廢棄纖維再生混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)

周靜海，劉 昱，康天蓓，劉愛霞

(1. 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 2. 沈陽城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，遼寧 沈陽 110168)

0 引 言

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑規(guī)模日益擴(kuò)大，由此產(chǎn)生了大量的建筑固廢，引起了嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。為實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，可將建筑固廢進(jìn)行破碎、清洗和篩分，處理成再生骨料，替代天然骨料，制備再生混凝土[2]。黏結(jié)性能是混凝土和鋼筋二者協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)，再生骨料在回收處理過程中，常會(huì)受到損傷，降低了二者的黏結(jié)作用[3]。目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)二者的黏結(jié)性能展開研究，并取得了一定成果[4-7]。Seara-Paz等[8]通過中心拔出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生骨料替代率越大，再生混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)應(yīng)力則越小。Pour等[9]指出，再生混凝土的黏結(jié)應(yīng)力同鋼筋錨固長度與直徑的比值成反比。肖建莊等[10]研究了再生混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的影響因素，提出了不同再生骨料替代率和鋼筋類型的黏結(jié)-滑移關(guān)系公式。曹萬林等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼筋種類、直徑與錨固長度等參數(shù)對(duì)再生混凝土和鋼筋的黏結(jié)-滑移性能有重要影響。研究表明，在混凝土中加入纖維可以有效改善再生混凝土的力學(xué)、耐久性能[12-14]。一般按纖維材料類型不同可分為碳纖維、鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維等。

聚丙烯纖維因具有良好的抗裂性能及低廉的成本，在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛[12]。Song等[15]研究表明聚丙烯纖維能夠改善混凝土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少裂縫的產(chǎn)生。姚艷芳[16]通過試驗(yàn)得到聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土的抗裂性能同樣具有良好的提升效果，孔祥清等[17]則進(jìn)一步地給出了聚丙烯纖維的摻加量建議控制范圍0.90～1.2 kg·m-3。Zhou等[18-19]的研究表明，廢棄的聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土的抗裂性能同樣可以起到良好的改善作用。目前針對(duì)廢棄(聚丙烯)纖維，其對(duì)再生混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的影響尚不明確。

因此，本文設(shè)置不同的再生骨料替代率和廢棄纖維體積摻量，制備7組共14個(gè)半梁式試件，進(jìn)行單向拉拔試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)測量和理論分析，研究再生骨料替代率、廢棄纖維體積摻量對(duì)再生混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。砂子采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2 610 kg·m-3，含水率為4.12%。天然骨料為天然碎石，再生骨料源自沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的廢棄混凝土試件，原始強(qiáng)度為C40，經(jīng)人工、機(jī)械破碎，清洗、篩分得到，骨料級(jí)配符合規(guī)范《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(JGJ 53—92)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 骨料性能指標(biāo)Table 1 Property Indexes of Concrete Aggregate

廢棄纖維來自廢舊丙綸地毯，經(jīng)清洗后，人工拆分制備而成，如圖1所示。廢棄纖維的主要材質(zhì)為聚丙烯，密度為0.91 kg·m-3，彈性模量為3.5×103MPa，吸水率小于0.1%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

再生骨料表面附著有大量的水泥砂漿，根據(jù)表 1 可知其吸水率為天然骨料混凝土的3.9倍，根據(jù)《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08-2018—2007)，在設(shè)計(jì)再生混凝土的配合比時(shí)，除考慮參與水化的自由用水量外，還應(yīng)考慮附加用水量，其用量與再生骨料在自然干燥條件下吸水飽和參數(shù)有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，再生骨料替代率每增加25%，附加用水量約增加5 kg·m-3，廢棄纖維吸水率小于0.1%，可忽略其對(duì)用水量的影響，具體配合比設(shè)計(jì)見表2，其中，NC表示天然骨料混凝土試件，RC表示再生骨料混凝土試件，RC50-0.12表示再生骨料替代率為50%，廢棄纖維體積摻量為0.12%的廢棄纖維再生混凝土試件。圖2為廢棄纖維再生混凝土的制備過程，攪拌設(shè)備為JW350強(qiáng)制式多功能攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速為60 r·min-1。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete Mixes

