鋼纖維再生混凝土抗折強度尺寸效應試驗研究

蘇捷 秦紅杰 史才軍 方志

摘要：通過5組再生骨料取代率和4組鋼纖維體積摻量小梁試件的四點彎曲試驗，研究了再生骨料取代率和鋼纖維摻量對再生混凝土抗折強度及尺寸效應的影響.結果表明：各規格小梁試件的抗折強度均存在尺寸效應，隨再生骨料取代率的增加，再生混凝土抗折強度尺寸效應呈先增大后降低的規律，取代率為75%小梁試件抗折強度尺寸效應約分別為取代率為0和100%試件的1.32倍和1.09倍.鋼纖維摻量對再生混凝土抗折強度尺寸效應有一定影響，當摻量為0～0.75%時，鋼纖維摻量越大，尺寸效應越明顯，鋼纖維摻量分別為0、0.25%和0.50%時，試件抗折強度尺寸效應約分別為鋼纖維摻量0.75%試件的77%、85%和94%.鋼纖維摻量較大時，鋼纖維摻量對尺寸效應的影響較弱，鋼纖維摻量為0.75%試件抗折強度尺寸效應度約為1.00%摻量試件的99%.提出了再生混凝土抗折強度尺寸效應律計算公式，可用于再生混凝土抗折強度的分析計算.

關鍵詞：再生骨料混凝土；抗折強度；尺寸效應；鋼纖維；取代率

中圖分類號：TU528文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51408213），National Natural Science Foundation of China（51408213）；湖南省自然科學基金資助項目（2018JJ2042），Natural Science Foundation of Hunan Province of China（2018JJ2042）

Experimental Study on Scale Effect of Flexural Strength of Steel Fiber Reinforced Recycled Concrete

SU Jie1，2，QIN Hongjie1，SHI Caijun1，2，FANG Zhi1

（1. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province，Hunan University，Changsha 410082，China；2. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：The four-point bending test of 5 groups of recycled aggregate substitute rates and 4 groups of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete prism specimens were conducted to study the effects of recycled aggregate substitution rate and steel fiber content on the flexural strength and the scale effect of recycled concrete. The test re-sults show that there is scale effect in the flexural strength of each kind of prism specimens. With the increase of the substitution rate of recycled aggregate， the scale effect of the flexural strength of recycled concrete increases first and then decreases. The scale effect of the flexural strength of the specimen with a substitution rate of 75% is about 1.32 times and 1.09 times that of the specimens with a substitution rate of 0 and 100%， respectively. The content of steel fiber has a certain effect on the scale effect of the flexural strength of recycled concrete. When the steel fiber content ranges from 0% to 0.75%， the larger the content of steel fiber， the more pronounced the scale effect is. The scale effect of specimens with steel fiber content of 0， 0.25% and 0.5% is about 79%， 85% and 94% of the specimen with steel fiber content of 0.75%， respectively. When the steel fiber content is over 0.75%，the variation on the scale effect of flexural strengthwithdifferentsteelfibercontentsislimited.Thescaleeffectofthespecimenwithsteelfibercontent0.75%isabout 99% of the specimen with fiber content of 1%. A calculation formula for the scale effect law of the flexural strength of recycled concrete is proposed，which can be used to analyze the flexural strength of recycled concrete.

Key words：recycled aggregate concrete；flexural strength；scale effect；steel fiber；substitute rate

通過破碎廢舊混凝土得到的再生骨料由于內部存在微裂縫和表面殘留有砂漿，其物理性質離散性通常較天然骨料更大[1]，由此導致再生骨料混凝土各方面物理力學性能與普通混凝土相比存在一定差異.力學性能的尺寸效應是再生混凝土材料的固有特征[2]，通常認為尺寸效應現象是由材料內隨機分布的低強度單元引起的，對于再生混凝土由于內部各相材料性能離散性更為顯著，使得其力學性能的尺寸效應與普通混凝土有所不同.目前再生混凝土結構計算公式多為經驗或半經驗公式，是由縮尺試驗結果進行擬合得到的.因此，為確保縮尺模型測試結果在足尺結構中的適用性和再生混凝土結構的安全可靠，需對其力學性能及尺寸效應進行充分研究.

Xiao等[2]、劉數華等[3]和Du等[4]對再生混凝土力學性能的研究表明，再生混凝土的力學性能與普通混凝土相比存在差異，不同取代率下再生混凝土抗壓強度、抗拉強度均比普通混凝土低.通過測得再生混凝土的應力-應變全曲線發現，再生混凝土的峰值應變比普通混凝土提高約20%，而彈性模量較普通混凝土降低約45%. Zhou等[5]的研究表明，當采用適當的預處理及強化措施時，再生混凝土抗壓強度、抗折強度與普通混凝土相當甚至高于普通混凝土.楊海濤等[6]、張麗等[7]和張瑩等[8]通過試驗測得了不同尺寸、不同取代率的再生混凝土立方體抗壓強度，分析結果表明，各個取代率下的再生混凝土立方體抗壓強度均存在尺寸效應現象，即抗壓強度隨試件尺寸的增加而降低，并得到了邊長分別為100 mm和200 mm試件相對于邊長150 mm標準試件的強度換算系數分別為0.92～0.97和1.08～1.16.

