林桂武　劉凱格　陳宇良　劉康

摘 要：為研究纖維增強(qiáng)再生混凝土的抗壓性能，以纖維類型（鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維）和再生粗骨料取代率為變化參數(shù)，對(duì)75個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：鋼纖維的摻入可有效提高再生混凝土抗壓強(qiáng)度和耗能能力；摻入體積摻量為0.1%的聚丙烯纖維可改善再生混凝土的耗能能力；聚乙烯醇纖維體積摻量為0.1%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度改善效果最優(yōu)；碳纖維為0.3%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及耗能能力均得到提高；隨著再生粗骨料取代率的增加，纖維增強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和耗能能力呈減小趨勢(shì)，當(dāng)取代率為50%、70%時(shí)，摻入聚丙烯纖維的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度相較于取代率為0的聚丙烯纖維混凝土損失較大，分別降低了31.50%和18.60%?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，建立了纖維增強(qiáng)再生混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，且本構(gòu)模型與試驗(yàn)曲線吻合程度良好。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)；再生混凝土；抗壓性能；耗能；本構(gòu)模型

中圖分類號(hào)：TU528.58 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.009

0 引言

再生混凝土的利用不僅可以緩解工程建設(shè)中自然骨料資源短缺的狀況，而且可以減少因舊建筑拆遷、自然災(zāi)害等原因造成的諸多環(huán)境問(wèn)題。相較于普通混凝土，再生混凝土的力學(xué)性能略低，其應(yīng)用局限于混凝土路面工程。由于再生粗骨料表面附著舊水泥砂漿及存在微裂縫等缺陷，導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部水泥砂漿與粗骨料的薄弱界面較多[1-3]。

近年來(lái)，為了進(jìn)一步提升再生粗骨料的實(shí)際利用價(jià)值，一些學(xué)者將不同類型纖維摻入再生混凝土中，纖維的增強(qiáng)、阻裂作用彌補(bǔ)了再生粗骨料的缺陷[4-7]。Shi等[8]根據(jù)研究得出體積摻量為1.0%的鋼纖維能較好地抑制裂縫的開(kāi)展，混凝土韌性達(dá)到最大值。高丹盈等[9-10]通過(guò)單軸受壓試驗(yàn)對(duì)鋼纖維再生混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維使再生混凝土發(fā)生剪切破壞，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加飽滿。尹俊紅等[11]提出在混凝土中摻入不同長(zhǎng)度和摻量的碳纖維來(lái)改善其力學(xué)性能，表明摻入碳纖維可有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度及峰后延性。杜向琴等[12]發(fā)現(xiàn)摻入體積摻量為0.3%的碳纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度提高幅度最大。陸虓等[13-14]對(duì)聚丙烯纖維再生混凝土進(jìn)行抗壓試驗(yàn)研究，表明摻入體積摻量為0.1%的聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不明顯。黃加圣等[15-16]對(duì)聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明摻入聚乙烯醇纖維改善了混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

綜上所述，關(guān)于纖維改性再生混凝土抗壓力學(xué)性能的研究已取得了一定的成果，但不同纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能方面的影響的研究仍不夠完善。為進(jìn)一步探究纖維對(duì)再生混凝土的改性作用，本文通過(guò)對(duì)鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維再生混凝土進(jìn)行抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)，研究纖維類型對(duì)再生混凝土抗壓性能的影響規(guī)律，提出不同纖維增強(qiáng)再生混凝土的單軸受壓本構(gòu)模型，以期為進(jìn)一步研究纖維對(duì)再生混凝土的改性作用提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的再生粗骨料是建筑拆除后的廢棄混凝土梁、柱等經(jīng)過(guò)鄂式破碎機(jī)破碎、清洗、篩分后得到的連續(xù)級(jí)配碎石，其粒徑為5～20 mm；天然粗骨料粒徑為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，粗骨料的物理性能見(jiàn)表1。細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.38；外摻纖維采用波紋型鋼纖維（SF）、碳纖維（CF）、聚丙烯纖維（PPF）、聚乙烯醇纖維（PVA）等4種纖維類型，其基本物理性能如表2所示。水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，拌合用水為城市自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

為揭示不同纖維增強(qiáng)再生混凝土的單軸受壓破壞機(jī)理，本試驗(yàn)以纖維類型、再生粗骨料取代率（γ）為研究參數(shù)，共設(shè)計(jì)了75個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體試件。再生混凝土內(nèi)部的粗骨料以取代率大小等質(zhì)量部分或全部取代天然粗骨料，再生粗骨料取代率分別為0、30%、50%、70%和100%；纖維類型考慮了鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維這4種纖維。根據(jù)JGJ/T 221—2010[17]，纖維體積摻量為纖維體積與每立方纖維混凝土體積的比值，這4種纖維對(duì)應(yīng)的纖維體積摻量分別為1.0%、0.3%、0.1%、0.1%。參考JGJ 55—2011[18]，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35，各組試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。試件編號(hào)以RAC-50為例，RAC-50表示取代率為50%的再生混凝土試件；以SF-50為例，SF-50表示取代率為50%的鋼纖維增強(qiáng)再生混凝土；以此類推。

