鋼纖維再生混凝土抗拉試驗(yàn)研究

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(太原太工天昊土木工程檢測有限公司，山西 太原 030024)

引言

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)是指將廢棄的混凝土經(jīng)過機(jī)械破碎、清洗、分級后，按照一定的比例與級配混合，部分或者全部代替天然粗細(xì)骨料，再加入水泥、水等拌和而成的新型混凝土[1]。再生混凝土從根本上解決了廢棄混凝土的處理問題，節(jié)約了天然骨料資源，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[2]。再生混凝土在破碎過程中，使得再生骨料棱角過多，針狀再生骨料所占面積過大，并且破碎過程中產(chǎn)生大量的內(nèi)部橫向裂縫，使得再生混凝土強(qiáng)度降低[3]。

在再生混凝土中適量摻入鋼纖維，可以增強(qiáng)其抗拉、抗折、抗彎和抗剪等性能。由于直接進(jìn)行混凝土的軸心抗拉試驗(yàn)很繁瑣，因此大多數(shù)的研究是采用劈裂抗拉試驗(yàn)取代軸心抗拉試驗(yàn)。由于現(xiàn)行的鋼纖維再生混凝土(Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete，SFRAC)試驗(yàn)方法仍沿用劈裂抗拉強(qiáng)度來確定軸心抗拉強(qiáng)度，但并未說明如何將劈裂抗拉強(qiáng)度換算成鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的鋼纖維再生混凝土軸心抗拉試件——啞鈴型試件，在普通試驗(yàn)機(jī)上獲得混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度[4]。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試件制作及配合比

鋼纖維再生混凝土軸心抗拉試驗(yàn)采取簡單易行的端部粘膠的辦法。采用精確加工的鋼板，使試件的受拉端在鋼板幾何中心并且垂直于鋼板，試件和鋼板尺寸如圖1所示。試件端部尺寸為150 mm×150 mm，中間尺寸為100 mm×100 mm。由于鋼板與試件接觸面積較大，鋼板和試件不至于當(dāng)拉力過大時(shí)在粘膠面斷裂，膠的粘結(jié)力大于混凝土抗拉力。劈裂抗拉試驗(yàn)和軸心抗拉試驗(yàn)每組3個(gè)試件，共5組，劈裂抗拉試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。試件在試模內(nèi)成型，在振動(dòng)臺上振搗密實(shí)，1 d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 鋼纖維再生混凝土軸心抗拉試件示意圖

鋼纖維再生混凝土配合比見表1。水泥采用山西文水生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；砂為山西汾陽普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.92；再生粗骨料為太原市某小區(qū)拆遷廢棄混凝土，粒徑5～20 mm；天然粗骨料為太原某石場破碎的石子，粒徑5～20 mm；減水劑為高性能聚羧酸減水劑；鋼纖維為鄭州禹建鋼纖維有限公司生產(chǎn)的銑削型鋼纖維，產(chǎn)品特性見表2；受拉端鋼板和試件粘結(jié)所用膠為南京天力信粘鋼膠。本試驗(yàn)的鋼纖維摻量按鋼纖維體積含量分別為0%、0.3%、0.5%、0.7%和1%，用再生粗骨料替代30%的天然粗骨料。

表1 鋼纖維再生混凝土配合比1) kg/m3

表2 鋼纖維特性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

軸心抗拉試驗(yàn)主要采用1臺液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。用試驗(yàn)機(jī)的上端緊緊夾住試件的上部受拉端，試驗(yàn)機(jī)下端調(diào)整至適當(dāng)位置夾緊試件下部固定端，保證試件的上下受拉端和試驗(yàn)機(jī)的緊固端在一條直線上。為安全起見，試驗(yàn)機(jī)加載為位移控制，加載速度為0.01 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸心抗拉強(qiáng)度計(jì)算

鋼纖維再生混凝土的受拉試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 鋼纖維再生混凝土受拉試驗(yàn)結(jié)果

鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與混凝土中鋼纖維的含量有關(guān)。將表3中鋼纖維再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度fft與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系繪于圖2。

圖2 fft/ft與λf的關(guān)系

由圖2可以看出，鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度與鋼纖維含量的特征值呈較好的線性關(guān)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性回歸，得到鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

fft=ft(1+0.46λf)

(1)

式中：fft——鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度，N/mm2；ft——基準(zhǔn)組(對照組)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，N/mm2；λf——鋼纖維的含量特征值。

混凝土的相關(guān)系數(shù)為0.961。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算

將表3中的劈裂抗拉強(qiáng)度ffts與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系繪于圖3。

圖3 ffts/fts與λf的關(guān)系

由圖3可以看出，鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與鋼纖維含量特征值呈三段式關(guān)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，得到鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

ffts=fts(1+0.96λf)

(2)

式中：ffts——鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，N/mm2；fts——普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，N/mm2；λf——鋼纖維的含量特征值。

混凝土的相關(guān)系數(shù)為0.887。

2.3 鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的分析

比較(1)式與(2)式不難看出，鋼纖維的含量特征值的變化對鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不同，鋼纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果大于對軸心抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。其原因可能是在劈裂抗拉時(shí)，受荷端的劈裂面上的鋼纖維承受壓剪兩個(gè)方向的作用，相當(dāng)于對劈拉區(qū)施加了約束，形成了邊壁效應(yīng)，隨著鋼纖維含量特征值的增大，邊壁效應(yīng)的約束作用也同時(shí)增大，使得鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于軸心抗拉強(qiáng)度；而在鋼纖維再生混凝土軸心受拉時(shí)，鋼纖維只受拉力作用，因此軸心抗拉強(qiáng)度增長值沒有劈裂抗拉強(qiáng)度增長值明顯。

2.4 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的影響

由圖2可見，隨著再生混凝土中鋼纖維摻量的增加，其軸心抗拉強(qiáng)度也隨之增長，與鋼纖維普通混凝土相比，鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度增長更為明顯。這是由于再生混凝土中再生骨料裂縫和空隙對其抗拉強(qiáng)度有較大影響，摻入適量的鋼纖維可以改善再生混凝土的這些缺陷，提高其軸心抗拉強(qiáng)度。

2.5 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖3可見，隨著再生混凝土中鋼纖維摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之增長，劈裂抗拉強(qiáng)度比基體混凝土增長得更多。其原因可能是在劈裂抗拉時(shí)，鋼纖維受到豎向和橫向兩個(gè)方向的力，因此其劈裂抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)論

3.1 本試驗(yàn)采用了一種新型的軸心抗拉試件，采用粘膠法固定受拉端與試件。試驗(yàn)表明，兩端端頭混凝土與鋼板的膠結(jié)力大于試件的軸拉力。

3.2 鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，均隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高。鋼纖維對再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著。當(dāng)鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)從0%增加至1%時(shí)，軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別增長22%和70.8%。

3.3 鋼纖維再生混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度與鋼纖維含量特征值呈線性增長的關(guān)系，劈裂抗拉強(qiáng)度基本呈三段式線性增長的關(guān)系。鋼纖維的含量特征值在0.2～0.4之間時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度增長較快，含量特征值在0.5時(shí)達(dá)到頂峰。但是，鋼纖維對再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼纖維對再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張麗娟，高丹盈，朱海堂，等.鋼纖維再生混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(1)：27-31.

[2] 鄧壽昌，王正平，張學(xué)兵，等.建筑固體廢棄物的循環(huán)利用與再生資源的可持續(xù)發(fā)展[A].首屆全國再生混凝土研究和應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集[C].中國土木工程學(xué)會，2008.

[3] 肖建莊，李佳彬，蘭陽.再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評述[J].混凝土，2003(10)：17-20，57.

[4] GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.