回收輪胎鋼纖維再生骨料混凝土基本力學性能試驗研究

范小春，張雯靜，梁天福，陳凱風

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070；2.武漢地鐵集團建設事業總部，武漢 430000)

0 引 言

資源節約型社會是我國貫徹落實科學發展觀的戰略部署之一。歐洲委員會統計數據表明：建筑垃圾占歐洲每年產生的全部廢棄物的三分之一(10億t)[1]。再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete， RAC)作為一種新型的混凝土材料，能夠在一定程度上緩解因大量建筑垃圾而產生的環境污染及資源浪費問題。因此研究再生骨料混凝土的可替代性就變得極為重要。國外學者Amer等[2]研究了不同水灰比下干燥再生骨料與吸水飽和的再生骨料對混凝土可加工性能的影響。試驗結果表明，在相同水灰比下，摻入干燥再生骨料的混凝土流動性最差，其坍落度較普通混凝土最大降低為76%，而加入吸水飽和的再生骨料后，其流動性與普通混凝土無明顯差異。李瓊等[3]探究了再生骨料的顆粒級配對混凝土抗壓強度的影響。研究發現，RAC的后期抗壓強度增幅較大，當再生骨料級配為5.0～20.0 mm時,RAC抗壓強度在不同養護齡期下均低于普通混凝土。霍洪媛等[4]對不同強度等級的再生骨料對混凝土力學性能的影響展開了研究。試驗發現，隨著再生骨料取代率的升高，混凝土抗壓強度整體呈現下降趨勢，且再生骨料強度等級越低，降低幅度越明顯。再生骨料較低的研磨強度與較強的吸水能力是造成RAC力學性能偏低的主要原因[5]。為了彌補因再生骨料引起的混凝土力學性能損失，國內外研究學者開展了大量且細致的研究。其中在RAC中添加纖維材料，利用纖維材料優越的橋接、增韌能力來增強RAC的力學性能被認為是較常見的方法[6]。Matar[7]、何文昌[8]等研究了聚丙烯纖維(polypropylene fiber， PPF)對RAC力學性能的影響。試驗結果表明，PPF對RAC抗壓強度的影響效果并不明顯，但由再生骨料表面的殘余砂漿引起的混凝土劈裂抗拉強度與抗折強度的損失在很大程度上可以由PPF的加入得到補償。姚運[9]、Ali[10]等發現玻璃纖維(glass fiber， GF)的加入能夠在一定程度上提高RAC的力學性能，其中當再生骨料取代率為50%、GF的體積摻量為0.25%時，RAC的劈裂抗拉強度和抗折強度均要高于普通混凝土。黃偉等[11]發現再生骨料取代率不超過50%時，加入工業鋼纖維(industrial steel fiber， ISF)后混凝土抗壓與抗折強度均能得到較顯著的改善。而當再生骨料取代率超過50%時，混凝土基體強度降幅明顯，ISF的增強增韌效果得不到充分發揮。

然而，生產常規纖維耗能大且對環境會造成不同程度的污染。回收輪胎鋼纖維(recycled tyre steel fiber， RTSF)作為一種回收再利用材料，具有和工業鋼纖維相近的物理及化學性能，在近幾年中被廣泛研究。Aiello[12]、Hu[13]等發現RTSF能夠在一定程度上增強混凝土抗壓強度，隨RTSF體積摻量的改變，其對混凝土抗壓強度的提升幅度約在3%～25%。Zamanzadeh等[14]對RTSF增強混凝土梁進行三點彎曲試驗，試驗結果表明，RTSF對混凝土抗彎強度有顯著的增強效果，且能起到限制裂縫開展及增韌的作用。Caggiano等[15]發現RTSF對混凝土劈裂抗拉強度的改善效果與工業鋼纖維基本一致。總之，RTSF對普通混凝土的部分力學性能有較好的增強效果。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.10×103kg/m3，其主要化學成分見表1。細骨料采用最大粒徑為4.75 mm的天然河砂，細度模數為2.89，密度為2.56×103kg/m3；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的花崗巖；再生骨料采用某路面的廢棄混凝土，經碎石機破碎后，篩分粒徑范圍為5～10 mm且具有連續級配的再生骨料。骨料掃描電鏡照片見圖1。減水劑采用減水率大于25%的聚羧酸高效減水劑。RTSF采用上海井涵橡塑制品有限公司的產品，其長度分布情況見圖2。RTSF形貌、物理及力學性能見表2。