1.3 加載制度

試驗(yàn)采用RMT-301試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加單軸受壓荷載，加載裝置如圖1所示。試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，加載時(shí)為保證試件穩(wěn)定的變形，以0.02 mm/s的速率加載，當(dāng)施加的荷載使得試件破壞后，停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

圖2為纖維增強(qiáng)再生混凝土的單軸受壓典型破壞形態(tài)。由圖2可見(jiàn)，纖維增強(qiáng)再生混凝土呈正倒相接的四角錐破壞形態(tài)。在加載初期，纖維增強(qiáng)再生混凝土試件表面無(wú)明顯裂縫，試件變形主要由骨料和水泥的結(jié)晶體產(chǎn)生；由于荷載作用使得短而細(xì)小的微裂縫出現(xiàn)在試件表面，且裂縫的發(fā)展與受力方向平行，摻入CF、PPF及PVA纖維可有效約束再生混凝土的橫向變形，而由于混凝土中部分鋼纖維與骨料邊壁平行使得摻入SF纖維對(duì)試件橫向變形的約束作用小。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，試件表面的豎向裂縫不斷增多、變寬，斜向細(xì)小裂縫逐漸沿豎向裂縫周圍產(chǎn)生，試件中部混凝土向外鼓脹，此時(shí)跨越裂縫的SF纖維有效發(fā)揮其阻裂作用，使得裂縫開(kāi)展速率減?。粨饺隒F、PPF及PVA纖維對(duì)混凝土的橫向變形產(chǎn)生很好的約束效果。峰值荷載過(guò)后，試件表面的斜裂縫迅速發(fā)展，裂縫寬度不斷加大，逐漸形成貫通裂縫且伴隨部分混凝土脫落，纖維被拉斷或拔出，此時(shí)摻入SF纖維的試件發(fā)生橫向膨脹變形，相較于CF、PVA及PPF纖維試件，其變形程度較大，表面混凝土脫落較少。

2.2 纖維增強(qiáng)再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為纖維增強(qiáng)再生混凝土的應(yīng)力（σ）-應(yīng)變（ε）曲線。從圖3可以看出，纖維增強(qiáng)再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷4個(gè)階段：

1）彈性變形階段。纖維增強(qiáng)再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng)，荷載主要由試件內(nèi)部的膠結(jié)力及水泥基體包裹纖維之間的黏結(jié)力承擔(dān)。

2）內(nèi)部裂縫發(fā)展階段。該階段纖維增強(qiáng)再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線、呈現(xiàn)微凸的趨勢(shì)，該階段由于SF纖維與骨料產(chǎn)生邊壁效應(yīng)使得橋接作用受到限制，而CF、PPF及PVA纖維可有效發(fā)揮其阻裂作用，荷載主要由試件內(nèi)部的膠結(jié)力和跨越裂縫的纖維承擔(dān)。

3）宏觀裂縫發(fā)展階段。這一階段由于混凝土內(nèi)部的裂縫不斷加寬、延伸、相互連通成為宏觀裂縫，使得纖維增強(qiáng)再生混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率降低，荷載主要由水泥基體包裹纖維的黏結(jié)力和跨越裂縫的纖維承擔(dān)。

4）殘余強(qiáng)度階段。該階段隨著應(yīng)變的持續(xù)增長(zhǎng)，應(yīng)力下降速率減慢，試件承載力主要由裂縫間殘余的黏結(jié)力及摩阻力提供。

2.3 特征點(diǎn)參數(shù)

各組試件的峰值應(yīng)力（σc）、峰值應(yīng)變（εc）、實(shí)際耗能（Q）等特征點(diǎn)參數(shù)如表4所示，表中特征點(diǎn)值為同組試件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