1.3 試件制作

本次試驗(yàn)共制作試件7組，每組進(jìn)行 2 個(gè)平行試驗(yàn)，合計(jì)14個(gè)半梁式試件，試件尺寸為150 mm×250 mm×360 mm，配筋及拔出試件如圖3所示。有效錨固長度la=160 mm(10d,d為鋼筋直徑)，加載端和自由端分別用長為100 mm的PVC塑料管套住，形成無黏結(jié)段，以降低對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

1.4 加載試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前，用鋼梁將試件固定于平整的地面上，防止試件在加載過程中發(fā)生扭動(dòng)，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)裝置見圖4。半梁式拉拔試驗(yàn)采用人工控制穿心千斤頂，單調(diào)均勻加載，參考規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)，單向加載，荷載P可由千斤頂表盤直接讀出，假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力在鋼筋錨固范圍內(nèi)均勻分布，具體按式(1)計(jì)算。

τ=P/(πdla)

(1)

式中：τ為混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)應(yīng)力。

2 破壞形式與試驗(yàn)現(xiàn)象

各組試件在加載后，均發(fā)生劈裂-拔出破壞：試驗(yàn)初期，試件表面尚未開裂，自由端無明顯滑移；隨著拉拔力的增加，試件表面出現(xiàn)微小裂縫并緩慢發(fā)展，相對(duì)滑移逐步增加；達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫迅速發(fā)展，貫穿整個(gè)試件，試件破壞。如圖5所示，NC和RC50-0.12組只出現(xiàn)1條明顯主裂縫，RC50-0.24組在加載端方向產(chǎn)生了部分微裂縫，其余未摻加廢棄纖維的再生混凝土試件在主裂縫周圍產(chǎn)生了不同程度的次生裂縫，裂縫的數(shù)量與再生骨料的替代率有關(guān)。

試驗(yàn)表明，再生骨料替代率的多少不會(huì)改變?cè)嚰钠茐姆绞?，但再生骨料的加入使混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下更容易出現(xiàn)變形、開裂等現(xiàn)象，進(jìn)而影響混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能。再生骨料替代率越大，試件的破壞程度就越大。

廢棄纖維的加入增強(qiáng)了再生混凝土的抗裂性能，抑制了裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，提升了再生混凝土和鋼筋之間的黏結(jié)力。然而，廢棄纖維的摻量也并非越多越好，摻量過大，在試件制作過程中纖維容易發(fā)生“結(jié)團(tuán)”、混合不均等現(xiàn)象，對(duì)混凝土試件的均質(zhì)性產(chǎn)生影響。因此，RC50-0.12組只出現(xiàn)1條主裂縫，而RC50-0.24組還產(chǎn)生有次生裂縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極限黏結(jié)應(yīng)力

為消除試驗(yàn)誤差造成的影響，若2組數(shù)據(jù)相差超過15%，則增加1組試件，該方法與文獻(xiàn)[20]～[22]一致。本研究中，黏結(jié)應(yīng)力差值均滿足要求，故均取2個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)值，各試件的極限黏結(jié)應(yīng)力如圖6所示。圖6(a)可以看出，隨著再生骨料替代率的增加，極限黏結(jié)應(yīng)力呈下降趨勢，再生骨料替代率達(dá)到75%時(shí)，變化速率開始顯著增加。相比NC組，RC100組的極限黏結(jié)應(yīng)力降低28.36%，這是由于天然骨料被再生骨料取代后，材料內(nèi)部的界面過渡區(qū)面積顯著增加，而該部分是混凝土材料性能最為薄弱的區(qū)域，在承受外荷載時(shí)，試件更容易被破壞，再生骨料替代率越多，影響越顯著，試件的破壞形態(tài)也能說明這一點(diǎn)。

圖6(b)反映了廢棄纖維摻量對(duì)極限黏結(jié)應(yīng)力的影響，NC為對(duì)照組，RC50-0.12，RC50-0.24組的極限黏結(jié)應(yīng)力較未摻加廢棄纖維的RC50組分別提升1.18%和下降7.93%，即少量的廢棄纖維可以使試件極限黏結(jié)應(yīng)力略有提升，但提升效果不明顯，而過量的廢棄纖維則會(huì)顯著降低試件的極限黏結(jié)應(yīng)力。當(dāng)荷載作用于混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，再生骨料替代率是影響混凝土結(jié)構(gòu)性能的主要因素，廢棄纖維主要用于改善再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化骨料與砂漿的結(jié)合，對(duì)因受力而產(chǎn)生的能量起到一定的耗散作用，減緩裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展。因此，相較于再生骨料替代率，廢棄纖維對(duì)試件極限黏結(jié)應(yīng)力的提升多是間接的，效果亦不明顯，而過量的廢棄纖維對(duì)試件的均質(zhì)性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，影響試件的結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)而降低試件的極限黏結(jié)應(yīng)力。