圖2 RTSF長度分布頻率圖Fig.2 Length distribution frequency of RTSF

表1 膠凝材料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cementing materials

表2 RTSF物理和力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of RTSF

試驗設計時以RTSF體積摻量和再生骨料取代率為主要研究對象，RTSF體積摻量Vf分別為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%；再生骨料以等質量取代天然骨料的方式加入，取代率ρr分別為0%、50%、75%和100%。普通混凝土(plain concrete, PC)試件按強度等級C50設計。試驗設計了1組PC試件、3組再生骨料混凝土試件、4組RTSF再生骨料混凝土試件，共8組。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm。所有混凝土試件均在標準養護條件下養護7 d或28 d，待達到養護齡期后進行后續試驗，混凝土試驗配合比見表3。

表3 混凝土試驗配合比Table 3 Mix proportion of concrete experiment /(kg·m-3)

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能測試依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)。坍落度桶上口直徑100 mm、下口直徑200 mm、桶高300 mm；含氣量測定儀體積容量為7 L，型號為LC-615A。混凝土基本力學性能試驗依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行。立方體抗壓強度(7 d和28 d)和劈裂抗拉強度(28 d)試驗采用100 t的WAW-1000B微機控制電液伺服萬能試驗機進行加載，加載速率分別為0.5 MPa/s與0.05 MPa/s；抗折強度(28 d)試驗采用10 t自平衡反力平臺進行加載，加載速率為0.05 MPa/s。

2 結果與討論

2.1 混凝土拌合物性能

2.1.1 坍落度

不同再生骨料取代率的混凝土拌合物坍落度見圖3。不同RTSF體積摻量的混凝土拌合物坍落度見圖4。

按照RESTful風格將上述服務提供的接口和訪問方法發布為Web資源，各服務對應的REST API見圖6。

圖3 再生骨料含量對混凝土坍落度的影響Fig.3 Effect of recycled aggregate content on slump of concrete

圖4 纖維摻量對RAC50坍落度的影響Fig.4 Effect of fiber content on slump of RAC50

(1)再生骨料取代率的影響

混凝土拌合物坍落度隨再生骨料取代率的增加而降低。PC的坍落度為162 mm，RAC50、RAC75和RAC100的坍落度分別比PC降低了25.3%、43.2%和63.6%。這主要是因為再生骨料表面殘余的水泥砂漿吸水能力較強，且再生骨料破碎時內部會產生一定量的微裂紋，使得再生骨料的吸水率遠高于天然骨料[16-17]。因此再生骨料含量越高，混凝土拌合物的粘聚性越強、流動性越差。

(2)RTSF體積摻量的影響

混凝土拌合物坍落度隨RTSF體積摻量的增加而降低。RAC50的坍落度為121 mm，RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的坍落度較RAC50分別降低了6.6%、11.6%、15.7%和23.1%，較PC分別降低了30.2%、34.0%、37.0%和42.6%。這是因為RTSF在混凝土中易形成網狀結構，增大混凝土內部流動的摩擦阻力，進而導致混凝土流動性變差、和易性降低[15]。此外在拌合過程中RTSF表面附著的殘余橡膠顆粒會吸收一部分水，也對混凝土流動性能造成了不利影響。

2.1.2 含氣量

不同混凝土拌合物實際含氣量見圖5。

圖5 混凝土拌合物含氣量Fig.5 Gas content of concrete mixture

(1)再生骨料取代率的影響

混凝土拌合物含氣量隨再生骨料取代率的升高而明顯增大。PC含氣量為1.43%，RAC50、RAC75和RAC100的含氣量較PC分別提高了59.4%、74.1%和88.8%。這是因為再生骨料由水泥砂漿包裹的原始骨料組成，二者的接觸面之間存在許多微小間隙，且通過SEM能夠清楚的觀察到再生骨料表面的水泥砂漿為多孔結構，孔隙率較大。因此，在加入再生骨料進行拌合時，更易引入空氣，導致混凝土含氣量增大[17]。

