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(diǎn)彎曲試驗(yàn)，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(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的影響.結(jié)果表明：各規(guī)格小梁試件的抗折強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)，隨再生骨料取代率的增加，再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)呈先增大后降低的規(guī)律，取代率為75%小梁試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)有一定影響，當(dāng)摻量為0～0.75%時，鋼纖維摻量越大，尺寸效應(yīng)越明顯，鋼纖維摻量分別為0、0.25%和0.50%時，試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(yīng)的影響較弱，鋼纖維摻量為0.75%試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度約為1.00%摻量試件的99%.提出了再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)律計算公式，可用于再生混凝土抗折強(qiáng)度的分析計算.

關(guān)鍵詞：再生骨料混凝土；抗折強(qiáng)度；尺寸效應(yīng)；鋼纖維；取代率

中圖分類號：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51408213），National Natural Science Foundation of China（51408213）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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，F(xiàn)ANG 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(nèi)部存在微裂縫和表面殘留有砂漿，其物理性質(zhì)離散性通常較天然骨料更大[1]，由此導(dǎo)致再生骨料混凝土各方面物理力學(xué)性能與普通混凝土相比存在一定差異.力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)是再生混凝土材料的固有特征[2]，通常認(rèn)為尺寸效應(yīng)現(xiàn)象是由材料內(nèi)隨機(jī)分布的低強(qiáng)度單元引起的，對于再生混凝土由于內(nèi)部各相材料性能離散性更為顯著，使得其力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)與普通混凝土有所不同.目前再生混凝土結(jié)構(gòu)計算公式多為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，是由縮尺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到的.因此，為確?？s尺模型測試結(jié)果在足尺結(jié)構(gòu)中的適用性和再生混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠，需對其力學(xué)性能及尺寸效應(yīng)進(jìn)行充分研究.

Xiao等[2]、劉數(shù)華等[3]和Du等[4]對再生混凝土力學(xué)性能的研究表明，再生混凝土的力學(xué)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均比普通混凝土低.通過測得再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的峰值應(yīng)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(dāng)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理及強(qiáng)化措施時，再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)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(yàn)測得了不同尺寸、不同取代率的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，分析結(jié)果表明，各個取代率下的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，即抗壓強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度換算系數(shù)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(yàn)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(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)邊長100 mm鋼纖維再生混凝土試件劈拉強(qiáng)度換算到標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件強(qiáng)度的系數(shù)可取為0.81，小于鋼纖維有關(guān)規(guī)范中給出的鋼纖維天然混凝土換算系數(shù)0.85，尺寸效應(yīng)在再生混凝土上表現(xiàn)得更為明顯.周靜海等[11]對廢棄纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(qiáng)度的尺寸效應(yīng).

楊健男[12]通過棱柱體受壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土的峰值應(yīng)變同樣存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，尺寸較大的試件測得的峰值應(yīng)變會更大，且再生骨料取代率越高，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)度值越大，當(dāng)摻加一定量廢棄纖維后，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)度值會減小.

再生混凝土在道路工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，而在道路設(shè)計中抗折強(qiáng)度（彎拉強(qiáng)度）是混凝土的一個重要力學(xué)性能指標(biāo).目前，關(guān)于再生混凝土力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的研究較少，且多集中在抗壓性能尺寸效應(yīng)上，其抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)研究尚不充分.因此，本文對再生混凝土抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)進(jìn)行較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，分析再生骨料取代率和鋼纖維摻量對尺寸效應(yīng)的影響，建立再生混凝土抗折強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)律.

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計

為研究再生骨料取代率對再生混凝土抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的影響，設(shè)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(qiáng)度及尺寸效應(yīng)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(shè)計的參照組，強(qiáng)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(guī)格的試件.每一規(guī)格試件制備5個，總計成型135個試件.

1.2試驗(yàn)用材料

1）水泥：強(qiáng)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(xù)級配卵石.采用同規(guī)格原材料制備的混凝土柱養(yǎng)護(hù)28 d破碎后過20 mm篩得到.

3）細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[13]測得粗骨料的各項(xiàng)物理參數(shù)，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(biāo)分別為天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍.這是因?yàn)樵偕止橇仙橡じ接嘘惻f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(chǎn)生了微裂紋變得疏松，使得骨料含水率、吸水率、壓碎指標(biāo)增大，而密度有所降低.

1.3配合比設(shè)計

采用附加水法[14]制備再生混凝土試件，各規(guī)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(zhì)量乘以凈吸水率，凈吸水率由表1中實(shí)測的吸水率和含水率綜合確定.摻加鋼纖維的質(zhì)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(shí)測再生骨料取代率分別為0、25%、50%、75%和100%，邊長150 mm標(biāo)準(zhǔn)再生混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(zhì)量會直接影響最終結(jié)果，為減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)過程采取以下措施：1）為避免干燥的攪拌機(jī)吸附拌合水，試驗(yàn)前對攪拌機(jī)進(jìn)行預(yù)濕；2）攪拌不同組混凝土前，及時清洗攪拌機(jī)；3）為避免鋼纖維成團(tuán)，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(yàn)制作流程如圖1所示.

