水膠比為0.45時的抗壓強度降低13.2%。

表3 配合比及試驗結(jié)果

表4 各因素層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度均值、極差值

圖2 抗壓強度影響分析

2）隨粉煤灰取代率增大，抗壓強度不斷減小，下降趨勢明顯，當粉煤灰取代率為10%時的抗壓強度比取代率為0時降低10.6%，當粉煤灰取代率為20%時的抗壓強度比取代率為10%時降低11.3%。

3）隨著再生粗骨料摻量的增加，抗壓強度先減小后略有增大，當再生粗骨料取代率為25%時的抗壓強度比取代率為0時降低6.9%，當再生粗骨料取代率為50%時的抗壓強度比取代率為25%時上升0.7%。

4）隨鋼纖維體積率的增大，抗壓強度先快速變小后緩慢減小，當鋼纖維體積率為1.5%時的抗壓強度比鋼纖維體積率為1.0%時的抗壓強度下降8.0%，當鋼纖維體積率為2.0%時的抗壓強度比鋼纖維體積率為1.5%時的抗壓強度下降3.2%。

同時與不摻鋼纖維的基準組對比，如圖3所示。由圖3可知：隨著鋼纖維體積率從1%增大到2%時，層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強度減小，其他因素水平保持不變，當鋼纖維體積率為1.0%時，抗壓強度提高13.8%，當鋼纖維體積率為1.5%時，抗壓強度提高6.2%，當鋼纖維體積率為2.0%時，抗壓強度提高1.8%，鋼纖維體積率為1%時提高幅度最大，說明本試驗抗壓強度最佳鋼纖維體積率為1%。

5 機理分析

圖3 抗壓強度對比分析

當試塊在受壓過程中，鋼纖維增強層上下布置（見圖4），在一定程度上限制了內(nèi)部裂縫的增長和擴展，延緩了破壞，到達極限荷載后，承載能力降低較緩慢，雖然對強度提升不大，但試塊破壞狀態(tài)上相比完整性更好，呈現(xiàn)較好的塑性。

鋼纖維體積率從1.0%～2.0%時，強度增幅減小，說明鋼纖維體積率存在一個合理范圍，隨著鋼纖維的摻量繼續(xù)增大，鋼纖維在混凝土內(nèi)部集聚，相互搭接，水泥砂漿包裹較少，界面較薄弱，而且多界面交集，裂縫極易從該區(qū)域擴展，導(dǎo)致鋼纖維對裂縫的限制作用不明顯，強度增長下降。

圖4 層布式鋼纖維再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型

抗壓強度隨再生骨料增加而下降，主要是界面強度低占主導(dǎo)作用，再生骨料的取代增加了薄弱的界面過渡區(qū)，裂縫在此區(qū)域快速發(fā)展延伸。當取代率達到50%時，強度反而提高，這可能是更多的再生骨料吸收了更多的自由水，此時實際水膠比影響占主導(dǎo)地位，混凝土內(nèi)部孔隙減少，結(jié)構(gòu)更密實，強度增加。

抗壓強度均隨粉煤灰取代率的增大而減小，可能是粉煤灰中氧化鈣較少，水化反應(yīng)比水泥的要慢，粉煤灰顆粒中玻璃相溶出的活性成分較少，與氫氧化鈣晶體二次水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠數(shù)量較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善不明顯，粉煤灰的改善遠小于減少水泥對界面強度的減小值，界面強度下降。

6 結(jié)語

1）水膠比是影響層布式剛纖維再生混凝土抗壓強度的主要因素。

2）鋼纖維的阻裂、增強和增韌作用，使抗壓強度隨著鋼纖維的加入有不同程度提高，當鋼纖維體積率在1%時，抗壓強度提高最大。

3）從經(jīng)濟性和環(huán)保角度考慮，推薦抗壓強度最優(yōu)水平組合為A1B3C3D1，即水膠比0.4，粉煤灰取代率20%，再生粗骨料取代率50%，鋼纖維體積率1%。