張麗娟等[9]和樓志輝[10]通過試驗對比研究了鋼纖維再生混凝土和鋼纖維天然混凝土劈拉強度的尺寸效應，發現邊長100 mm鋼纖維再生混凝土試件劈拉強度換算到標準尺寸試件強度的系數可取為0.81，小于鋼纖維有關規范中給出的鋼纖維天然混凝土換算系數0.85，尺寸效應在再生混凝土上表現得更為明顯.周靜海等[11]對廢棄纖維再生混凝土劈拉強度尺寸效應的研究則提出摻加廢棄聚丙烯纖維在一定程度上可以減輕混凝土劈拉強度的尺寸效應.

楊健男[12]通過棱柱體受壓試驗發現再生混凝土的峰值應變同樣存在尺寸效應現象，尺寸較大的試件測得的峰值應變會更大，且再生骨料取代率越高，峰值應變尺寸效應度值越大，當摻加一定量廢棄纖維后，峰值應變尺寸效應度值會減小.

再生混凝土在道路工程中具有廣泛的應用前景，而在道路設計中抗折強度（彎拉強度）是混凝土的一個重要力學性能指標.目前，關于再生混凝土力學性能尺寸效應的研究較少，且多集中在抗壓性能尺寸效應上，其抗折強度及尺寸效應研究尚不充分.因此，本文對再生混凝土抗折強度及尺寸效應進行較系統的試驗研究，分析再生骨料取代率和鋼纖維摻量對尺寸效應的影響，建立再生混凝土抗折強度的尺寸效應律.

1試驗概況

1.1試件設計

為研究再生骨料取代率對再生混凝土抗折強度及尺寸效應的影響，設計了5組不同再生骨料取代率，依次為0、25%、50%、75%和100%.在100%再生骨料取代率試件中分別摻加0.25%、0.50%、0.75%和1.0% 4種不同摻量（摻量均為體積摻量）鋼纖維，以研究鋼纖維摻量對再生骨料混凝土抗折強度及尺寸效應的影響.再生骨料取代率為0的試件是使用天然粗骨料的普通混凝土，作為混凝土配合比設計的參照組，強度等級為C30.每一組取代率和鋼纖維摻量的試件分別制備3個尺寸，分別為70 mm×70 mm×70 mm、100 mm×100 mm×400 mm和150 mm×150 mm×550 mm，共計27個不同規格的試件.每一規格試件制備5個，總計成型135個試件.

1.2試驗用材料

1）水泥：強度等級為P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥.

2）粗骨料：天然粗骨料為最大粒徑20 mm的連續級配卵石.采用同規格原材料制備的混凝土柱養護28 d破碎后過20 mm篩得到.

3）細骨料：細度模數為2.4的天然河砂.

4）水：自來水.

5）鋼纖維：端鉤形纖維，長度25 mm，等效直徑為0.3 mm，長徑比為83.3.

通過標準試驗方法[13]測得粗骨料的各項物理參數，列于表1.由表1可知，再生骨料的表觀密度、堆積密度較天然骨料分別降低了6.1%和7.3%，含水率、吸水率、壓碎指標分別為天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍.這是因為再生粗骨料上黏附有陳舊砂漿，試件破碎過程中粗骨料及黏附的砂漿由于受到外力擾動產生了微裂紋變得疏松，使得骨料含水率、吸水率、壓碎指標增大，而密度有所降低.

1.3配合比設計

采用附加水法[14]制備再生混凝土試件，各規格試件混凝土配合比見表2.由于再生骨料的吸水率明顯高于天然骨料，附加水用量為再生骨料質量乘以凈吸水率，凈吸水率由表1中實測的吸水率和含水率綜合確定.摻加鋼纖維的質量為鋼纖維材料密度乘以鋼纖維摻量.表中試件編號采用Px的形式，x代表再生骨料取代率.實測再生骨料取代率分別為0、25%、50%、75%和100%，邊長150 mm標準再生混凝土立方體試件抗壓強度依次為35.6 MPa、34.9 MPa、34.1 MPa、33.6 MPa和32.9 MPa，均符合C30強度等級的要求.

1.4試件制作與加載

由于試件加工成型的質量會直接影響最終結果，為減小試驗誤差，試驗過程采取以下措施：1）為避免干燥的攪拌機吸附拌合水，試驗前對攪拌機進行預濕；2）攪拌不同組混凝土前，及時清洗攪拌機；3）為避免鋼纖維成團，在攪拌的過程中多次少量加入；4）每組混凝土攪拌時長和振搗時長保持一致.試驗制作流程如圖1所示.

