鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張麗娟，高丹盈，朱海堂，樓志輝

(鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州450002)

目前，我國對建筑物拆除和施工過程中產(chǎn)生的廢棄混凝土采取的處理措施是簡單的遺棄和填埋，需占用大量空地且污染環(huán)境［1］.再生混凝土是指使用經(jīng)過破碎加工的廢棄混凝土為骨料而配制的混凝土.該處理技術(shù)不僅可以從根本上解決廢棄混凝土的處理問題，還可節(jié)約天然骨料資源，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益［2］.但是再生混凝土骨料的棱角過多，針狀物所占材料面積過大，而且在廢棄混凝土的破碎過程中會產(chǎn)生大量的內(nèi)部橫向裂紋，再生骨料表面往往包裹著一層水泥砂漿，這些都影響再生混凝土的強(qiáng)度.

目前，國內(nèi)外對再生混凝土的劈拉強(qiáng)度已做了大量的研究［3－5］.由于再生骨料比天然骨料有更多的先天缺陷，混凝土的受拉破壞源自材料內(nèi)部的先天缺陷處發(fā)生裂紋擴(kuò)展，受拉破壞對裂紋擴(kuò)展的敏感程度較高，使得再生骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度較天然混凝土有不同程度的降低.而在混凝土中加入鋼纖維可提高其抗拉、抗彎、抗剪等性能.為提高再生混凝土的抗拉強(qiáng)度，筆者將鋼纖維加入再生混凝土中，試驗(yàn)研究了鋼纖維類型和體積分?jǐn)?shù)、再生粗骨料處理方式及尺寸效應(yīng)對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響，驗(yàn)證了鋼纖維再生混凝土抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要研究鋼纖維體積分?jǐn)?shù)和鋼纖維類型、試件尺寸、再生骨料預(yù)處理方式對鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度的影響.再生粗骨料是將強(qiáng)度30～40 MPa的實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土構(gòu)件破碎篩分而成，連續(xù)級配，粒徑5～20 mm，實(shí)測級配見表1.天然粗骨料為石灰石碎石，粒徑5～20 mm連續(xù)級配;細(xì)骨料為天然河砂;FDN－1型高效減水劑，摻量為水泥用量的1.0%;試驗(yàn)采用銑削型(MF)、剪切波紋型(SF)、切斷弓型(BF)3種類型鋼纖維，其特征參數(shù)見表2.

表1 再生粗骨料級配

表2 鋼纖維特征參數(shù)

再生骨料比天然骨料內(nèi)部裂紋多，吸水率大，其品質(zhì)好壞直接影響再生混凝土強(qiáng)度.目前關(guān)于改進(jìn)再生骨料性能的研究很多［6－7］，再生骨料的預(yù)處理方式會對它的性能產(chǎn)生較大影響.結(jié)合前人方法，采用較為方便的3種處理方式，即預(yù)濕水再生粗骨料RⅠ(澆筑前預(yù)先吸水達(dá)到飽和面干狀態(tài))、未處理再生骨料RⅡ、水泥漿預(yù)包裹再生骨料RⅢ(攪拌前用設(shè)計(jì)水泥漿對再生粗骨料進(jìn)行預(yù)裹漿).為了研究再生骨料處理方式對再生骨料混凝土劈拉強(qiáng)度的影響，采用 MF 鋼纖維，體積分?jǐn)?shù) ρf為 1.0%，使用 RⅠ，RⅡ，RⅢ再生骨料，制作邊長為150 mm的立方體試件.

研究纖維體積分?jǐn)?shù)對鋼纖維混凝土劈拉強(qiáng)度的影響時，采用再生骨料RⅠ和MF鋼纖維，鋼纖維體積分?jǐn)?shù) ρf分別取為 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，制作邊長為150 mm的立方體試件.研究鋼纖維類型對劈拉強(qiáng)度的影響時，采用再生骨料RⅠ，使用3種不同類型的纖維，體積分?jǐn)?shù)都取1.0%，制作邊長為150 mm的立方體試件.研究試件尺寸效應(yīng)的影響時，同樣采用再生骨料RⅠ和MF鋼纖維，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)ρf取為1.0%，制作邊長為100 mm和200 mm的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件.試驗(yàn)方法參照《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13∶2009)，每組3個試件，共38組，共計(jì)成型114個試件.

鋼纖維混凝土立方體劈裂拉強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:ffs為鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;Fmax為最大荷載，N;A為試件劈裂面面積，mm2.

劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4.