(2)RTSF體積摻量的影響

混凝土拌合物含氣量隨RTSF體積摻量的增加而增大。RAC50的含氣量為2.28%，RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的含氣量較RAC50分別升高3.9%、5.7%、7.9%和9.2%，較PC分別提高65.7%、68.5%、72.0%和74.1%。加入RTSF后混凝土中形成了纖維與砂漿的薄弱界面，產生更多可供氣體進入的通道。另外RTSF上附有橡膠顆粒，橡膠顆粒表面較粗糙，有許多微小孔洞，在攪拌過程中更容易引入空氣[18-19]。

2.2 立方體抗壓強度

圖6和圖7分別為不同再生骨料取代率和不同RTSF體積摻量的混凝土試件在養護7 d與28 d時的立方體抗壓強度。

圖6 混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率變化圖Fig.6 Effect of recycled aggregate content on compressive strength of concrete

圖7 混凝土抗壓強度隨纖維摻量變化圖Fig.7 Effect of fiber content on compressive strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影響

試件立方體抗壓強度隨再生骨料取代率的升高而降低。當養護齡期為7 d時，PC的立方體抗壓強度為42.9 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的立方體抗壓強度較PC分別降低4.9%、8.6%和12.1%；當養護齡期為28 d時，PC的立方體抗壓強度為51.6 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的立方體抗壓強度較PC分別減小3.7%、6.6%和12.2%。這種變化趨勢與國內外學者的研究結果基本一致[2-4,16]。這主要是因為再生骨料是一種非均質材料，由砂漿殘渣包裹的原始骨料組成，而砂漿殘渣與原始骨料之間的黏結作用較弱，導致再生骨料研磨強度較天然骨料有降低[2,4]。

(2)RTSF體積摻量的影響

試件立方體抗壓強度隨RTSF體積摻量的升高表現出先增大后減小的趨勢。當RTSF體積摻量為0.25%時，混凝土立方體抗壓強度達到最大值，其養護7 d和28 d的強度較PC分別提高了0.5%和4.3%。這與Aiello[12]以及Khallo[20]等的研究結果基本相吻合，即RTSF體積含量在20 kg/m3(Vf=0.25%)左右時，是混凝土抗壓強度的最優體積摻量。原因是RTSF外形呈微彎曲狀，摻入一定量的RTSF能在一定程度上減小混凝土孔隙率并增大混凝土密實度，且在混凝土受壓過程中RTSF能夠起到較好限制微裂縫開展的作用，進而能夠增強混凝土抗壓強度[19-21]。當RTSF體積摻量為0.5%時，混凝土抗壓強度產生小幅降低，RAC50-0.5養護7 d和28 d時的抗壓強度較PC降低2.8%和1.0%。而隨著RTSF體積摻量的進一步升高，其對混凝土抗壓強度產生的不利影響越顯著，其中RAC50-1.0養護7 d和28 d時的抗壓強度較PC最高降低了15.4%和13.4%。這可解釋為當RTSF含量過高時，RTSF易在混凝土內部發生結團現象，混凝土整體均勻性被破壞，使得混凝土各部位收縮不一致，導致其抗壓性能被削弱[12]。

圖8為立方體試件的立方體抗壓試件破壞圖，可以看出再生骨料混凝土在受壓破壞時表現為明顯的脆性破壞，試件在破壞時表面有大量混凝土崩裂脫落。而RTSF的加入對混凝土的破壞裂縫有一定的抑制效果，當RTSF體積摻量為0.25%時，混凝土試件外部產生較寬的貫穿裂縫，且伴有少量混凝土脫落；當RTSF體積摻量為0.5%時，混凝土試件表面出現較多的豎向裂縫，而在RTSF的約束下，試件基本保持完整，僅有少部分砂漿剝落；當RTSF體積摻量提高至1.0%時，混凝土試件外觀僅出現一條較寬的縱向裂縫和少許細而短的微裂縫，試件表現出更高的完整性。表明適量的RTSF能夠提高混凝土韌性，使混凝土的破壞形態由明顯的脆性破壞改為延性破壞。此外值得注意的是RAC50-0.25在7 d與28 d時的抗壓強度較PC提高0.5%和4.3%。這表明摻入一定含量的RTSF后，能夠彌補混凝土因再生骨料的加入而降低的抗壓強度。

圖8 立方體試件抗壓破壞形態Fig.8 Compressive failure mode of concrete

2.3 劈裂抗拉強度

圖9和圖10分別為不同再生骨料取代率和不同RTSF體積摻量的混凝土的劈裂抗拉強度。

圖9 混凝土劈裂抗拉強度隨再生骨料取代率變化圖Fig.9 Effect of recycled aggregate content on splitting tensile strength of concrete