3 試驗(yàn)分析

3.1 纖維增強(qiáng)再生混凝土抗壓強(qiáng)度

3.1.1 纖維類型對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為纖維類型對(duì)纖維增強(qiáng)再生混凝土抗壓強(qiáng)度（fc）的影響。由圖4可見(jiàn)，摻入SF、CF及PVA纖維可有效提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)取代率為50%時(shí)，摻入SF、CF、PVA纖維再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度相較于再生混凝土分別增加了9.82%、20.00%、40.60%；當(dāng)取代率為70%時(shí)，摻入SF、CF、PVA纖維再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度相較于再生混凝土分別增加了13.80%、30.00%、50.70%；當(dāng)取代率為100%時(shí)，摻入SF、CF及PVA纖維試件的抗壓強(qiáng)度相較于再生混凝土分別增加了8.17%、44.90%和17.10%。主要原因是SF對(duì)再生混凝土阻裂和橫向約束作用增強(qiáng)使得摻入SF的試件抗壓強(qiáng)度提高；由于CF、PVA纖維均勻分散在再生混凝土試件中，纖維彼此交錯(cuò)、亂向分布，容易在混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展階段形成三維網(wǎng)狀，使得試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密；從圖4還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取代率為50%、70%時(shí)，摻入PPF纖維試件的抗壓強(qiáng)度相較于再生混凝土分別降低了25.70%、4.68%，其原因可能是混凝土在攪拌過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣泡，纖維易成團(tuán)，阻礙氣泡上浮，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部不密實(shí)，使PPF纖維試件的抗壓強(qiáng)度降低。

3.1.2 取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為再生粗骨料取代率對(duì)纖維增強(qiáng)再生混凝土抗壓強(qiáng)度（fc）的影響。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)取代率由0增加到100%時(shí)，摻入SF纖維試件的抗壓強(qiáng)度整體呈降低趨勢(shì)；當(dāng)取代率由30%增加到100%時(shí)，摻入PVA纖維的試件抗壓強(qiáng)度相較于取代率為0的PVA纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別降低了30.00%、4.18%、4.89%、10.80%；當(dāng)取代率為50%、70%時(shí)，摻入PPF纖維的試件抗壓強(qiáng)度相較于取代率為0的PPF纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別降低了31.50%、18.60%。主要是由于再生骨料本身缺陷隨著再生粗骨料數(shù)量的增加而逐漸增多，隨著再生粗骨料數(shù)量的增多，再生粗骨料表面的微裂縫及舊水泥砂漿也不斷增多，則再生粗骨料的負(fù)面作用強(qiáng)于纖維對(duì)再生混凝土的強(qiáng)化作用。

3.2 耗能

峰值應(yīng)力下降至85%時(shí)，將其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線積分面積作為試件破壞的實(shí)際耗能，其耗能計(jì)算示意圖如圖6所示，并利用式（1）計(jì)算出試件的耗能，耗能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

式中：ε0.85表示峰值應(yīng)力下降85%時(shí)試件對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；σ表示試件的應(yīng)力；ε表示試件的應(yīng)變。

3.2.1 纖維類型對(duì)耗能的影響

纖維增強(qiáng)再生混凝土實(shí)際耗能與不同纖維類型的關(guān)系如圖7所示，摻入纖維可有效提高再生混凝土的耗能能力。當(dāng)取代率為30%時(shí)，摻入SF、CF、PPF及PVA纖維的試件耗能值相較于再生混凝土分別增大了82.80%、8.34%、27.00%、31.00%，這主要是跨越裂縫的纖維發(fā)揮了阻裂作用，使得試件耗能增加。當(dāng)取代率為50%時(shí)，摻入SF及PVA纖維的試件耗能相較于再生混凝土，分別增大了63.60%和42.70%，而摻入CF及PPF纖維的試件耗能相較于再生混凝土，分別減小了4.32%和16.34%，這主要是纖維分散不均勻，使得纖維與水泥砂漿包裹不緊密，導(dǎo)致試件的耗能降低。相較于取代率為70%、100%再生混凝土，摻有SF纖維試件的耗能分別提高了93.70%、93.40%，這主要是粗骨料內(nèi)部吸收水量增多，再生混凝土水灰比降低，SF與基體間的黏結(jié)更為緊密且強(qiáng)度提高，使得試件的耗能顯著增強(qiáng)。

3.2.2 取代率對(duì)耗能的影響

纖維增強(qiáng)再生混凝土實(shí)際耗能與再生粗骨料取代率的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，當(dāng)取代率由30%增加到100%時(shí)，摻入SF纖維的試件耗能值相較于取代率為0的SF纖維混凝土試塊的耗能值分別降低了7.82%、19.40%、9.86%、14.50%；當(dāng)取代率由30%增加到100%時(shí)，摻入PPF纖維試件的耗能值相較于取代率為0的PPF纖維混凝土試件的耗能值分別降低了3.06%、37.60%、24.30%、11.20%。這是因?yàn)樵偕止橇峡紫堵瘦^大，內(nèi)部存在一定的微裂縫，以及再生粗骨料在二次破碎時(shí)產(chǎn)生損傷，再生粗骨料的弱化作用高于纖維對(duì)再生混凝土的強(qiáng)化作用，試件耗能能力減小。相較于取代率為0的PVA纖維混凝土試件，取代率為30%的PVA纖維試件的耗能值增加了6.38%，其原因是再生粗骨料較少，其弱化作用小于纖維對(duì)再生混凝土的強(qiáng)化作用。