表3 標(biāo)準(zhǔn)試件劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表4 非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件劈拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

2 劈拉強(qiáng)度的影響因素與分析

在研究鋼纖維對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響時，為了消除基體混凝土的影響，引入劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比，即鋼纖維混凝土與對應(yīng)配合比素混凝土的劈拉強(qiáng)度的比值.下面分析鋼纖維體積分?jǐn)?shù)及類型、再生粗骨料處理方式和試件尺寸對鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度及其增強(qiáng)比的影響.

2.1 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對劈拉強(qiáng)度的影響

MF鋼纖維預(yù)濕水再生骨料混凝土(MFRⅠC)與MF鋼纖維天然骨料混凝土(MFNC)的劈拉強(qiáng)度與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖1所示.由圖1可知，兩種混凝土的劈拉強(qiáng)度都隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)ρf的增加而增大，且MFRⅠC劈拉強(qiáng)度增幅較大.當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)ρf分別為0.0%和2.0%時，MFRⅠC的劈拉強(qiáng)度分別為3.11 MPa和 5.71 MPa，增幅為 84%;MFNC的劈拉強(qiáng)度為3.77 MPa和5.67 MPa，增幅為50%.當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)ρf小于1.0%時，MFRⅠC的劈拉強(qiáng)度較MFNC要小，但是當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加到1.5%，2.0%的時候，MFRⅠC的劈拉強(qiáng)度接近甚至超過MFNC的劈拉強(qiáng)度.數(shù)據(jù)表明，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼纖維對再生混凝土劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更好.

圖1 劈拉強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比隨纖維體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律如圖2 所示.當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%時，MFRⅠC的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比分別為1.02，1.28，1.50，1.68;同等條件下，MFNC 的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比分別為 1.03，1.33，1.38，1.75.顯然，隨纖維體積分?jǐn)?shù)增大，MFRⅠC和MFNC的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比均呈明顯上升趨勢，且在相同的纖維體積分?jǐn)?shù)時，兩者值較為接近.

圖2 劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖1和圖2還可以看出，當(dāng) ρf較小(ρf=0.5% ～1.0%)時，MFRⅠC的劈拉強(qiáng)度及其增強(qiáng)比都低于 MFNC，而當(dāng) ρf較大(ρf=1.5% ～2.0%)時，MFRⅠC劈拉強(qiáng)度及其增強(qiáng)比與MFNC相近.

預(yù)濕水再生混凝土劈拉強(qiáng)度值低于天然混凝土劈拉強(qiáng)度，約為天然混凝土劈拉強(qiáng)度的82.5% ～94.2%.而對于鋼纖維預(yù)濕水再生混凝土MFRⅠC，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為 0.5%，1.0%，1.5%，2.0% 時，其劈拉強(qiáng)度分別為天然混凝土劈拉強(qiáng)度的86.1%，81.4%，100.2%，100.8%.隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼纖維再生混凝土的劈拉強(qiáng)度會逐漸接近甚至超過天然混凝土的劈拉強(qiáng)度.

纖維間距理論認(rèn)為要想增強(qiáng)混凝土(尤其是再生混凝土)這樣本身帶有缺陷的脆性材料的抗拉強(qiáng)度，必須盡可能地減小缺陷的尺寸，提高材料的韌性，減小裂縫尖端應(yīng)力場強(qiáng)度因子.通過增加單位面積內(nèi)的纖維數(shù)，即減小纖維間距，可以很好地提高抗拉強(qiáng)度.在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)較小時，單位面積內(nèi)的纖維數(shù)也較少，鋼纖維不能有效緩和再生骨料先天缺陷處的應(yīng)力集中和有效抑制裂縫的發(fā)展，使得鋼纖維的增強(qiáng)效果小于因再生骨料先天缺陷而引起的強(qiáng)度降低，最終再生骨料混凝土的立方體劈拉強(qiáng)度低于鋼纖維天然混凝土的劈拉強(qiáng)度.而鋼纖維體積分?jǐn)?shù)較大時，鋼纖維的增強(qiáng)作用起主導(dǎo)地位，故鋼纖維再生混凝土的立方體劈拉強(qiáng)度與鋼纖維天然混凝土的相近.所以對于再生骨料混凝土，要想通過鋼纖維的增強(qiáng)作用彌補(bǔ)再生骨料缺陷造成強(qiáng)度的降低，需要使用較大的纖維體積分?jǐn)?shù).由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)所限，對于纖維體積分?jǐn)?shù)大于2%以后的鋼纖維再生骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度未做研究，所以變化趨勢還不能確定.

2.2 鋼纖維類型對劈拉強(qiáng)度的影響

研究纖維類型對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響時，3種類型鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)都取為1.0%，再生粗骨料通過預(yù)濕水方式處理.表5和表6分別列出了不同鋼纖維類型的再生混凝土和天然骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度以及劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比的試驗(yàn)值.