四點彎曲試驗按照《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13—2009）[15]進行，加載前試件首先標記支撐和加載的位置，然后加載至試件破壞為止，加載速率為0.05 MPa/s.

2試驗結果及分析

2.1試驗現象分析

未摻鋼纖維的再生混凝土小梁試件在受荷初期無明顯變形，隨著荷載增加，微裂縫首先在界面過渡區和砂漿中初始缺陷處產生；隨著荷載進一步增大，裂紋迅速發展，整個試件瞬間斷成兩塊，斷面較為平整，破壞表現為明顯的脆性破壞特征，如圖2（a）所示.

鋼纖維再生混凝土小梁試件在加載過程中，再生混凝土基體由于強度較低首先開裂.開裂后，微裂縫兩側混凝土承擔的拉應力傳遞到鋼纖維上，受拉力作用鋼纖維從砂漿基體中被拔出.由于鋼纖維的“橋接作用”，鋼纖維再生混凝土小梁試件的裂縫發展較未摻鋼纖維的試件更曲折，如圖2（b）～圖2（e）所示.小梁試件宏觀裂縫最先在試件底部受拉區出現，隨荷載增大而緩慢向加載面延伸，達到最大承載力后，試件依然保持為一個整體并可以繼續承載，破壞表現出一定的延性破壞特征.

2.2抗折強度結果

實測各再生骨料取代率和鋼纖維摻量小梁試件抗折強度、強度標準差及變異系數分別列于表3和表4中，表中抗折強度值為同規格5個試件抗折強度的平均值.表中試件編號采用Px-z和Fy-z的形式，其中，P為素再生混凝土小梁試件，F為鋼纖維再生混凝土小梁試件，x為再生骨料取代率，y為鋼纖維摻量，z為小梁試件的截面邊長.

分析表3數據可知，取代率分別為25%、50%、75%和100%時，截面邊長150 mm的標準尺寸試件的抗折強度值較普通混凝土（取代率為0時）分別降低了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%.產生該現象的原因可從界面過渡區強度和裂縫發展兩方面的影響進行分析，因再生骨料上附著的陳舊砂漿在水化過程中吸附了一定量拌和水，使得再生骨料周圍界面過渡區水灰比增加，水化反應生成了更多的鈣礬石和氫氧化鈣結晶，這兩種晶體顆粒較大，且后者具有取向性，削弱了界面過渡區強度.由表1實測再生骨料壓碎值可知，受初始損傷影響，再生骨料強度較天然骨料更低，不能有效阻擋微裂縫的發展，小梁試件內部微裂縫發展時裂縫通常穿過再生骨料，試件斷裂能低于普通混凝土.

由表4可知，在100%取代率再生混凝土內摻入摻量分別為0.25%、0.50%、0.75%和1.00%的鋼纖維后，截面邊長為150 mm的標準尺寸試件抗折強度值分別較未摻加鋼纖維的同類試件提高了8.2 %、18.5%、16.1%和14.7%.這是因為鋼纖維一方面可有效抑制砂漿中收縮裂縫的產生，減少小梁試件內的初始缺陷；另一方面，鋼纖維可改善小梁試件受荷后裂縫的擴展，從而提高再生混凝土抗折強度.鋼纖維摻量在0.50%時增強效果最好，過量的鋼纖維造成混凝土攪拌困難，試件成型時密實度不足，鋼纖維易于結團而在試件內形成缺陷，反而降低了增強效果.

3尺寸效應分析

3.1再生骨料取代率對抗折強度尺寸效應的影響

由尺寸效應度的定義可知，尺寸效應度值越大，再生混凝土試件的抗折強度尺寸效應越明顯.根據試驗結果，計算得到各規格試件抗折強度尺寸效應度，圖3為尺寸效應度隨取代率變化曲線.

由圖3和表3可知，各取代率下小梁試件抗折強度均隨試件尺寸的增加而減小，再生混凝土抗折強度尺寸效應明顯強于普通混凝土.取代率分別為25%、50%、75%和100%時，小梁試件抗折強度尺寸效應度γ100比普通混凝土（取代率為0時）分別提高了9.1%、24.7%、31.9%和20.9%，尺寸效應度γ150比普通混凝土分別提高了7.9%、19.3%、26.7%和20.9%.取代率變化對尺寸效應的影響呈先增大后減小的趨勢，取代率為75%時，再生混凝土小梁試件的尺寸效應最為顯著，分別是取代率為0和100%小梁試件取代率的1.32倍和1.09倍.