圖10 纖維摻量對混凝土劈裂抗拉強度的影響Fig.10 Effect of fiber content on splitting tensile strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影響

PC在養護齡期為28 d時的劈裂抗拉強度為3.54 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的劈裂抗拉強度較PC分別降低7.6%、12.4%和22.3%。同抗壓強度的變化規律一致，劈裂抗拉強度也隨再生骨料取代率的升高而降低[4,7,10,22]。通過觀察劈裂后試件的破壞面可以發現，PC在劈裂時大多是在粗骨料與水泥砂漿的黏結面處發生破壞，僅有極少數粗骨料被劈裂。而與PC破壞形態不同的是，RAC在劈裂時有許多粗骨料發生劈裂，且多數為再生骨料。這主要是因為再生骨料是由廢棄混凝土經過破碎后得到的，因此部分再生骨料內部會存在一些裂縫，這些裂縫導致再生骨料在劈裂過程中較天然骨料而言更容易發生破壞[9-10]。再生骨料取代率越高，混凝土在劈裂過程中發生破壞的區域越多，劈裂抗拉強度降低幅度越明顯。

(2)RTSF體積摻量的影響

RAC50的劈裂抗拉強度為3.27 MPa。RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的劈裂抗拉強度較RAC50分別提高10.4%、18.7%、16.5%和14.1%，RTSF對混凝土的劈裂抗拉強度有顯著的增強效果。這可歸功于RTSF具有較高的抗拉強度(抗拉強度約為2 165 MPa)，在混凝土劈裂過程中RTSF能夠吸收一部分拉應力，且RTSF外形呈彎曲狀，故在劈裂時可以起到較好限制微裂縫開展的作用[15]。此外加入RTSF的四組RAC50的劈裂抗拉強度均要高于PC，其中RAC50-0.5的劈裂抗拉強度較PC增大9.6%。這表明RAC中摻入一定體積的RTSF后，能夠在不同程度上改善RAC較低的力學性能。圖11為混凝土試件的劈裂抗拉破壞圖。未摻入RTSF時，再生骨料混凝土從試件中間被劈裂成兩半，為典型的混凝土脆性破壞特征。加入RTSF后，混凝土試件表面雖然產生貫穿裂縫，但由于RTSF優越的橋接裂縫能力，試件未從中間斷裂，整體性依舊保持完好。

圖11 立方體試件劈裂抗拉破壞形態Fig.11 Splitting tensile failure mode of concrete

2.4 抗折強度

圖12和圖13分別為不同再生骨料取代率和不同RTSF體積摻量的混凝土的抗折強度。

圖12 混凝土抗折強度隨再生骨料取代率變化圖Fig.12 Effect of recycled aggregate content on flexural strength of concrete

圖13 混凝土抗折強度隨纖維摻量變化圖Fig.13 Effect of fiber content on flexural strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影響

PC的抗折強度為4.8 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的抗折強度較PC分別降低8.3%、12.5%和18.8%。同劈裂抗拉強度的變化規律一致，抗折強度也隨再生骨料取代率的升高而降低[4,7,10,22]。原始骨料與殘余水泥砂漿間較弱的粘接強度、再生骨料較低的研磨強度與較高的吸水性是導致混凝土抗折強度隨再生骨料取代率升高而降低的主要因素。

