蔣毓晉，安新正，王李鑫，劉浩楠，張翠霞

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)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(jīng)人工或者機(jī)器破碎、清洗和篩分等工藝后，以適當(dāng)?shù)谋壤靡圆糠只蛘呷刻娲烊还橇吓渲贫傻幕炷?。這種新型混凝土的開(kāi)發(fā)利用不僅能夠解決大量建筑廢料管理困難的問(wèn)題，而且還能減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)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(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度低、脆性大、抗拉強(qiáng)度低和彎曲韌性差，以至于在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍[5-8]。鋼纖維混凝土是將隨機(jī)亂向分布的鋼纖維摻入普通混凝土中形成的一種新型復(fù)合混凝土[9]，鋼纖維的加入可以改善混凝土內(nèi)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(guò)對(duì)四種鋼纖維摻量的切口梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究結(jié)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(wú)明顯提升，但是開(kāi)裂后的彎曲性能有著顯著的提高。張陽(yáng)[13]等人為了研究鋼纖維含量對(duì)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響，對(duì)不同鋼纖維含量的試件進(jìn)行了立方體抗壓、軸心受壓、彈性模量和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究，研究結(jié)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(shì)，試件具有良好的受壓變形性能，且彎拉強(qiáng)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(duì)鋼纖維混凝土基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)不同鋼纖維含量和粗骨料粒度的鋼纖維混凝土試件進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，鋼纖維含量和粗骨料粒度對(duì)抗壓強(qiáng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大多針對(duì)鋼纖維普通混凝土，對(duì)鋼纖維再生混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱SFRC)的研究相對(duì)較少。故本文基于《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009)[15]，對(duì)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(kāi)展劈裂抗拉和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究鋼纖維體積率和再生粗骨料取代率對(duì)其劈拉和彎拉強(qiáng)度的影響規(guī)律以及兩者之間的相關(guān)關(guān)系，以期為鋼纖維再生混凝土工程提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥(C)：選用紅旗牌P·O 42.5級(jí)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(jí)配的破碎卵石,如圖1(a)所示，再生粗骨料選用學(xué)校結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室廢棄混凝土梁經(jīng)人工和機(jī)械破碎、篩分得到的級(jí)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(biāo)如表1所示；(3)細(xì)骨料：選用細(xì)度模數(shù)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(chǎn)的Ι級(jí)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(zhǎng)度32 mm,長(zhǎng)徑比為34，抗拉強(qiáng)度為600 MPa；(7)水(W)：邯鄲市政自來(lái)水。

圖1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

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

1.2 試驗(yàn)配合比與試件制作

試驗(yàn)基于相關(guān)規(guī)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(shè)計(jì)變量共設(shè)計(jì)15組配合比(表2)?；凇独w維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009)[15]，每組配合比制作6個(gè)試件，其中3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和3個(gè)100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，放入養(yǎng)護(hù)室中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

2 試驗(yàn)方法

2.1 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2002)[19]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的鋼纖維再生混凝土立方體試塊開(kāi)展劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載裝置采用型號(hào)為YES-2000的數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率控制在0.05 MPa/s左右，其試驗(yàn)示意圖，如圖2所示。鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值按公式(1)計(jì)算，每組試件的劈拉強(qiáng)度值為三個(gè)試件的算術(shù)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(yàn)示意圖Fig.2 Experimental schematic graph

2.2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009)[15]進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，本試驗(yàn)加載設(shè)備為微機(jī)控制WAW-1000型電液伺服試驗(yàn)機(jī)，采用四點(diǎn)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(kāi)裂后加載速率為0.1 mm/s。試驗(yàn)加載示意圖和現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示。鋼纖維再生混凝土試件梁的彎拉強(qiáng)度值按公式(2)計(jì)算，每組試件的彎拉強(qiáng)度值為三個(gè)試件的算術(shù)平均值。

(2)

式中：ffs—梁試件的彎拉強(qiáng)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(yàn)示意圖(單位：mm)Fig.3 Experimental schematic graph (unit: mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.1 鋼纖維體積率對(duì)SFRC劈拉強(qiáng)度的影響

圖4給出了SFRC的劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨鋼纖維體積率V的變化關(guān)系柱狀圖。由圖4可以看出，當(dāng)SFRC的再生粗骨料取代率r一定時(shí)，SFRC的fts隨V的增大而增大。當(dāng)r分別為0%，10%，20%，30%和40%時(shí)，V=1%和2%的SFRC試件相比于V=0%時(shí)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(qiáng)度明顯提高，這是由于在SRCF劈裂受拉過(guò)程中的裂縫擴(kuò)展階段，隨機(jī)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(duì)裂縫有拉結(jié)作用。在裂縫的擴(kuò)展過(guò)程中，這些鋼纖維改善了SFRC的裂縫擴(kuò)展的形態(tài)，阻礙了裂縫的發(fā)展。從而使SFRC的劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts顯著提高，并且鋼纖維體積率V越大，劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts增加的越顯著。

圖4 劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨鋼纖維體積率V的變化關(guān)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(duì)SFRC劈拉強(qiáng)度的影響