在取代率為0～75%時，隨著再生骨料取代率的增加，抗折強度尺寸效應度呈增加趨勢.原因是部分取代（取代率為25%～75%）再生混凝土由于同時采用了低強度的再生骨料和高強度的原生骨料，小梁試件內部單元強度的離散性增大，且隨著取代率增加，這種離散性的增幅更為顯著，使得尺寸效應更明顯.此外，試件內同時存在原生骨料-新砂漿基體界面和再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面兩種界面過渡區，材料各相組成物理性質相差較大，更容易產生應力集中，引發較薄弱的界面過渡區發生破壞，從而加速了混凝土的破壞.全取代率再生混凝土（取代率為100%）抗折強度尺寸效應度有所減小.造成這一現象的原因是全取代率再生混凝土僅含有再生骨料，且界面也僅有再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面，各相材料的均質性強于部分取代再生混凝土，降低了小梁試件抗折強度的尺寸效應.

3.2鋼纖維摻量對抗折強度尺寸效應的影響

對表4數據進行分析，采用式（1）和（2）計算得到100%取代率下不同鋼纖維摻量再生混凝土抗折強度尺寸效應度值.圖4為尺寸效應度隨鋼纖維摻量變化曲線.

分析圖4和表4可知，添加鋼纖維使再生混凝土抗折強度尺寸效應度明顯增大，鋼纖維摻量分別為0.25%、0.50%、0.75%和1.00%時，尺寸效應度γ100比未摻加鋼纖維的再生混凝土分別提高了9.8%、21.1%、29.3%和30.7%，尺寸效應度γ150比未摻加鋼纖維的再生混凝土分別提高了5.9%、16.2%、20.1%和21.2%，變化規律與張麗娟等[9]和樓志輝[10]對再生混凝土劈拉強度的研究成果相同.在試件澆筑振搗時，接近試件表面的鋼纖維由于受到試模壁的阻礙作用，改變其雜亂分布的狀態而呈現出平行于試件表面的取向[9，17]，表現為纖維多沿小梁試件縱向平行分布，如圖5所示.這種鋼纖維取向像“套箍”一樣對試件產生約束增強作用，即邊壁效應[17]，試件越小邊壁效應的增強作用占的比例越大，從而導致更明顯的尺寸效應現象.小梁試件表面鋼纖維摻量隨鋼纖維摻量的增大而增大，邊壁效應的約束越強，造成鋼纖維摻量較高的小梁試件的尺寸效應強于鋼纖維摻量較低小梁試件.

4尺寸效應律

式中：Bft為材料參數；D為試件尺寸；D0為特征尺寸.

以往的研究[19-22]表明，式（3）對普通混凝土抗折強度有較好的適用性，為驗證式（3）對再生混凝土的適用性，用本文中再生混凝土抗折強度數據以及文獻[3，10，22-26]中試驗數據擬合上述公式，擬合數據來自190組，共計570個試件，涵蓋試件截面尺寸70～200 mm，具有良好的代表性.

以實測抗折強度σN和試件實際尺寸D為依據，以材料參數Bft和特征尺寸D0為參數，采用最小二乘法進行參數擬合.通過擬合計算，得到不同取代率和鋼纖維摻量再生混凝土抗折強度尺寸效應公式，參數Bft和D0分別列于表5和表6.本文實測結果與式（3）計算結果的吻合情況如圖6所示.

各取代率和鋼纖維摻量下實測結果和式（3）計算結果相關系數為0.94，表明二者吻合較好，可用式（3）分析計算不同尺寸再生骨料混凝土試件的抗折強度.

5結論

1）再生混凝土抗折強度低于同條件的普通混凝土，取代率分別為25%、50%、75%和100%時，截面邊長150 mm試件抗折強度較普通混凝土試件分別減小了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%.

2）鋼纖維摻量分別為0.25%、0.50%、0.75%和1.00%時，截面邊長150 mm試件抗折強度較未摻加鋼纖維的再生混凝土試件分別提高了8.2%、18.5%、16.1%和14.7%.

3）隨再生骨料取代率的增加，再生混凝土抗折強度尺寸效應呈先增大后降低的規律，取代率為75%的小梁試件抗折強度尺寸效應約為取代率為0和100%試件的1.32倍和1.09倍.

4）鋼纖維摻量為0～0.75%時，隨著鋼纖維摻量的增加，尺寸效應現象更加明顯.鋼纖維摻量分別為0.25%、0.50%和0.75%時，再生混凝土抗折強度尺寸效應較未摻加鋼纖維的再生混凝土分別提高了約9.8%、21.1%和29.3% .鋼纖維摻量較高時，摻量變化對尺寸效應的影響較弱，0.75%摻量小梁試件尺寸效應度約為1.00%摻量試件的99%.

5）在不同取代率和鋼纖維摻量下，基于能量釋放的Bazant尺寸效應理論在再生混凝土中適用性良好.基于擬合結果，提出了Bazant理論中參數的經驗公式.

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