(2)RTSF體積摻量的影響

RAC50的抗折強度為4.4 MPa。RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的抗折強度較RAC50分別增大11.4%、22.7%、18.2%和13.6%。這與Ali等[20]的研究結果一致，當RTSF體積含量達到39 kg/m3(Vf=0.5%)時，RTSF對混凝土抗折強度的提升效果最顯著。這是因為RTSF幾何外形微微彎曲，具有較好橋接裂縫的能力，且在抗折過程中RTSF從混凝土基體中被拔出會消耗部分能量，因此加入一定量的RTSF能夠明顯改善混凝土較低的抗折性能[14]。而隨RTSF體積摻量的進一步升高，混凝土抗折強度卻發生不同程度的降低。這可解釋為含量過高的RTSF易在混凝土內部發生結團現象，對混凝土力學性能造成不利影響[12]。此外RTSF表面殘余的橡膠顆粒與混凝土之間形成的黏結處抗彎拉性能較弱，因此RTSF含量越高，混凝土中的薄弱界面越多，抗折強度有一定程度的降低[20]。值得在意的是,摻入體積分數為0.25%、0.5%、0.75%和1.0%的四組RAC50抗折強度均要高于PC，其中RAC50-0.5的抗折強度較PC最大提高了12.5%。這表明由再生骨料表面的殘余砂漿引起的混凝土抗折強度的降低在很大程度上由RTSF的加入得到補償。圖14為混凝土試件的抗折破壞圖。RAC50在抗折過程中從試件跨中處發生斷裂，具有明顯的脆性破壞特征；RTSF體積摻量為0.5%時，混凝土試件下部受拉區域出現裂縫，裂縫逐漸延伸至試件上表面處，試件變形較大，但保持不斷，從試件斷裂面能夠看到有RTSF從混凝土基體中被拔出；RTSF體積摻量為1.0%時，混凝土試件表面裂縫開展程度降低，且裂縫寬度有顯著減小，試件基本保持完整，變形較小。充分體現出RTSF對混凝土試件抗折裂縫擴展的抑制效果。

圖14 試件抗折破壞形態Fig.14 Flexural failure mode of concrete

2.5 彎曲韌性

試件荷載位移曲線見圖15。PC與RAC的韌性曲線基本沒有下降段，而摻入RTSF的四組混凝土韌性曲線具有明顯的下降段，RTSF體積摻量越高，其韌性曲線下降段越平緩。依據ASTM C1018計算出的混凝土彎曲韌度指數見圖16。PC彎曲韌度指數(I5、I10、I20)為1.62，RAC50、RAC75和RAC100的彎曲韌度指數(I5、I10、I20)較PC分別降低了3.7%、11.7%和23.5%，彎曲韌度指數隨再生骨料取代率的升高而降低，RAC較PC表現出更明顯的脆性特征。RTSF的加入能在極大程度上改善RAC本身具有的脆性，在一定纖維摻量范圍內，RAC的彎曲韌度指數隨RTSF體積含量的升高而增大。這是因為RTSF橋接裂縫的能力較強，延緩了混凝土彎曲斷裂過程，從而起到明顯的增韌效果[23]。其中RAC50-0.5的彎曲韌度指數I5、I10和I20分別是PC的2.7倍、3.8倍和4.8倍。

圖15 混凝土荷載位移曲線Fig.15 Load-displacement curves of concrete

圖16 混凝土彎曲韌度指數Fig.16 Bending toughness index of concrete

3 結 論

(1)再生骨料的加入對混凝土的工作性能與力學性能均產生較大的不利影響。當再生骨料取代率為100%時，混凝土含氣量較PC升高88.8%，坍落度、抗壓強度(28 d)、劈裂抗拉強度和抗折強度分別降低63.6%、12.2%、22.3%和18.8%，體現出再生骨料的物理及力學性能較天然骨料有所缺陷。

(2)RTSF再生骨料混凝土滿足普通混凝土的基本要求，當再生骨料取代率為50%時，RTSF最佳體積摻量為0.5%。由于再生粗骨料對混凝土工作性能的影響遠大于RTSF，導致RAC50-0.5的坍落度較PC降低34.0%，含氣量增大68.5%。但依舊滿足《混凝土質量控制標準》(GB 50164—2011)中對混凝土拌合物流動性與含氣量的要求。RAC50-0.5的抗壓強度與PC無明顯差異，養護7 d與28 d時的抗壓強度較PC僅降低2.8%和1.0%。RTSF體積摻量為0.5%時，對混凝土劈裂抗拉強度和抗折強度的改善效果最顯著，RAC50-0.5的劈裂抗拉強度和抗折強度較PC分別增大9.6%與12.5%，彎曲韌度指數I5、I10和I20分別提高2.7倍、3.8倍和4.8倍。

(3)RTSF再生骨料混凝土的破壞特征表現為明顯的延性破壞。立方體抗壓破壞時，混凝土試件表面僅產生裂縫，無大塊混凝土脫落；劈裂抗拉與抗折破壞時，混凝土試件呈現裂而不斷的失效形態，試件整體性基本保持完好。

(4)一定體積分數的RTSF能夠彌補用再生骨料替代天然骨料時混凝土損失的力學性能，且對再生骨料混凝土的韌性有顯著的增強效果。