廢棄纖維再生混凝土受壓徐變及預(yù)測模型

周靜海，吳迪，趙庭鈺，郭易奇

(沈陽建筑大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.建筑設(shè)計研究院，沈陽 110168)

中國每年會產(chǎn)生大量建筑垃圾，如何有效處理這些建筑垃圾已成為亟待解決的問題[1]。具有造價低、節(jié)約資源等優(yōu)勢及顯著經(jīng)濟與社會效益的再生混凝土無疑是克服傳統(tǒng)處理方式缺點、實現(xiàn)資源可持續(xù)利用的有效方法[2]。但隨著對再生混凝土研究的深入，再生骨料孔隙率大、早期裂紋多等問題相繼暴露[3]，這就使得再生混凝土體積穩(wěn)定性較普通混凝土差，更易開裂[4-5]。而廢棄纖維具有質(zhì)輕、吸水率低和耐酸堿性好等特點，可顯著減小再生混凝土內(nèi)部微裂縫的數(shù)量、長度和寬度，使混凝土的抗?jié)B性能得到明顯改善，因此，廢棄纖維再生混凝土便應(yīng)運而生[6]。

學(xué)者們已對再生混凝土長期徐變性能開展了大量工作，一般認(rèn)為，再生骨料替代率增加，再生混凝土的徐變也隨之增加[7]，Domingo-Cabo等[8]通過試驗研究得到了相同的結(jié)論，在90 d的徐變試驗中，再生粗骨料取代率為50%和100%的再生混凝土較基準(zhǔn)混凝土的徐變變形增長25%和62%。Geng等[9]等對40個再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土柱進行8個月的長期荷載作用后，表明再生混凝土柱的徐變變形比普通混凝土柱大50%～120%。曹萬林等[10]對6根再生混凝土足尺梁進行了750 d的長期穩(wěn)定加載，發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁的徐變系數(shù)初期增長趨勢一致，但隨著時間的推移，后期的差異會逐漸變大。Ravindrarajah等[11]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的徐變變形與水灰比呈正比關(guān)系，再生骨料表面附著的老舊水泥砂漿是再生混凝土徐變變形大的主要原因。肖建莊等[12]通過試驗證明，再生混凝土加載時的齡期越早則徐變值越大。羅素蓉等[13]通過試驗得出如果用預(yù)處理過的高品質(zhì)再生骨料拌制而成的再生混凝土進行徐變試驗，則其徐變變形會明顯減小。肖建莊等[14]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土所受荷載的應(yīng)力水平越高，徐變增加越快，且持荷應(yīng)力比超過0.4后，其徐變增長會表現(xiàn)出明顯的非線性。

摻合料及纖維可以改善混凝土的徐變性能。大量的試驗證明摻加粉煤灰后，混凝土的徐變性能發(fā)生了很大的改變，通常情況下，粉煤灰混凝土的徐變小于普通混凝土[15]。Castel等[16]通過試驗證明在再生混凝土中摻入礦渣等礦物摻合料也可以明顯降低其徐變度。周靜海等[17]通過非金屬超聲檢測儀測定技術(shù)研究了廢棄纖維再生混凝土在長期荷載下的徐變，在加載初期，混凝土損傷發(fā)展的速率較快，損傷變量會隨著再生粗骨料取代率的增大而增大，在再生混凝土中添加廢棄纖維可以增強混凝土承受損傷的能力。于俊超[18]對比研究各種工程纖維混凝土加載后的徐變性能發(fā)現(xiàn)，彈性模量低于基準(zhǔn)混凝土的工程纖維對于混凝土徐變性能不但沒有抑制作用，還會增加其內(nèi)部缺陷，增大混凝土的徐變變形。而彈性模量遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)混凝土的工程纖維則可以抑制混凝土徐變，但摻量過大時，工程纖維與基體之間大量增加的界面層會減弱纖維對徐變的抑制作用。

分析長期荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫、破壞和屈曲等問題，必須考慮徐變的作用和影響。盡管學(xué)者們對于混凝土的徐變性能做了大量的研究，但對于廢棄纖維再生混凝土的徐變研究尚少。本文設(shè)計了5組試件，通過其高應(yīng)力持續(xù)作用下的徐變試驗，分別研究再生粗骨料替代率、廢棄纖維體積摻入量以及應(yīng)力水平對廢棄纖維再生混凝土抗壓徐變的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

