鋼纖維再生混凝土劈拉和彎拉強度試驗研究

蔣毓晉，安新正，王李鑫，劉浩楠，張翠霞

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

再生混凝土通常是指將建筑廢物中的廢棄混凝土塊，經人工或者機器破碎、清洗和篩分等工藝后，以適當的比例用以部分或者全部替代天然骨料配制而成的混凝土。這種新型混凝土的開發利用不僅能夠解決大量建筑廢料管理困難的問題，而且還能減少對生態環境的破壞，具有顯著的經濟價值和社會效益[1-4]。但是由于再生粗骨料的表面孔隙和棱角多，吸水率大等原因，導致再生混凝土強度低、脆性大、抗拉強度低和彎曲韌性差，以至于在很大程度上限制了其應用范圍[5-8]。鋼纖維混凝土是將隨機亂向分布的鋼纖維摻入普通混凝土中形成的一種新型復合混凝土[9]，鋼纖維的加入可以改善混凝土內部的缺陷，降低混凝土的脆性，顯著提高其抗拉和抗彎性能[10-11]。周佳媚[12]等人為研究鋼纖維混凝土的彎曲性能，通過對四種鋼纖維摻量的切口梁進行三點彎曲試驗，研究結果表明，鋼纖維摻入后鋼纖維混凝土切口梁的初裂荷載并無明顯提升，但是開裂后的彎曲性能有著顯著的提高。張陽[13]等人為了研究鋼纖維含量對高強混凝土力學性能的影響，對不同鋼纖維含量的試件進行了立方體抗壓、軸心受壓、彈性模量和四點彎曲試驗研究，研究結果表明，隨著鋼纖維含量的增加，混凝土的立方體抗壓、軸心受壓彈性模量呈遞增趨勢，試件具有良好的受壓變形性能，且彎拉強度也隨著鋼纖維含量的增加而顯著提高。Jang[14]等人為了研究鋼纖維含量和粗骨料粒度對鋼纖維混凝土基本力學性能的影響規律，對不同鋼纖維含量和粗骨料粒度的鋼纖維混凝土試件進行了力學性能試驗，研究結果表明，鋼纖維含量和粗骨料粒度對抗壓強度和彈性模量影響不大，但其彎曲和拉伸性能有顯著提高。

目前國內外學者的研究大多針對鋼纖維普通混凝土，對鋼纖維再生混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC)的研究相對較少。故本文基于《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)[15]，對不同鋼纖維體積率和再生粗骨料取代率的鋼纖維再生混凝土試件開展劈裂抗拉和四點彎曲試驗，研究鋼纖維體積率和再生粗骨料取代率對其劈拉和彎拉強度的影響規律以及兩者之間的相關關系，以期為鋼纖維再生混凝土工程提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

(1)水泥(C)：選用紅旗牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；(2)粗骨料：包含天然粗骨料(NCA)和再生粗骨料(RCA)，其中天然粗骨料為具有良好級配的破碎卵石,如圖1(a)所示，再生粗骨料選用學校結構試驗室廢棄混凝土梁經人工和機械破碎、篩分得到的級配良好的粗骨料，如圖1(b)所示，兩種粗骨料的粒徑均為5～20 mm，其常用性能指標如表1所示；(3)細骨料：選用細度模數為1.8的天然河砂(S)，其含泥量為1.2%；(4)粉煤灰(FA)：選用邯峰電廠生產的Ι級粉煤灰，摻量為10%；(5)減水劑(WR)：減水率大于20%的ST-01聚羧酸高性能液體減水劑；(6)鋼纖維(SF)：銑削波紋型，長度32 mm,長徑比為34，抗拉強度為600 MPa；(7)水(W)：邯鄲市政自來水。

圖1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

表1 粗骨料物理性能指標Tab.1 Physical performance index of coarse aggregate

1.2 試驗配合比與試件制作

試驗基于相關規程[16-18]，以鋼纖維體積率為0%、1%、2%和再生粗骨料取代率為0%、10%、20%、30%、40%作為設計變量共設計15組配合比(表2)。基于《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)[15]，每組配合比制作6個試件，其中3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和3個100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，放入養護室中標準養護28 d。

2 試驗方法

2.1 劈拉強度試驗

依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB 50081—2002)[19]對標準養護28 d的鋼纖維再生混凝土立方體試塊開展劈裂抗拉強度試驗，試驗加載裝置采用型號為YES-2000的數顯式壓力試驗機，加載速率控制在0.05 MPa/s左右，其試驗示意圖，如圖2所示。鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度值按公式(1)計算，每組試件的劈拉強度值為三個試件的算術平均值。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Recycled concrete mix ratio

(1)

