鋼纖維再生混凝土強(qiáng)度與破壞形態(tài)試驗(yàn)研究

周陳旭， 譚 燕， 周金枝， 何 奇

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

混凝土建筑建造時(shí)消耗大量自然資源，拆除時(shí)也會產(chǎn)生難以回收的建筑垃圾，對生態(tài)環(huán)境造成了難以挽回的破壞[1]。近十幾年以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)向好，城市飛速發(fā)展，大量未達(dá)到使用年限的建筑被拆除，造成建筑垃圾難以處理，資源浪費(fèi)，環(huán)境污染等問題[2]。如何對建筑垃圾再利用引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。將建筑廢料進(jìn)行破碎、清洗、篩分等步驟之后稱之再生粗骨料[3]。肖建莊[4]等研究了再生混凝土碳排放，再生混凝土有更好的環(huán)保價(jià)值，隨著再生骨料替代率的增加，碳排放隨之減少。喬宏霞[5]等調(diào)查表明荷蘭、韓國、美國等發(fā)達(dá)國家, 再生混凝土起步較早，技術(shù)相比于中國更加成熟，利用率大幅領(lǐng)先于中國。再生混凝土不僅環(huán)保，是一種綠色混凝土，在經(jīng)濟(jì)上也具有較大優(yōu)勢[6]。

再生混凝土因使用建筑廢料，其力學(xué)性能、耐久性和結(jié)構(gòu)性能上都明顯不如天然骨料混凝土，在實(shí)際工程中應(yīng)用還存在一定不足[7]。通過對再生混凝土進(jìn)行改性可以改善再生混凝土的各種性能[8]。其中纖維可以改善其抗拉強(qiáng)度差，脆性大的缺點(diǎn)，纖維通常有橡膠纖維[9]、鋼纖維[10]、聚丙烯纖維[11]等。白敏[12]等通過觀察混凝土微觀結(jié)構(gòu)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部有較多有害孔隙結(jié)構(gòu)，而鋼纖維具有隨機(jī)性，可以彌補(bǔ)這些孔隙，使混凝土密實(shí)度更高，有更出色的力學(xué)性能。薛國杰[13]等研究6種不同形狀的鋼纖維對混凝土的力學(xué)性能的影響。Senaratne[14]同時(shí)使用再生骨料和鋼纖維，不僅增強(qiáng)了再生混凝土強(qiáng)度，使其可以替代普通混凝土，同時(shí)對于普通混凝土還具有一定的成本優(yōu)勢，平衡了成本及力學(xué)性能。

目前國內(nèi)外對鋼纖維混凝土和再生混凝土研究較多，但是較少研究鋼纖維摻量對再生混凝土力學(xué)性能及破壞形態(tài)的影響。本文使用摻入不同體積鋼纖維的再生混凝土，對比素混凝土和再生混凝土的抗壓、劈拉、四點(diǎn)彎強(qiáng)度，同時(shí)分析其破壞形態(tài)，為鋼纖維再生混凝土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用湖北某公司生產(chǎn)的42.5級的水泥， 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.6%； 粗骨料粒徑為5～31.5 mm， 其中天然骨料為天然碎石， 表觀密度2648 kg/m3，再生骨料為破碎的C30強(qiáng)度的混凝土，表觀密度2520 kg/m3；細(xì)骨料粒徑<5 mm，為Ⅱ區(qū)中砂；鋼纖維為剪切波浪型鋼纖維，長35 mm，寬2 mm，厚0.8 mm，抗拉強(qiáng)度538 MPa，鋼纖維密度為7850 kg/m3；粉煤灰為 I級粉煤灰，細(xì)度325目，密度2.4 g/cm3，含水量0.5%，燒失量為3.6%；礦粉是中建某廠生產(chǎn)的S95級礦粉，密度2.9 g/cm3，比表面積435 m2/kg。外加劑為中建某廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為24%～26%，含氣量4.6%。

1.2 試件配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15](JCJ 55-2011)設(shè)計(jì)方法，本試驗(yàn)采用的基準(zhǔn)C30混凝土配合比為某工程實(shí)際所用的配合比，將天然粗骨料部分等質(zhì)量替換為再生粗骨料，替換率取為20%。C為C30強(qiáng)度的天然骨料混凝土，RC為再生骨料替換天然骨料，替換率為20%的再生混凝土，SF0.5RC、SF1.0RC、SF1.5RC和SF2.0RC分別為在RC中摻入0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的鋼纖維再生混凝土。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB 50081-2002)和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16](CECS 13-2009)，本試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，采用150 mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)小梁試件進(jìn)行四 點(diǎn)彎 曲試驗(yàn)，采用三個(gè)相同配合比試件的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。試件配合比見表1。