1.1.1 試驗材料 水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料為天然中砂。水為沈陽建筑大學(xué)自來水。試驗所用粗骨料分為兩種，一種是從骨料廠購置的天然粗骨料，一種是再生粗骨料。

表1 再生粗骨料基本性能Table 1 Basic performance of recycled coarse aggregates

再生粗骨料由沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室里初始強度為C40的廢棄混凝土構(gòu)件，經(jīng)過人工破碎、清洗、篩分等一系列流程所制成。根據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)[19]規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，測得再生粗骨料的各項基本性能見表1。試驗的再生粗骨料性能符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[20]規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

廢棄纖維來自廢舊丙綸地毯，材質(zhì)為聚丙烯纖維，經(jīng)過人工拆分，裁剪成長度為19 mm的纖維段，作為增強纖維摻入混凝土中，如圖1所示。纖維的密度為0.91 g/cm3，直徑30 μm，極限伸長率為15%～25%，彈性模量為3.79×103N/mm2，吸水率小于1%，耐酸堿性高[21]。

圖1 廢棄纖維

1.1.2 配合比 根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[22]的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊。共分5組，其中第1組為普通混凝土試件，其他4組為廢棄纖維再生混凝土試件。

因為再生粗骨料表面附著大量的老舊砂漿，而且本身也存在著在制備過程中產(chǎn)生的微裂縫，所以孔隙率和吸水率會變高。若是按照普通混凝土的配合比來制備再生混凝土，會降低有效水灰比，故在拌制再生混凝土?xí)r需加入附加水，各試件的配合比列于表2中, 其中，NC為普通混凝土試件，RCA為再生粗骨料替代率為A%的再生混凝土試件，F(xiàn)RCA-B為再生粗骨料替代率為A%，廢棄纖維體積摻入量為B%的廢棄纖維再生混凝土試件。試驗利用強制式攪拌機拌制混凝土，采用干拌法制備廢棄纖維再生混凝土[21]，先將水泥與砂攪拌均勻后將廢棄纖維分散投入，攪拌1 min，使其在拌合物中均勻分布，加水繼續(xù)攪拌1 min至水泥砂漿均勻，最后投入粗骨料拌制2～3 min。

表2 配合比Table 2 Mixture ratio

1.1.3 廢棄纖維再生混凝土力學(xué)性能 進行了廢棄纖維再生混凝土的基本力學(xué)性能試驗，混凝土抗壓強度試驗和靜力受壓彈性模量試驗均按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[23]進行。立方體抗壓強度試驗選用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件；軸心抗壓強度試驗和靜力受壓彈性模量試驗選用150 mm×150 mm×300 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。廢棄纖維再生混凝土抗壓強度和彈性模量試驗結(jié)果列于表3、表4中。

表3 廢棄纖維再生混凝土立方體抗壓強度Table 3 Cube compressive strength of waste fiber recycled concrete

1.2 試驗加載設(shè)計

試驗分為3組，進行高應(yīng)力作用下的徐變試驗。85%應(yīng)力水平下的徐變破壞試驗，選擇32 t螺旋式機械千斤頂作為長期持荷裝置，用螺栓固定橫鋼梁以承受荷載的反力，試驗裝置如圖2所示。正式加載前，先用千斤頂加至預(yù)加荷載的20%，同時，觀測設(shè)置在試件兩側(cè)的應(yīng)變讀數(shù)的變化，如兩側(cè)的應(yīng)變均不大于平均值的10%，表示試件受荷均勻，否則，重新調(diào)整對中，再次重復(fù)以上步驟，直至讀數(shù)符合要求。對中完畢后，繼續(xù)加荷，直到加至預(yù)加荷載，隨后保持荷載不變。

表4 廢棄纖維再生混凝土軸心抗壓強度及彈性模量
Table 4 Axial compressive strength and elastic modulus ofwaste fiber recycled concretekN

試件編號破壞荷載/kN1#2#3#破壞荷載平均值/kN抗壓強度平均值/MPa彈性模量/GPaNC655.2572.6666.4631.428.135.3RC50596.0524.4531.2550.524.532.3FRC50-0.08571.6468.4556.0556.024.732.1FRC50-0.12674.4587.2541.2601.026.731.0RC100527.6418.8557.6527.623.429.4