3.2 極限滑移量

圖7(a)為不同再生骨料替代率對(duì)應(yīng)的極限滑移量，除RC100組外，再生骨料的加入均顯著降低了試件的極限滑移量，其中，RC25，RC50，RC75組較NC組分別降低了40.00%，45.71%，54.29%，而RC100則提升了11.43%，因?yàn)樵偕橇献陨韽?qiáng)度較低，當(dāng)天然骨料完全被再生骨料替代后，試件內(nèi)部性能出現(xiàn)明顯差異，在試件加載過程中，肋間的混凝土更容易被壓碎，混凝土與鋼筋的摩阻力有所降低，滑移量增加。

圖7(b)為不同廢棄纖維摻量對(duì)極限滑移量的影響作用，NC為對(duì)照組，RC50-0.12，RC50-0.24的極限滑移量較RC50組分別提升105.26%，78.95%，RC50-0.12組極限滑移量高于天然骨料NC組。在相同應(yīng)力條件下，廢棄纖維的加入使再生混凝土試件在受力拔出階段可以更好地抵抗拉拔力，即廢棄纖維在試件的破壞過程中可以起到抗拉阻裂、能量消耗的作用。

3.3 黏結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-S)曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制各組試件的τ-S曲線，如圖8所示，其中，τs為初始滑移應(yīng)力，τu為極限黏結(jié)應(yīng)力，τr為殘余黏結(jié)應(yīng)力，Ss為微滑移量，Su為極限滑移量，Sr為殘余滑移量。天然混凝土、再生混凝土、廢棄纖維再生混凝土的τ-S曲線在變化趨勢上相似，符合王傳志等[23]提出的4階段模型，如圖 8(a)所示。再生混凝土的τ-S曲線低于天然混凝土，表明再生骨料的加入降低了混凝土的黏結(jié)性能，這與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)論一致。

對(duì)比不同再生骨料替代率的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線[圖 8(b)]可知：在微滑移階段，再生混凝土與天然混凝土的τ-S曲線幾乎重合，均呈線性變化，這是因?yàn)樵诩虞d初期，荷載很小，此時(shí)滑移作用尚未傳遞到自由端，黏結(jié)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供，混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)作用不受骨料類型的影響。在劈裂-滑移階段，再生混凝土替代率越高，進(jìn)入滑移階段越早，對(duì)應(yīng)的極限黏結(jié)應(yīng)力越小，相比天然混凝土，再生混凝土的彈性模量呈先增加后減小的趨勢，較NC組分別提升了60.22%，65.02%，72.57%，-35.71%，彈性模量越高，材料發(fā)生彈性變形相對(duì)越小，更容易發(fā)生脆性破壞，黏結(jié)性能越差，RC100組因全部采用再生骨料，在較小荷載的情況下，試件已經(jīng)產(chǎn)生了滑移，因此彈性模量有所下降。此階段的τ-S曲線為非線性增長，黏結(jié)力主要由摩阻力和機(jī)械咬合力共同提供。在下降和殘余階段，再生骨料替代率未超過50%時(shí)，曲線可見明顯的過渡區(qū)域，隨著再生骨料替代率的增加，過渡趨近模糊，這是由于再生骨料在制備過程中會(huì)產(chǎn)生大量的微小裂縫，在承受外部荷載時(shí)更容易發(fā)生破壞，因此再生骨料替代率過大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的殘余階段有所減少。