表1 試樣配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 抗壓強(qiáng)度分析從圖1可以看出，素混凝土C抗壓強(qiáng)度為42.21 MPa，替換20%的再生骨料后，RC抗壓強(qiáng)度明顯降低。由圖2可知，RC抗壓強(qiáng)度僅為C的77.6%，RC中再摻入鋼纖維，當(dāng)鋼纖維摻量低于1.0%時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，SFRC抗壓強(qiáng)度逐漸提高，鋼纖維摻量為1.0%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高值41.32 MPa，它是C抗壓強(qiáng)度的97.9%。隨著鋼纖維摻量繼續(xù)增加，鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度反而下降。當(dāng)摻量增加到2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為29.19 MPa，比素混凝土抗壓強(qiáng)度下降了30.8%。

可見，鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度改善最有效，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到素混凝土的90%以上，但過多的鋼纖維反而會降低混凝土強(qiáng)度。

圖1 不同試樣抗壓強(qiáng)度對比

圖 2 再生混凝土相對素混凝土抗壓強(qiáng)度

2.1.2 抗壓破壞形態(tài)分析試驗(yàn)觀察可知，再生混凝土的試驗(yàn)過程現(xiàn)象和素混凝土類似，但是再生混凝土側(cè)面脫落現(xiàn)象更加嚴(yán)重。而摻入鋼纖維的再生混凝土試樣在加載過程中，裂縫出現(xiàn)時(shí)間延后，隨著加載時(shí)間持續(xù)，裂縫比素混凝土出現(xiàn)得多，但是裂縫相對較小，鋼纖維再生混凝土破壞時(shí)也會“嘣”地一聲，但是聲音較沉悶，破壞時(shí)的裂縫大多數(shù)沒有呈現(xiàn)貫穿狀，而且側(cè)面脫落混凝土較少，這是因?yàn)樵偕炷林袚饺脘摾w維，鋼纖維在破壞界面處形成一道連接，阻礙了裂縫寬度的進(jìn)一步發(fā)展?？箟涸囼?yàn)試樣破壞見圖3。

圖 3 抗壓試驗(yàn)試樣破壞圖

2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 劈裂抗拉強(qiáng)度分析從圖4可以看出，C的劈拉強(qiáng)度為3.08MPa，RC的劈拉強(qiáng)度明顯低于C。由圖5可知，RC的劈裂抗拉強(qiáng)度較C降低了20.5%，在RC中摻入0.5%的鋼纖維后，SF0.5RC的劈裂抗拉強(qiáng)度相比C降低了僅6.8%，當(dāng)鋼纖維摻量增加至1.0%后，SF1.0RC的劈裂抗拉強(qiáng)度已經(jīng)比C高出22.7%，繼續(xù)摻入鋼纖維達(dá)到1.5%時(shí)，此時(shí)SF1.5RC的劈裂抗拉強(qiáng)度比SF1.0RC有所降低，但是相比C仍然提高了8.1%，當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到2.0%時(shí)，SFRC的劈裂抗拉強(qiáng)度比C提高了6.2%，這說明鋼纖維摻量到達(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)后，繼續(xù)摻入鋼纖維對再生混凝土的劈拉強(qiáng)度改善效果下降。

對比SFRC和RC的劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，SFRC的劈拉強(qiáng)度較RC分別提高了17.3%、54.3%、36.0%和33.3%?？梢?，鋼纖維的摻量對RC的劈拉強(qiáng)度有顯著影響，當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到1.0%時(shí)，鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度已經(jīng)超過了素混凝土。鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，改善效果最佳，鋼纖維摻量繼續(xù)增加時(shí)對RC的劈裂抗拉強(qiáng)度改善效果減弱。

圖 4 不同試樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比

圖 5 再生混凝土相對素混凝土劈拉強(qiáng)度

2.2.2 劈裂抗拉破壞形態(tài)分析再生混凝土的劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)象與素混凝土類似，破壞時(shí)再生混凝土有中間裂為兩半，斷口處無其他次裂縫。鋼纖維再生混凝土達(dá)到破壞荷載時(shí)沒有出現(xiàn)突然劈裂現(xiàn)象，SF0.5RC豎向中線出現(xiàn)了很明顯的貫穿主裂縫，并在主裂縫旁出現(xiàn)了次生裂縫，用力將混凝土試樣掰開可以看見裂開部位有鋼纖維拉扯。SF1.0RC、SF1.5RC以及SF2.0RC試樣沒有明顯變化，只是在試樣豎向中線附近可以看見一條從底部延伸至頂部的不明顯的裂縫，且破壞后基本還保持著原有形態(tài)，說明鋼纖維的摻入能有效改善混凝土脆性破壞的特征，鋼纖維再生混凝土具有較好的韌性。各配合比試樣破壞形態(tài)對比見圖6。