表5 再生混凝土和天然骨料混凝土劈拉強(qiáng)度 MPa

表6 再生混凝土和天然骨料混凝土劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比

由表5可知:當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時，由于纖維體積分?jǐn)?shù)較低，3種類型的鋼纖維預(yù)濕水再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均低于同等條件下的鋼纖維天然混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度;無論是對于再生混凝土還是普通混凝土來說，3種纖維對其強(qiáng)度影響趨勢基本一致;以BF鋼纖維對混凝土劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最為顯著，其次是MF鋼纖維，增強(qiáng)效果最低的是SF鋼纖維;對天然骨料混凝土摻加BF鋼纖維，相比SF鋼纖維，其劈拉強(qiáng)度增加了22%;對再生骨料混凝土摻加BF鋼纖維，相比SF鋼纖維，其劈拉強(qiáng)度增加了57%.由此可見，不同纖維類型對纖維混凝土劈拉強(qiáng)度影響較大，尤其是再生骨料混凝土，對纖維類型的影響更為敏感.

由表6可知，MF鋼纖維和SF鋼纖維對天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的增強(qiáng)效果較為相近，而BF鋼纖維對再生骨料混凝土的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)大于其對天然骨料混凝土的增強(qiáng)效果.這是因?yàn)锽F鋼纖維的兩頭存在端彎鉤，在混凝土中起了錨固作用，使得BF鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)力增加，共同工作的性能進(jìn)一步增強(qiáng).此外，對于內(nèi)部存在更多缺陷的再生骨料混凝土，如果鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)力增加，則在受力時鋼纖維與混凝土之間能夠更好地實(shí)現(xiàn)力的傳遞，在很大程度上減少了應(yīng)力集中.在3種類型鋼纖維中，BF鋼纖維與混凝土之間黏結(jié)最好，所以它對再生骨料混凝土的增強(qiáng)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種鋼纖維，同時也優(yōu)于對天然骨料混凝土的增強(qiáng)作用.

由此可見，鋼纖維類型對鋼纖維再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較為敏感.所以，在選擇鋼纖維時要考慮鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)作用.

2.3 再生粗骨料處理方式對劈拉強(qiáng)度的影響

研究3種再生骨料預(yù)處理方式對鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度的影響時，使用體積分?jǐn)?shù)為1.0%的MF鋼纖維，再生骨料分別使用 RⅠ，RⅡ，RⅢ再生骨料.

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3種再生混凝土的劈拉強(qiáng)度均小于鋼纖維天然骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度，降低幅度分別為18.58%，16.07%，24.64%.由裹漿法處理的RⅢ再生骨料制備的混凝土的劈拉強(qiáng)度明顯偏小.而有相關(guān)資料表明，經(jīng)過水泥漿強(qiáng)化后的再生混凝土的劈拉強(qiáng)度要比前兩種類型的再生混凝土略有增強(qiáng)［7－8］.這與本試驗(yàn)數(shù)據(jù)不太相符，可能是由于再生混凝土骨料的變異或者混凝土試驗(yàn)本身存在變異性所致.本試驗(yàn)中混凝土水灰比為0.48，由于再生骨料吸水率較大，而再生骨料RⅡ未經(jīng)過處理，吸水性相對較大，可能在澆筑的過程中過多地吸收了拌和水，從而間接減少了水灰比，使得MFRⅡC1.0的劈拉強(qiáng)度最高.

在除去基體混凝土的影響后，3種預(yù)處理方式的再生混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比差異并不明顯.鋼纖維對RⅠ，RⅡ，RⅢ，N等4種粗骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比分別為 1.28，1.28，1.24，1.33.可見，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)僅為1.0%時，對再生混凝土的增強(qiáng)作用并不明顯，鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度及其劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比要略低于同條件下的鋼纖維天然骨料混凝土.

2.4 尺寸效應(yīng)對再生混凝土劈拉強(qiáng)度的影響

由于混凝土材料內(nèi)部缺陷較多，尺寸效應(yīng)會對其強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響.我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于邊長100 mm的立方非標(biāo)準(zhǔn)試件的劈拉強(qiáng)度，天然混凝土的尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.85，而天然鋼纖維混凝土為0.80，這主要是因?yàn)榇嬖凇皧A箍作用效應(yīng)”的影響.劈拉試驗(yàn)時，墊條會對周圍混凝土有接觸性約束的作用，與墊條相接觸的混凝土處于受壓狀態(tài).隨著離墊條端距離的增加，夾箍作用逐漸減弱，裂縫首先在試件中心出現(xiàn).因此，試件尺寸越小，接觸性約束的影響就大.通過與素混凝土對比發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土受試件尺寸影響較大.這是由于在澆筑過程中，鋼纖維在試模邊壁的分布會產(chǎn)生平行邊壁分布和取向的趨勢，這樣就提高了試件邊壁附近的抗拉強(qiáng)度和對整個試件的約束作用，即產(chǎn)生所謂“邊壁效應(yīng)”.隨著試件尺寸的減小，產(chǎn)生邊壁效應(yīng)的范圍所占總體積的比例越大，抗拉強(qiáng)度提高越大，可以推斷鋼纖維混凝土劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)將比普通混凝土更大［8］.