圖5給出了SFRC的劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨再生粗骨料取代率r的變化關(guān)系圖。由圖5可以看出，當(dāng)SFRC的體積率V一定時(shí)，SFRC的劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨再生粗骨料取代率r的增大，表現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，在再生粗骨料取代率r=30%時(shí)，fts達(dá)到最大值。相比于r=0%時(shí)的SFRC試件，r=10%，20%，30%，40%時(shí)SRCF試件劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts分別增長(zhǎng)了7.0%，18.2%，26.3%，6.1%。在r=30%時(shí)，SFRC的fts增幅最大，劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)骨料與水泥砂漿的界面粘結(jié)強(qiáng)度，增大了與混凝土基體之間的機(jī)械咬合力，從而使SFRC的劈裂抗拉強(qiáng)度有所提升。但由于再生骨料的強(qiáng)度較低，摻入過(guò)多又會(huì)劣化界面粘結(jié)強(qiáng)度。所以在r>30%時(shí)，SFRC的劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts變化趨勢(shì)開(kāi)始下降。

圖5 劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨再生粗骨料取代率r的變化關(guān)系圖Fig.5 Relationship between splitting tensile strength fts and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.2 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 鋼纖維體積率對(duì)SFRC彎拉強(qiáng)度的影響

圖6給出了SFRC的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs隨鋼纖維體積率V的變化關(guān)系圖。由圖6可知，當(dāng)SFRC的再生粗骨料取代率r一定時(shí)，SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs隨鋼纖維體積率V的增大而增大。當(dāng)r分別為0%，10%，20%，30%和40%時(shí)，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(qiáng)度f(wàn)fs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(qiáng)度f(wàn)fs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(qiáng)度f(wàn)fs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(qiáng)度高，當(dāng)SFRC試件中摻入隨機(jī)亂向分布的鋼纖維后，在試件受彎過(guò)程中鋼纖維隨機(jī)亂向橫跨分布于裂縫兩邊，對(duì)裂縫兩邊的基體起到了很好的連結(jié)和錨固作用，從而抑制了裂縫的擴(kuò)展，所以，SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs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(shù)量越多，在裂縫上形成了片狀鋼纖維網(wǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了與基體之間的粘結(jié)錨固力，增強(qiáng)了它們的整體性能，從而抑制裂縫發(fā)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(qiáng)度f(wàn)fs也顯著提高。

圖6 彎拉強(qiáng)度 ffs隨鋼纖維體積率V的變化關(guān)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(duì)SFRC彎拉強(qiáng)度的影響

圖7給出了SFRC的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs隨再生粗骨料取代率r的變化關(guān)系圖。由圖7可以看出，當(dāng)SFRC的鋼纖維體積率V一定時(shí)，SFRC的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs隨再生粗骨料取代率r的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，在r為30%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)鋼纖維體積率V=0%時(shí)(即不摻鋼纖維時(shí))，SFRC的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs相比于V=1%和V=2%時(shí)較小，并且再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%時(shí)的SFRC試件與r=0%的SFRC試件，其彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs分別提高了8.6%、20%、28.6%和2.85%。當(dāng)鋼纖維體積率V=1%時(shí)，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比較r=0%時(shí)的SFRC試件，其彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs分別提高了6%、18%、36%和4%；當(dāng)鋼纖維體積率V=2%時(shí)，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比較r=0%時(shí)的SFRC試件，其彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs分別提高了7.2%、20.3%、27.5%和1.5%。由此可以看出，當(dāng)再生粗骨料取代率r=30%時(shí)，SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs增幅最大且其值達(dá)到最大值。當(dāng)鋼纖維體積率V=0%和再生粗骨料取代率r<30%時(shí)，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(qiáng)水泥砂漿和再生粗骨料的界面粘結(jié)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(shí)吸走了部分拌和水，導(dǎo)致實(shí)際水灰比變小，所以使SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs提高。但是當(dāng)再生粗骨料取代率r>30%時(shí)，SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs下降，原因是再生粗骨料本身的強(qiáng)度較低，摻入過(guò)多會(huì)使試件的強(qiáng)度變低而脆性增大，同時(shí)又會(huì)影響到漿體與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度，所以其彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs下降。當(dāng)鋼纖維體積率V=1%和2%時(shí)，SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs的變化規(guī)律跟V=0%時(shí)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(shí)SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs達(dá)到最大值，同時(shí)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(jié)錨固作用增強(qiáng)，摩擦阻力增大，增強(qiáng)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(qiáng)度，但是再生粗骨料摻量過(guò)多以及鋼纖維的加入會(huì)增大試件內(nèi)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(duì)SFRC試件的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs產(chǎn)生不利影響。由此可以看出，再生粗骨料取代率為30%時(shí)為最佳摻量。

圖7 彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs隨再生粗骨料取代率r的變化關(guān)系圖Fig.7 Relationship between flexural tensile strength ffs and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.3 SFRC劈拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖8給出了SFRC的彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs和劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts的關(guān)系圖。

圖8 彎拉強(qiáng)度f(wàn)fs與劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between bending tensile strength ffs and splitting tensile strength fts

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)SFRC試件的ffs與fts進(jìn)行擬合回歸，得出兩者的函數(shù)計(jì)算關(guān)系式為(擬合優(yōu)度R2=0.96)：

4 結(jié)論

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

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

3)基于劈拉和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了鋼纖維再生混凝土的彎拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的函數(shù)計(jì)算關(guān)系式，且計(jì)算關(guān)系式與實(shí)際試驗(yàn)值吻合度較好，可為鋼纖維再生混凝土的彎拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的計(jì)算提供參考。