2.3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 抗折強(qiáng)度分析如圖7所示，混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲的加載方式，試驗(yàn)裝置為MTS微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)，最大荷載為100 kN。

圖 6 各配合比試樣劈裂抗拉破壞形態(tài)對比

抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量變化的曲線如圖8，C的抗折強(qiáng)度要明顯高于RC。由圖9可知，RC較C的抗折強(qiáng)度大幅度降低，降低了11.4%。加入0.5%體積摻量的鋼纖維后，SF0.5RC的抗折強(qiáng)度較C僅降低了3.6%，已經(jīng)比較接近C的抗折性能，加入1.0%體積摻量的鋼纖維后，SF1.0RC的抗折強(qiáng)度超過C的抗折強(qiáng)度0.3%，繼續(xù)增加鋼纖維的摻量分別為1.5%和2.0%時(shí)，SF1.5RC和SF2.0RC的抗折強(qiáng)度相比C分別下降了4.6%和10.5%。綜上所述，鋼纖維的加入，能有效改善RC的抗折性能，彌補(bǔ)再生骨料對混凝土抗折性能的不利影響。

圖 8 不同配合比試樣抗折強(qiáng)度值

圖 9 再生混凝土相對素混凝土抗折強(qiáng)度

對比SFRC和RC，當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，SFRC較RC的抗折強(qiáng)度依次增加了8.8%、13.2%、7.6%和1.0%，從數(shù)據(jù)中可以看出，SF1.0RC的抗折性能最佳，使鋼纖維再生混凝土的抗折性能達(dá)到素混凝土的抗折性能要求。

2.3.2 小梁試樣破壞形態(tài)分析各試樣的荷載-位移曲線見圖10。從圖10可以看出，C和RC的荷載-位移曲線接近直線型上升，當(dāng)達(dá)到荷載極值時(shí)，荷載值直接降為0，“嘣”地一聲完全斷裂為兩段，無法繼續(xù)承受荷載。在達(dá)到荷載極限前，SFRC的荷載上升速度沒有C和RC快，但位移較C、RC增大，而且SF1.0RC的極限荷載較C有所提升，這說明摻入鋼纖維，彌補(bǔ)了因再生骨料的加入而導(dǎo)致的混凝土抗折能力降低；SFRC在達(dá)到極限荷載后，荷載值并沒有突降為0，荷載是先陡降隨后緩慢降低。鋼纖維再生混凝土小梁在試驗(yàn)中表現(xiàn)的脆性特征不明顯，當(dāng)加載至極限荷載的60%左右時(shí)，混凝土發(fā)出細(xì)微的聲響，開始有一條主裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增加，逐漸出現(xiàn)細(xì)微的次裂縫。破壞時(shí)有沉悶的斷裂聲，斷裂面呈現(xiàn)鋸齒形，小梁上半部分保持著較好的整體性，且隨著鋼纖維摻量的增加，小梁在破壞時(shí)的完整性越來越好。各配合比小梁試樣破壞形態(tài)見圖11，C和RC破壞骨料和水泥膠體都被切斷，SFRC骨料和水泥膠體被破壞的同時(shí)，部分鋼纖維沒有被切斷，SFRC相比于RC具有了一定的韌性，彌補(bǔ)了再生混凝土脆性斷裂的缺點(diǎn)，破壞之后還有一定的殘余強(qiáng)度，仍然可以繼續(xù)承受荷載直至小梁被完全折斷。

圖10 四點(diǎn)彎曲荷載-位移曲線圖

圖11 小梁試樣破壞形態(tài)

3 結(jié)論

對素混凝土C、再生混凝土RC以及不同鋼纖維摻量的再生混凝土SFRC進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和四點(diǎn)彎曲抗折試驗(yàn)對比研究，并分析了各個(gè)試樣的破壞形態(tài)，主要結(jié)論如下：

1)RC相比C，其力學(xué)性能降低明顯，抗壓強(qiáng)度降低了22.4%，劈拉強(qiáng)度降低了20.5%，抗折強(qiáng)度降低了11.4%。

2)鋼纖維的摻入對再生混凝土力學(xué)性能都有一定的改善，其中對劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度改善更為明顯。SFRC的力學(xué)性能隨著鋼纖維摻量的增加均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這說明合適的鋼纖維體積摻量才能有效地增強(qiáng)RC的力學(xué)性能。

3)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，SFRC的抗壓強(qiáng)度接近C的抗壓強(qiáng)度，劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都超出素混凝土，這說明鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，能彌補(bǔ)因加入再生骨料而導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度的降低。