在相同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)下，MFNC1.0 和MFRⅠC1.0的劈拉強(qiáng)度隨試件尺寸的變化規(guī)律如圖3所示.再生素混凝土和普通素混凝土一樣，劈拉強(qiáng)度隨著試件尺寸的增大而減小.試件邊長為100 mm時，MFNC1.0 尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.84，MFRⅠC1.0 尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.81;試件邊長為200 mm時，MFNC1.0尺寸效應(yīng)系數(shù)為1.19，MFRⅠC1.0尺寸效應(yīng)系數(shù)為1.27.與鋼纖維天然混凝土相比，尺寸效應(yīng)對鋼纖維再生混凝土的影響更為明顯.因?yàn)樵偕炷羶?nèi)部空隙和缺陷等出現(xiàn)的幾率隨著試件尺寸的增大而增大.由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，本試驗(yàn)所得的尺寸效應(yīng)系數(shù)與我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換算系數(shù)有一定的出入.

圖3 劈拉強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系

3 鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度計(jì)算

我國的《鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》在復(fù)合力學(xué)理論計(jì)算模式的基礎(chǔ)上，總結(jié)了普通鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，引入鋼纖維對混凝土強(qiáng)度的影響系數(shù)，得到了鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中:ffs為鋼纖維混凝土劈拉強(qiáng)度，MPa;fs為混凝土劈拉強(qiáng)度，MPa;αs為鋼纖維對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響系數(shù);λf為鋼纖維含量特征參數(shù).

當(dāng)鋼纖維的長徑比、體積分?jǐn)?shù)和基體混凝土強(qiáng)度等級已知，在再確定與鋼纖維混凝土同強(qiáng)度等級普通混凝土的劈拉強(qiáng)度fs后，便可計(jì)算出鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度.

利用式(2)對銑削型(MF)鋼纖維混凝土劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)αs進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，MF鋼纖維對再生混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)為0.936，對普通混凝土為0.944.將統(tǒng)計(jì)所得的αs值代入公式(2)中，計(jì)算出鋼纖維天然混凝土和鋼纖維再生混凝土的劈拉強(qiáng)度值，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較.對于再生骨料混凝土，兩者比值的均值為0.971，均方差為 0.058，變異系數(shù)為 0.060;對于天然混凝土，兩者比值的均值為0.972，均方差為0.068，變異系數(shù)為0.070.可見，公式(2)可預(yù)測鋼纖維再生混凝土的抗拉強(qiáng)度.

4 結(jié)語

通過對纖維再生混凝土的劈拉強(qiáng)度展開試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論.

1)劈拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)比都隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增大而增大.鋼纖維對再生混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著.在當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)從0.0%增加至2.0%時，劈拉強(qiáng)度增幅高達(dá)84%.

2)當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)小于1.0%時，與普通鋼纖維混凝土相比，鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度及其增強(qiáng)比要略低于天然鋼纖維混凝土;而在纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.5%后，兩者無明顯差別.再生骨料需要較大的纖維體積分?jǐn)?shù)來彌補(bǔ)其缺陷.

3)鋼纖維類型是影響再生混凝土劈拉強(qiáng)度的重要因素.在本試驗(yàn)中，BF型鋼纖維增強(qiáng)效果最為顯著，而SF與MF增強(qiáng)效果相當(dāng).應(yīng)選擇與混凝土基體黏結(jié)較好的鋼纖維用于再生混凝土中.

4)鋼纖維再生混凝土的尺寸效應(yīng)比鋼纖維天然混凝土的更為明顯.100 mm邊長的鋼纖維再生混凝土的尺寸換算系數(shù)為0.81，200 mm邊長的鋼纖維再生混凝土的尺寸換算系數(shù)為1.27.

5)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì):銑削型鋼纖維對再生混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)為0.936，對普通混凝土的劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)為0.944.鋼纖維天然混凝土劈拉強(qiáng)度公式仍適用于鋼纖維再生混凝土.

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