式中：F—試件豎向破壞荷載；A—試件劈裂面截面面積。

圖2 試驗示意圖Fig.2 Experimental schematic graph

2.2 抗彎強度試驗

依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(CECS 13—2009)[15]進行抗彎強度試驗，本試驗加載設備為微機控制WAW-1000型電液伺服試驗機，采用四點彎曲加載和位移控制的加載方式，早期加載速率為0.15 mm/s,試件開裂后加載速率為0.1 mm/s。試驗加載示意圖和現場圖如圖3所示。鋼纖維再生混凝土試件梁的彎拉強度值按公式(2)計算，每組試件的彎拉強度值為三個試件的算術平均值。

(2)

式中：ffs—梁試件的彎拉強度；Fpl—試件的峰值荷載；L—支座之間跨度；b—梁試件截面寬度；h—梁試件截面高度。

圖3 試驗示意圖(單位：mm)Fig.3 Experimental schematic graph (unit: mm)

3 試驗結果與分析

3.1 劈拉強度試驗結果及分析

3.1.1 鋼纖維體積率對SFRC劈拉強度的影響

圖4給出了SFRC的劈拉強度fts隨鋼纖維體積率V的變化關系柱狀圖。由圖4可以看出，當SFRC的再生粗骨料取代率r一定時，SFRC的fts隨V的增大而增大。當r分別為0%，10%，20%，30%和40%時，V=1%和2%的SFRC試件相比于V=0%時的SRCF試件，fts分別提升了46.2%和58.3%，37.1%和53.3%，30.0%和48.2%，25.1%和39.8%，39.9%和47.1%，由此我們可以看出，含鋼纖維的破碎卵石再生混凝土試件(V>0%)相比不含鋼纖維的(V=0%)破碎卵石再生混凝土試件，劈裂強度明顯提高，這是由于在SRCF劈裂受拉過程中的裂縫擴展階段，隨機亂向摻入的鋼纖維中有部分鋼纖維橫跨于裂縫兩端，這起到了很好的裂縫搭接作用，對裂縫有拉結作用。在裂縫的擴展過程中，這些鋼纖維改善了SFRC的裂縫擴展的形態，阻礙了裂縫的發展。從而使SFRC的劈拉強度fts顯著提高，并且鋼纖維體積率V越大，劈拉強度fts增加的越顯著。

圖4 劈拉強度fts隨鋼纖維體積率V的變化關系柱狀圖Fig.4 Histogram of splitting tensile strength fts with steel fiber volume ratio V

3.1.2 再生粗骨料取代率對SFRC劈拉強度的影響

圖5給出了SFRC的劈拉強度fts隨再生粗骨料取代率r的變化關系圖。由圖5可以看出，當SFRC的體積率V一定時，SFRC的劈拉強度fts隨再生粗骨料取代率r的增大，表現出先增大后減小的變化情況，在再生粗骨料取代率r=30%時，fts達到最大值。相比于r=0%時的SFRC試件，r=10%，20%，30%，40%時SRCF試件劈拉強度fts分別增長了7.0%，18.2%，26.3%，6.1%。在r=30%時，SFRC的fts增幅最大，劈裂抗拉強度最高。原因再于再生骨料的表面較為粗糙，且附著較多的老舊砂漿塊，適量的再生粗骨料摻入可以增強骨料與水泥砂漿的界面粘結強度，增大了與混凝土基體之間的機械咬合力，從而使SFRC的劈裂抗拉強度有所提升。但由于再生骨料的強度較低，摻入過多又會劣化界面粘結強度。所以在r>30%時，SFRC的劈拉強度fts變化趨勢開始下降。

圖5 劈拉強度fts隨再生粗骨料取代率r的變化關系圖Fig.5 Relationship between splitting tensile strength fts and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.2 彎拉強度試驗結果及分析

3.2.1 鋼纖維體積率對SFRC彎拉強度的影響

圖6給出了SFRC的彎拉強度ffs隨鋼纖維體積率V的變化關系圖。由圖6可知，當SFRC的再生粗骨料取代率r一定時，SFRC試件的彎拉強度ffs隨鋼纖維體積率V的增大而增大。當r分別為0%，10%，20%，30%和40%時，鋼纖維體積率V=1%的SFRC試件相比于V=0%的SRCF試件，其彎拉強度ffs分別提高了42.9%、39.5%、40.5%、51.1%和44.4%；鋼纖維體積率V=2%的SFRC試件相比于V=0%的SFRC試件，其彎拉強度ffs分別提高了97.1%、94.7%、97.6%、95.5%和94.4%。由此可以看出，含鋼纖維的SFRC試件相比不含鋼纖維的SFRC試件，其彎拉強度ffs顯著提高，且隨著V的增加而增加。這是由于鋼纖維自身抗拉強度高，當SFRC試件中摻入隨機亂向分布的鋼纖維后，在試件受彎過程中鋼纖維隨機亂向橫跨分布于裂縫兩邊，對裂縫兩邊的基體起到了很好的連結和錨固作用，從而抑制了裂縫的擴展，所以，SFRC試件的彎拉強度ffs顯著提高，且隨著鋼纖維體積率V的增大，鋼纖維分布于裂縫兩邊的數量越多，在裂縫上形成了片狀鋼纖維網，進一步增強了與基體之間的粘結錨固力，增強了它們的整體性能，從而抑制裂縫發展的作用越大，所以SFRC試件的延性有了很大的提高，隨之其彎拉強度ffs也顯著提高。