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13—2009）[15]進(jìn)行，加載前試件首先標(biāo)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)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(qū)和砂漿中初始缺陷處產(chǎn)生；隨著荷載進(jìn)一步增大，裂紋迅速發(fā)展，整個試件瞬間斷成兩塊，斷面較為平整，破壞表現(xiàn)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(qiáng)度較低首先開裂.開裂后，微裂縫兩側(cè)混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)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(fā)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(qū)出現(xiàn)，隨荷載增大而緩慢向加載面延伸，達(dá)到最大承載力后，試件依然保持為一個整體并可以繼續(xù)承載，破壞表現(xiàn)出一定的延性破壞特征.

2.2抗折強(qiáng)度結(jié)果

實(shí)測各再生骨料取代率和鋼纖維摻量小梁試件抗折強(qiáng)度、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)分別列于表3和表4中，表中抗折強(qiáng)度值為同規(guī)格5個試件抗折強(qiáng)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(xiàn)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(shù)據(jù)可知，取代率分別為25%、50%、75%和100%時，截面邊長150 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的抗折強(qiáng)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(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可從界面過渡區(qū)強(qiáng)度和裂縫發(fā)展兩方面的影響進(jìn)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(qū)水灰比增加，水化反應(yīng)生成了更多的鈣礬石和氫氧化鈣結(jié)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(qū)強(qiáng)度.由表1實(shí)測再生骨料壓碎值可知，受初始損傷影響，再生骨料強(qiáng)度較天然骨料更低，不能有效阻擋微裂縫的發(fā)展，小梁試件內(nèi)部微裂縫發(fā)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)尺寸試件抗折強(qiáng)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?yàn)殇摾w維一方面可有效抑制砂漿中收縮裂縫的產(chǎn)生，減少小梁試件內(nèi)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(kuò)展，從而提高再生混凝土抗折強(qiáng)度.鋼纖維摻量在0.50%時增強(qiáng)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(shí)度不足，鋼纖維易于結(jié)團(tuán)而在試件內(nèi)形成缺陷，反而降低了增強(qiáng)效果.

3尺寸效應(yīng)分析

3.1再生骨料取代率對抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響

由尺寸效應(yīng)度的定義可知，尺寸效應(yīng)度值越大，再生混凝土試件的抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)越明顯.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計算得到各規(guī)格試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度，圖3為尺寸效應(yīng)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(qiáng)度均隨試件尺寸的增加而減小，再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)明顯強(qiáng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(qiáng)度的再生骨料和高強(qiáng)度的原生骨料，小梁試件內(nèi)部單元強(qiáng)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(yīng)更明顯.此外，試件內(nèi)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(qū)，材料各相組成物理性質(zhì)相差較大，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)較薄弱的界面過渡區(qū)發(fā)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)度有所減小.造成這一現(xiàn)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(zhì)性強(qiáng)于部分取代再生混凝土，降低了小梁試件抗折強(qiáng)度的尺寸效應(yīng).

3.2鋼纖維摻量對抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響

對表4數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)度值.圖4為尺寸效應(yīng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guī)律與張麗娟等[9]和樓志輝[10]對再生混凝土劈拉強(qiáng)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(tài)而呈現(xiàn)出平行于試件表面的取向[9，17]，表現(xiàn)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(chǎn)生約束增強(qiáng)作用，即邊壁效應(yīng)[17]，試件越小邊壁效應(yīng)的增強(qiáng)作用占的比例越大，從而導(dǎo)致更明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)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(yīng)的約束越強(qiáng)，造成鋼纖維摻量較高的小梁試件的尺寸效應(yīng)強(qiáng)于鋼纖維摻量較低小梁試件.

4尺寸效應(yīng)律

式中：Bft為材料參數(shù)；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(qiáng)度有較好的適用性，為驗(yàn)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(qiáng)度數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[3，10，22-26]中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合上述公式，擬合數(shù)據(jù)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(shí)測抗折強(qiáng)度σN和試件實(shí)際尺寸D為依據(jù)，以材料參數(shù)Bft和特征尺寸D0為參數(shù)，采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)公式，參數(shù)Bft和D0分別列于表5和表6.本文實(shí)測結(jié)果與式（3）計算結(jié)果的吻合情況如圖6所示.

各取代率和鋼纖維摻量下實(shí)測結(jié)果和式（3）計算結(jié)果相關(guān)系數(shù)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(qiáng)度.

5結(jié)論

1）再生混凝土抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)呈先增大后降低的規(guī)律，取代率為75%的小梁試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(yīng)現(xiàn)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)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(yīng)的影響較弱，0.75%摻量小梁試件尺寸效應(yīng)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(yīng)理論在再生混凝土中適用性良好.基于擬合結(jié)果，提出了Bazant理論中參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式.

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