圖2 85%應(yīng)力水平下徐變裝置及示意圖Fig.2 Creep device under 85% stress level

90%、95%應(yīng)力水平下采用反力架、50 t螺旋式千斤頂進行試驗，試驗裝置如圖3所示，預(yù)加載方式與85%應(yīng)力水平下相同。荷載受荷均勻后，保持荷載恒定不變，當(dāng)力傳感器的讀數(shù)小于所需荷載的2%時，應(yīng)進行補載，直至試件發(fā)生徐變破壞。觀察破壞狀態(tài)，記錄徐變破壞曲線以及破壞時間。

圖3 90%和95%應(yīng)力水平下徐變裝置及示意圖Fig.3 Creep device under 90% and 95% stress

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 85%應(yīng)力水平下徐變試驗結(jié)果與分析

在進行徐變試驗前，首先進行100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體極限抗壓強度試驗，以確定每組徐變試驗的持荷應(yīng)力。棱柱體極限抗壓強度試驗按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)進行，每組取3個試塊，取其平均值作為棱柱體極限抗壓強度值，若所測得的最大值或最小值中的一個與中間值之差的絕對值大于中間值的15%，取中間值。廢棄纖維再生混凝土試件的抗壓強度試驗結(jié)果如圖4所示。廢棄纖維再生混凝土棱柱體的軸心抗壓強度會隨著再生粗骨料替代率的增大而降低，隨著廢棄纖維體積摻入量的增多而增強；在混凝土中摻入再生粗骨料和廢棄纖維會降低混凝土的彈性模量，但降低程度不大。

圖4 廢棄纖維再生混凝土棱柱體抗壓強度Fig.4 Compressive strength of recycled fiber concrete

85%應(yīng)力水平下，試驗齡期60 d的徐變變形如圖5所示，徐變度如圖6所示。其中，徐變度是單位應(yīng)力作用下所發(fā)生的徐變應(yīng)變。85%應(yīng)力水平下徐變變形及徐變度均為每組3個試件進行徐變試驗后的平均值。

圖5 各試件的徐變變形曲線Fig.5 Creep deformation of

圖6 各試件的徐變度對比

由圖5可知，隨著再生粗骨料替代率的增加，徐變變形增大。徐變現(xiàn)象是由于混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷產(chǎn)生和擴展所致，而再生粗骨料在回收破碎的過程中，會產(chǎn)生一些內(nèi)部損傷和微裂紋且再生粗骨料與水泥漿體的界面過渡區(qū)較為薄弱，在高應(yīng)力作用下很容易使界面和砂漿內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，使再生混凝土產(chǎn)生較大的徐變變形。在再生混凝土中摻入廢棄纖維能夠降低其徐變變形。

由圖6可知，85%應(yīng)力水平下，RC50、FRC50-0.08與NC徐變度變化曲線基本平行，而RC100的徐變度變化曲線則偏離前三者距離較遠(yuǎn)，徐變度增加的速度顯著加快，非線性關(guān)系明顯，說明當(dāng)再生粗骨料替代率提升至100%時，再生粗骨料本身的微裂縫等缺陷會顯著的增加混凝土的徐變變形。

2.2 90%、95%應(yīng)力水平試驗結(jié)果與分析

2.2.1 再生粗骨料取代率 不同再生粗骨料替代率的混凝土在高應(yīng)力持續(xù)作用下所產(chǎn)生的徐變變形和發(fā)生徐變破壞的時間均存在一定差異。90%和95%應(yīng)力水平下，每組3個混凝土試件在發(fā)生徐變破壞前的徐變變形和徐變時間平均值如圖7所示。

圖7 不同再生粗骨料替代率下的徐變性能Fig.7 Creep deformation of concrete with different recycled aggregate replacement

由圖7(a)可知，在90%應(yīng)力水平作用下，RC50和RC100同比NC的徐變變形分別增加了17.6%和30%；在95%應(yīng)力水平作用下，RC50和RC100同比NC的徐變變形分別增加了15.9%和31.1%。說明再生粗骨料替代率越大，再生混凝土的徐變變形越大。

由圖7(b)可知，混凝土所處的應(yīng)力水平越高，發(fā)生徐變破壞的時間越短。在90%應(yīng)力水平下，試件均在持荷幾十分鐘后才會發(fā)生破壞，而在95%應(yīng)力水平下，試件僅持荷短短幾分鐘就發(fā)生了破壞，僅約為90%應(yīng)力水平下破壞時間的十分之一。這是由于混凝土所受的荷載越大，其內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生的越多，擴展速度越快。在徐變過程中，徐變損傷起主導(dǎo)地位，使得原有的微裂縫和新增的微裂縫加速擴展并且貫通，從而使發(fā)生徐變破壞的時間縮短。