圖6 彎拉強度 ffs隨鋼纖維體積率V的變化關系圖Fig.6 Relationship between bending tensile strength ffs and steel fiber volume ratio V

3.2.2 再生粗骨料取代率對SFRC彎拉強度的影響

圖7給出了SFRC的彎拉強度ffs隨再生粗骨料取代率r的變化關系圖。由圖7可以看出，當SFRC的鋼纖維體積率V一定時，SFRC的彎拉強度ffs隨再生粗骨料取代率r的增大表現為先增大后減小的趨勢，在r為30%時達到最大值。當鋼纖維體積率V=0%時(即不摻鋼纖維時)，SFRC的彎拉強度ffs相比于V=1%和V=2%時較小，并且再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%時的SFRC試件與r=0%的SFRC試件，其彎拉強度ffs分別提高了8.6%、20%、28.6%和2.85%。當鋼纖維體積率V=1%時，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比較r=0%時的SFRC試件，其彎拉強度ffs分別提高了6%、18%、36%和4%；當鋼纖維體積率V=2%時，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比較r=0%時的SFRC試件，其彎拉強度ffs分別提高了7.2%、20.3%、27.5%和1.5%。由此可以看出，當再生粗骨料取代率r=30%時，SFRC試件的彎拉強度ffs增幅最大且其值達到最大值。當鋼纖維體積率V=0%和再生粗骨料取代率r<30%時，一方面由于再生粗骨料表面粗糙且棱角多，其加入可以增強水泥砂漿和再生粗骨料的界面粘結性能[20-21]；另一方面再生粗骨料的吸水率比天然粗骨料大，從而在混凝土攪拌時吸走了部分拌和水，導致實際水灰比變小，所以使SFRC試件的彎拉強度ffs提高。但是當再生粗骨料取代率r>30%時，SFRC試件的彎拉強度ffs下降，原因是再生粗骨料本身的強度較低，摻入過多會使試件的強度變低而脆性增大，同時又會影響到漿體與骨料界面的粘結強度，所以其彎拉強度ffs下降。當鋼纖維體積率V=1%和2%時，SFRC試件的彎拉強度ffs的變化規律跟V=0%時相同，也是隨再生粗骨料取代率r的增大而先增大后減小，并都在r=30%時SFRC試件的彎拉強度ffs達到最大值，同時隨著鋼纖維體積率的增大而增大。原因是，再生粗骨料表面空隙多，隨著鋼纖維的摻加，使得再生粗骨料與鋼纖維之間的粘結錨固作用增強，摩擦阻力增大，增強了再生粗骨料、鋼纖維和漿體之間的整體性，從而有效提升了SFRC試件的抗彎強度，但是再生粗骨料摻量過多以及鋼纖維的加入會增大試件內部的空隙，減弱鋼纖維和漿體與骨料之間的連接作用，降低了試件的整體性，對SFRC試件的彎拉強度ffs產生不利影響。由此可以看出，再生粗骨料取代率為30%時為最佳摻量。

圖7 彎拉強度ffs隨再生粗骨料取代率r的變化關系圖Fig.7 Relationship between flexural tensile strength ffs and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.3 SFRC劈拉強度和彎拉強度的關系

圖8給出了SFRC的彎拉強度ffs和劈拉強度fts的關系圖。

圖8 彎拉強度ffs與劈拉強度fts的關系圖Fig.8 Relationship between bending tensile strength ffs and splitting tensile strength fts

根據試驗數據，對SFRC試件的ffs與fts進行擬合回歸，得出兩者的函數計算關系式為(擬合優度R2=0.96)：

4 結論

1)當再生粗骨料取代率一定時，隨著鋼纖維體積率的提高，鋼纖維再生混凝土的劈拉強度和彎拉強度也隨之提高，且受其影響顯著。

2)當鋼纖維體積率一定時，鋼纖維再生混凝土的劈拉強度和彎拉強度則隨再生粗骨料取代率的增加表現為先增大而后降低，且在再生粗骨料取代率為30%時增幅最大并達到最大值。

3)基于劈拉和彎拉強度試驗數據，給出了鋼纖維再生混凝土的彎拉強度和劈拉強度的函數計算關系式，且計算關系式與實際試驗值吻合度較好，可為鋼纖維再生混凝土的彎拉強度和劈拉強度的計算提供參考。