鋼纖維增強(qiáng)再生混凝土力學(xué)及收縮性能試驗(yàn)研究

吳全強(qiáng)1， 肖澤林， 李 舵

(1.湖南強(qiáng)邦土木技術(shù)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000; 2.長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的革新，使得越來(lái)越多的舊建筑物需要拆除改建，隨之產(chǎn)生了大量的廢舊建筑垃圾，以往建筑垃圾采取自然堆放的處理方式，不僅占用了大量土地資源，還帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-3]。再生混凝土是目前廢舊建筑垃圾處理的最有效途徑之一，世界各國(guó)都比較重視再生混凝土的研發(fā)及推廣應(yīng)用，但由于普通再生混凝土存在強(qiáng)度低、脆性大等缺陷，從而限制了其在部分建筑工程的應(yīng)用[4-5]。大量研究表明：鋼纖維摻入混凝土能夠顯著提升其力學(xué)強(qiáng)度，但研究對(duì)象多為普通混凝土、輕骨料混凝土與UHPC混凝土，而關(guān)于鋼纖維增強(qiáng)不同再生粗骨料取代率的再生混凝土性能方面的研究相對(duì)較少[6-8]?；诖?，本研究以鋼纖維和再生粗骨料取代率為變量，通過(guò)配比試驗(yàn)系統(tǒng)研究了鋼纖維摻量對(duì)不同取代率的再生粗骨料混凝土力學(xué)性能及干燥收縮性能的影響規(guī)律，旨為廢棄混凝土再生利用工程提供一定參考與借鑒。

1 試驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用某水泥公司生產(chǎn)的海螺牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求；粗骨料選用粒徑均為5～25 mm的天然粗骨料和再生粗骨料，級(jí)配良好，其主要力學(xué)性質(zhì)如表1所示；細(xì)骨料為中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.46，表觀密度為2 610 kg/m3；鋼纖維為銑削型波浪狀鋼纖維；減水劑采用高效聚羧酸系減水劑，減水率達(dá)26%；拌合水為市政生活用水。

表1 粗骨料主要力學(xué)性質(zhì)粗骨料表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)吸水性/%壓碎值/%天然粗骨料2 7201 6100.858.4再生粗骨料2 5201 4605.2914.3

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以C60普通高強(qiáng)度混凝土為基礎(chǔ)，配合比為:m(C)∶m(W)∶m(S)∶m(G)=1∶0.33∶1.45∶2.37，水灰比為0.33，砂率為38%?；炷林性偕止橇先〈史謩e為0、30%、40%和50%，為了便于描述，將各試件分為NN0、RN30、RN40和RN50這4組，試驗(yàn)所用混凝土的配合比如表2所示。

表2 再生混凝土配合比組號(hào)水泥/kg·m-3 粗骨料/(kg·m-3)天然再生砂/kg·m-3 水灰比砂率/%水/kg·m-3 NN0 4701 11406810.3338155RN304707803346810.3338155RN404706684466810.3338155RN504705575576810.3338155

2 試驗(yàn)方案及方法

將鋼纖維摻入各組混凝土中制備成鋼纖維再生混凝土，其中鋼纖維摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%，通過(guò)正交方式共設(shè)計(jì)了20種鋼纖維再生混凝土組合方案,如表3所示。依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)、《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中規(guī)程分別進(jìn)行再生混凝土試件的立方體抗壓、劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)及干燥收縮試驗(yàn)，其中強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試齡期均為28 d，干燥收縮試驗(yàn)測(cè)試齡期分別為7、14、28、60、90 d，干燥收縮試驗(yàn)中根據(jù)各試件的千分表讀數(shù)，采用公式ε=(L0-Lt)/Lb(ε為試件在齡期t時(shí)的干燥收縮變化率；L0、Lt分別為試件的初始與齡期t時(shí)的長(zhǎng)度讀數(shù)，mm；Lb為試件的測(cè)量標(biāo)距，mm)計(jì)算出各試件的干燥收縮率。各試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件及試件尺寸如表4所示。

表3 鋼纖維再生混凝土正交組合方案編號(hào)再生粗骨料取代率/%鋼纖維摻量/%編號(hào)再生粗骨料取代率/%鋼纖維摻量/%NN0SF000RN40SF0400NN0SF0.500.5RN40SF0.5400.5NN0SF101RN40SF1401NN0SF1.501.5RN40SF1.5401.5NN0SF202RN40SF2402RN30SF0300RN50SF0500RN30SF0.5300.5RN50SF0.5500.5RN30SF1301RN50SF1501RN30SF1.5301.5RN50SF1.5501.5RN30SF2302RN50SF2502

表4 再生混凝土養(yǎng)護(hù)條件及試件尺寸測(cè)試項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)條件試件尺寸/mm抗壓強(qiáng)度20 ℃+RH95%100×100×100抗拉強(qiáng)度20 ℃+RH95%100×100×100抗折強(qiáng)度20 ℃+RH95%100×100×400干燥收縮20 ℃+RH60%100×100×515

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

不同鋼纖維摻量條件下再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 再生混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果