再生混凝土發(fā)生徐變破壞的時間較普通混凝土?xí)s短一倍以上。這是因為在回收廢棄混凝土和制造再生粗骨料的過程中，由于損傷的累積導(dǎo)致再生粗骨料表面及內(nèi)部已存在不同程度的缺陷。而高應(yīng)力下的徐變不僅會使再生混凝土中原有的微裂縫擴展，還會產(chǎn)生新的微裂縫與其貫通，形成更大的裂縫。并且再生粗骨料對水泥砂漿的約束剛度不足，從而導(dǎo)致再生混凝土發(fā)生徐變破壞的時間大大縮短。

2.2.2 廢棄纖維體積摻入量 不同的廢棄纖維體積摻入量也會導(dǎo)致混凝土在高應(yīng)力持續(xù)作用下所產(chǎn)生的徐變變形和發(fā)生徐變破壞的時間均存在一定差異。90%和95%應(yīng)力水平下，不同廢棄纖維體積摻入量的廢棄纖維再生混凝土在發(fā)生徐變破壞前的徐變變形和徐變時間均為每組3個試件進行徐變試驗后的平均值。

圖8 不同廢棄纖維體積摻入量下的徐變性能Fig.8 Creep deformation of concrete with different waste fiber replacement

由圖8(a)可知，在90%應(yīng)力水平作用下，F(xiàn)RC50-0.08和FRC50-0.12同比RC50的徐變變形分別增加了4.9%和17.7%；在95%應(yīng)力水平作用下，F(xiàn)RC50-0.08和FRC50-0.12同比RC50的徐變變形分別增加了26.1%和14.2%，再生混凝土中縱橫交錯的廢棄纖維可以一定程度上抑制微裂縫發(fā)展，使廢棄纖維再生混凝土試件在高應(yīng)力下的持續(xù)變形過程增長，混凝土破壞也由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞。廢棄纖維再生混凝土在95%應(yīng)力水平作用時，F(xiàn)RC50-0.12的徐變變形要低于FRC50-0.08，分析其原因，可能是因為在拌制FRC50-0.12試件時，廢棄纖維并沒有均勻分布在混凝土中，產(chǎn)生“抱團”現(xiàn)象，因此，抑制裂縫擴展的效果不明顯，或者是由于試件內(nèi)大量的廢棄纖維在較高的應(yīng)力水平作用下被拉斷，失去效用。

由圖8(b)所示，廢棄纖維在徐變破壞的發(fā)生過程中能夠有效地起到抑制破壞的作用，而且在95%高應(yīng)力狀態(tài)下效果更加顯著。廢棄纖維均勻地分布在混凝土基體中，可以在徐變過程中起到阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，提高混凝土的延性，從而使混凝土的徐變破壞時間得到較大的延長。

2.3 機理分析

圖9為再生混凝土的微觀形貌，再生混凝土各相間存在明顯的界面，區(qū)別于普通混凝土，主要包括新舊水泥石界面、原天然骨料與舊水泥石界面和原天然骨料與新水泥石界面。這些界面結(jié)構(gòu)疏松，主要由不定形態(tài)的水化產(chǎn)物組成，是裂縫主要生成和擴展的區(qū)域。因此，在宏觀尺度上表現(xiàn)為在高應(yīng)力作用下，隨著再生粗骨料替代率的增加，再生混凝土的徐變破壞時間減小，徐變變形增加。

圖9 再生混凝土微觀形貌Fig.9 Micromorphology of recycled

圖10為廢棄纖維再生混凝土中的廢棄纖維微觀形貌，可以看到廢棄纖維橫貫于混凝土裂紋的兩側(cè)，為抑制混凝土裂紋的發(fā)展提供拉力，改善了再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。再生混凝土在高應(yīng)力下的徐變是一個微裂縫隨時間的增長而不斷擴展的過程，而廢棄纖維均勻分布在再生混凝土中，使得微裂縫在擴展的過程中受到阻礙，廢棄纖維也會憑借其較好的變形能力消耗一部分能量，從而起到阻裂的作用，有效抑制微裂縫的產(chǎn)生和擴展。