4 纖維增強(qiáng)再生混凝土單軸受壓本構(gòu)模型

基于纖維增強(qiáng)再生混凝土自身特點(diǎn)，本文考慮再生粗骨料取代率，對(duì)過(guò)鎮(zhèn)海模型[19]相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，得到纖維增強(qiáng)再生混凝土的單軸受壓本構(gòu)模型。

式中：x =ε/εc；y =σ/σc；a和b分別為曲線上升段和下降段的參數(shù)，a值和b值由實(shí)測(cè)纖維增強(qiáng)再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3）的數(shù)據(jù)擬合得到，a值和b值如表5所示。

由表5可知，從a、b的平均值來(lái)看，摻入SF纖維再生混凝土曲線相較于再生混凝土，上升段參數(shù)增大，下降段參數(shù)減??；摻入CF、PPF纖維再生混凝土相較于再生混凝土，上升段參數(shù)減小，下降段參數(shù)增大；摻入PVA纖維再生混凝土曲線相較于再生混凝土，上升段及下降段參數(shù)均減小。

將上述有關(guān)參數(shù)a和b的平均值代入式（2）—式（3），得到纖維增強(qiáng)再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單軸受壓本構(gòu)模型。為驗(yàn)證該應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型及參數(shù)計(jì)算的精確性，將擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示，擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果曲線擬合較好。

5 結(jié)論

1）纖維增強(qiáng)再生混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土相似，均呈正倒相接的四角錐形；摻入鋼纖維對(duì)再生混凝土橫向變形約束作用強(qiáng)。

2）聚乙烯醇纖維對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度改性效果最優(yōu)，當(dāng)取代率為50%、70%時(shí)，摻入聚乙烯醇纖維使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高了40.60%、50.70%；摻入鋼纖維對(duì)再生混凝土的耗能能力改性效果最優(yōu)，當(dāng)取代率為70%、100%時(shí)，摻有鋼纖維試件的耗能值相較于再生混凝土的耗能值分別提高了93.70%、93.40%。

3）纖維增強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代率的增加而減小。摻入鋼纖維增強(qiáng)再生混凝土試件的耗能能力相較于取代率為0的鋼纖維混凝土試件的耗能能力均減小。

4）基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮再生粗骨料影響的分段式應(yīng)力-應(yīng)變曲線單軸受壓本構(gòu)模型，且本構(gòu)模型與試驗(yàn)曲線符合程度良好。

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Experimental study on compressive properties of

fiber reinforced recycled concrete

LIN Guiwu1， LIU Kaige1， CHEN Yuliang*1， 2， LIU Kang1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Liuzhou Key Laboratory of Green Advanced Civil Engineering Materials Application（Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the compressive properties of fiber reinforced recycled concrete， uniaxial compression tests are carried out on 75 standard cube specimens with fiber types （steel fiber， carbon fiber， polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber） and regenerated coarse aggregate replacement rate as parameters. Test results show that the incorporation of steel fibers can effectively increase the compressive strength and energy dissipation capacity of recycled aggregate concrete. The incorporation of polypropylene fiber with a volume content of 0.1% can improve the energy dissipation capacity of recycled concrete. When the volume content of polyvinyl alcohol fiber is 0.1%， the improvement effect of compressive strength of recycled concrete is the best. When the volume content of carbon fiber is 0.3%， the compressive strength and energy dissipation capacity of recycled concrete are improved. The compressive strength and energy dissipation capacity of fiber reinforced recycled aggregate concrete show a decreasing trend as the replacement ratio increases. When the replacement ratio is 50% and 70%， the loss of compressive strength of the recycled concrete mixed with polypropylene fiber is larger compared with the polypropylene fiber concrete with a replacement ratio of 0， which is reduced by 31.50% and 18.60% respectively. Based on the experimental data， the stress-strain model for fiber reinforced recycled aggregate concrete is developed， and the intrinsic models are in close agreement with the test curves.

Key words： fiber reinforced; recycled concrete; compressive properties; energy dissipation; constitutive model

（責(zé)任編輯：羅小芬）

收稿日期：2022-11-22

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2021M693854）；柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司博士后科研工作站科研項(xiàng)目（202123）；廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（GKYC202231）資助

第一作者：林桂武，碩士，教授，研究方向：土木工程建造，E-mail：723633592@qq.com

*通信作者：陳宇良，博士，副教授，研究方向：綠色建材資源化再生利用，E-mail：ylchen@gxust.edu.cn