由圖1可知，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度大致均隨著再生粗骨料取代率的增大呈逐漸減小變化趨勢(shì)，其中在未摻鋼纖維情形下，NN0、RN30、RN40、RN50組混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為62、57.8、57.3、54.3 MPa，說(shuō)明再生粗骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較為明顯，原因是再生粗骨料自身存在界面結(jié)構(gòu)及微細(xì)裂紋，導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加能夠達(dá)到甚至超過(guò)基準(zhǔn)混凝土的水平，在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，NN0、RN30、RN40、RN50組混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻情形分別增長(zhǎng)了7.4%、11.9%、7.3%、14.5%，說(shuō)明鋼纖維的摻入在一定程度上可以有效提升再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，原因是鋼纖維表面呈波浪形狀，使得纖維與再生混凝土結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)效應(yīng)得到了充分發(fā)揮，同時(shí)鋼纖維的彈性模量較高，能夠很好地抵抗外界壓力，故有利于提升再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同鋼纖維摻量條件下再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果

由圖2可知，隨著再生粗骨料的增加，鋼纖維再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度大致呈逐漸下降變化趨勢(shì)，在未摻鋼纖維情形下NN0、RN30、RN40、RN50組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.81、3.69、3.68、3.36 MPa，其中RN30和RN40組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較NN0組降低了3.5%左右，而RN50組混凝土較NN0組則降低了11.8%，說(shuō)明再生粗骨料取代率低于40%時(shí)能夠得到大致與基準(zhǔn)混凝土相似的劈裂抗拉強(qiáng)度。隨著鋼纖維摻量的增加，RN30、RN40、RN50組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增大，當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)1.5%時(shí)，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到甚至超過(guò)基準(zhǔn)混凝土的水平，NN0、RN30、RN40、RN50組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻情形分別增長(zhǎng)了24.7%、17.1%、8.2%、17%，說(shuō)明鋼纖維在一定程度上能夠提升再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，原因是鋼纖維雜亂分布于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，不僅可以抑制裂紋的擴(kuò)展，還能削弱界面過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)了再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3.3 抗折強(qiáng)度

不同鋼纖維摻量條件下再生混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 再生混凝土抗折強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果

由圖3可知，隨著再生骨料取代更多的天然骨料，混凝土的抗折強(qiáng)度大致呈降低變化趨勢(shì)，在未摻鋼纖維情形下RN30、RN40、RN50組混凝土的抗折強(qiáng)度分別為5.38、5.58、4.73 MPa，較NN0組分別降低了17.2%、14.2%、27.2%。隨著鋼纖維摻量的增加，各組再生混凝土的抗折強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯增大，在鋼纖維摻入后再生混凝土的抗折強(qiáng)度均超過(guò)了基準(zhǔn)混凝土的水平，說(shuō)明鋼纖維可以有效提升再生混凝土的抗折強(qiáng)度，原因是鋼纖維的高粘結(jié)、高牽拉和高彈模特性得到充分發(fā)揮，使再生混凝土的抗折強(qiáng)度得到提高。

3.4 干燥收縮

不同鋼纖維摻量條件下再生混凝土在7～180 d齡期時(shí)的干燥收縮率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在相同鋼纖維摻量情況下，再生混凝土的干燥收縮率隨著再生骨料或齡期的增大逐漸增大，而相同再生骨料和齡期情形下，混凝土的干燥收縮率隨著鋼纖維摻量的增大呈先減小后增大變化，其中鋼纖維摻量低于1.5%時(shí)，不同齡期再生混凝土的干燥收縮率均逐漸下降；當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，再生混凝土的干燥收縮率均降到最小值，NN0、RN30、RN40、RN50組90 d齡期的干燥收縮率分別為2.23×10-4、4.05×10-4、5.17×10-4、7.11×10-4；當(dāng)鋼纖維摻量超過(guò)1.5%后，干燥收縮率反而有所增大。由干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果可知，合理的鋼纖維摻量可以有效抑制再生混凝土的干燥收縮，原因是鋼纖維隨機(jī)分散于混凝土的內(nèi)部，能在一定程度上削弱毛細(xì)孔道內(nèi)的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致其干燥收縮率下降；但鋼纖維過(guò)量會(huì)形成大量的界面結(jié)構(gòu)，使得纖維粘結(jié)效果出現(xiàn)明顯降低，故混凝土的干燥收縮率反而增大。

圖4 再生混凝土干燥收縮率實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1) 再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度整體上隨著再生粗骨料的增加逐漸降低，而干燥收縮則隨之逐漸增大。

2) 鋼纖維具有高粘結(jié)、高牽拉和高彈模等特性，摻入適量的鋼纖維可有效提升再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，同時(shí)還能抑制再生混凝土的干燥收縮。

3) 鋼纖維過(guò)量會(huì)造成纖維的粘結(jié)作用降低，導(dǎo)致再生混凝土的強(qiáng)度及收縮性能下降。

4) 綜合再生混凝土的力學(xué)性能和收縮性能考慮，鋼纖維的合理?yè)搅繛?.5%左右；將鋼纖維摻入再生粗骨料取代率低于40%的再生混凝土中，能夠得到大致與普通混凝土相似的強(qiáng)度及收縮水平。