圖10 廢棄纖維微觀形貌Fig.10 Micromorphology of waste

3 廢棄纖維再生混凝土徐變預(yù)測模型

3.1 混凝土徐變預(yù)測模型

目前常用的混凝土徐變預(yù)測模型有ACI209R模型[24]、GL2000模型[25]、CEB-FIP模型[26]等。由于GL2000模型及CEB-FIP(1990)模型比較適合應(yīng)力水平σc/fc(t0)<0.4的混凝土徐變預(yù)測，故主要討論ACI209R模型的適用性，并基于試驗數(shù)據(jù)對模型進行修正。

ACI209R模型

(1)

φ(∞)=2.35k1k2k3k4k5k6

(2)

基于試驗中NC的彈性模量、抗壓強度、試件的體表比及相對環(huán)境濕度等各種基本的試驗數(shù)據(jù)，首先計算了NC試件的徐變系數(shù)，并與通過試驗所得到的徐變系數(shù)試驗值進行對比，見圖11。

圖11 混凝土徐變系數(shù)計算值與試驗值對比Fig.11 Comparisons of creep coefficient between

由圖11可見，由于預(yù)測模型所考慮的因素與實際試驗條件存在差異，導(dǎo)致該模型無法反映廢棄纖維再生混凝土的徐變變形，所以，在預(yù)測廢棄纖維再生混凝土的徐變時，要考慮再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻入量的影響。

3.2 修正的ACI209R預(yù)測模型

對ACI209R預(yù)測模型進行修正，要考慮再生粗骨料替代率r和廢棄纖維摻量w對廢棄纖維再生混凝土徐變的影響，對式(2)再乘以系數(shù)γ進行修正。根據(jù)r和w分別為0，0；50%，0；100%，0；50%，0.08%的徐變系數(shù)試驗值，回歸得到γ，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)線性擬合出γ與r、w的關(guān)系

γ=0.778+0.681r-2.244w

(3)

由圖12可見，修正后的NC、RC50、RC100、RC50-0.08組試件的徐變系數(shù)計算值和試驗值在持載5 d前有一定偏差，但混凝土徐變是一個長期過程，二者在持載7 d之后的曲線基本一致，誤差在允許范圍內(nèi)。

圖12 修正后的混凝土徐變系數(shù)計算值與試驗值對比Fig.12 Comparisons of creep coefficient after modified between prediction and test

同時，為進一步檢驗修正后的徐變系數(shù)預(yù)測模型的精度，利用修正后的模型計算文獻(xiàn)[27]中RC50、RC100組試件的徐變系數(shù)，并與其文中的試驗值進行對比，發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果比較接近，如圖13。對故修正后的模型可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測廢棄纖維再生混凝土的徐變趨勢。

圖13 文獻(xiàn)[27]徐變系數(shù)計算值與試驗值對比Fig.13 Comparisons of calculation and test creep coefficient in literature

目前，將聚丙烯纖維作為增強材料摻入再生混凝土中研究其徐變性能的文獻(xiàn)較少，故在廢棄纖維方面僅用試驗所得的數(shù)據(jù)進行擬合。式(3)適用于由原始強度為C40的廢棄混凝土破碎后形成的再生粗骨料制備而成的再生混凝土，以及廢棄聚丙烯纖維再生混凝土的徐變系數(shù)預(yù)測。

4 結(jié)論

1)混凝土在85%應(yīng)力水平下，持荷60 d仍未發(fā)生徐變破壞。再生混凝土的徐變變形和徐變度要大于普通混凝土，且徐變變形和徐變度隨著再生粗骨料替代率的增大而增大；在再生混凝土中摻入體積分?jǐn)?shù)為0.12%的廢棄纖維能夠顯著降低混凝土的徐變變形和徐變度。

2)廢棄纖維再生混凝土在90%和95%應(yīng)力水平下持載會發(fā)生徐變破壞現(xiàn)象，在90%應(yīng)力水平下，混凝土均在持荷幾十分鐘才會發(fā)生破壞，在95%應(yīng)力水平下，混凝土僅持荷短短幾分鐘就發(fā)生了破壞，對混凝土所施加的應(yīng)力水平越大，發(fā)生徐變破壞時間越短。高應(yīng)力水平下持載，添加廢棄纖維的再生混凝土試件徐變破壞時間相比未添加廢棄纖維的再生混凝土試件有所延長 。

3)在NC、RC50、RC100、RC50-0.08組試件85%應(yīng)力水平下的徐變試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對ACI209R徐變預(yù)測模型進行了修正，修正后的模型中加入的系數(shù)γ，考慮了再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻入量對混凝土徐變的影響，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測高應(yīng)力水平下的再生混凝土徐變情況。