對(duì)比不同廢棄纖維摻量對(duì)黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響，如圖8(c)所示，RC50-0.12組曲線最高，甚至超出NC組，而RC50-0.24組最低，即RC50-0.12組黏結(jié)性能最好，RC50-0.24組最差，可見廢棄纖維的摻量對(duì)再生混凝土的黏結(jié)性能確有影響，隨著廢棄纖維摻量的增加，黏結(jié)應(yīng)力先提升后下降。在初始滑移階段，各曲線傾斜程度亦無顯著差別，呈線性變化，表明該階段的黏結(jié)作用不受纖維摻量的影響。在劈裂-滑移階段，廢棄纖維的加入，降低了再生混凝土的彈性模量，RC50-0.12，RC50-0.24組較NC組分別降低18.66%，15.10%，較RC50組降低50.71%，48.55%，彈性模量越低，承受荷載時(shí)，相對(duì)變形越大，越不容易發(fā)生脆性破壞。黏結(jié)應(yīng)力在達(dá)到極值后迅速降低，各曲線的下降段變化趨勢相差不大，RC50和RC50-0.24組曲線出現(xiàn)交叉，RC50，RC50-0.12，RC50-0.24組的殘余應(yīng)力依次為2.41，4.74，3.78 MPa，對(duì)應(yīng)各自極限應(yīng)力的19.13%，33.75%，35.76%，即廢棄纖維的加入提升了再生混凝土的殘余黏結(jié)應(yīng)力，廢棄纖維改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了水泥與鋼筋的接觸面積，增大了水泥與鋼筋的摩擦因數(shù)，進(jìn)而提升了黏結(jié)性能。

4 廢棄纖維再生混凝土黏結(jié)性能預(yù)測

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到再生骨料替代率ω與極限黏結(jié)應(yīng)力τu,r的關(guān)系曲線，計(jì)算公式為

τu,r=14.278 6-0.024 3ω-1.771 4×10-4ω2

(2)

(3)

考慮再生骨料替代率ω時(shí)，廢棄纖維體積摻量α的混凝土極限黏結(jié)應(yīng)力τu的計(jì)算公式為

τu=(14.278 6-0.024 3ω-1.771 4×10-4ω2)·

(1+0.005 3α-3.573 1×10-4α2)

(4)

將極限黏結(jié)力擬合預(yù)測值與文獻(xiàn)[24]～[26]中不同再生骨料替代率、纖維體積摻量下的極限黏結(jié)力進(jìn)行對(duì)比，圖9為再生混凝土的極限黏結(jié)應(yīng)力(未考慮纖維對(duì)黏結(jié)應(yīng)力作用)?？梢钥闯?，楊海峰等[24]試驗(yàn)得到的再生混凝土帶肋鋼筋極限黏結(jié)應(yīng)力與由公式(4)擬合得到的預(yù)測值十分接近(試驗(yàn)值分別為13.00，12.31，11.61 MPa，預(yù)測值分別為14.28，12.62，10.08 MPa)。受到鋼筋類型影響，光圓鋼筋極限黏結(jié)應(yīng)力較小，公式(4)是基于帶肋鋼筋建立，不適用于該種類型的鋼筋。圖10為纖維混凝土極限黏結(jié)應(yīng)力對(duì)比，按照文獻(xiàn)[26]考慮鋼纖維對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的影響，徐禮華等[25]采用不同比例的鋼-聚丙烯混雜纖維，因此極限黏結(jié)應(yīng)力相對(duì)較高，陜亮等[26]采用固定比例的鋼-聚丙烯混雜纖維，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相差不大。這些試驗(yàn)的強(qiáng)度等級(jí)為C50，由于本試驗(yàn)(強(qiáng)度等級(jí)C40)未考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的影響，因此預(yù)測值較C50低，擬合結(jié)果具有一定的參考性。雖然公式(4)是針對(duì)廢棄纖維再生混凝土建立的，但對(duì)于再生混凝土、纖維混凝土黏結(jié)應(yīng)力的預(yù)測同樣具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié) 語

(1)再生混凝土相較于天然混凝土在拔出試驗(yàn)過程中，并未改變?cè)嚰械钠茐姆绞?，隨著再生骨料替代率的增加，再生混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能有所下降，其中RC100極限黏結(jié)應(yīng)力較NC下降了28.36%。

(2)廢棄纖維的加入可以改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，延緩裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，在相同荷載水平下，RC50-0.12的極限滑移量較RC50提升了105.26%。

(3)試驗(yàn)證明，廢棄纖維的確有助于提升再生混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能，本文得到的廢棄纖維最優(yōu)體積摻量為0.12%，在實(shí)際使用時(shí)，可能還需要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，建議控制在0.12%～0.24%。

(4)對(duì)半梁式拔出試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，回歸得到廢棄纖維再生混凝土的極限黏結(jié)應(yīng)力預(yù)測公式，并加以驗(yàn)證，證明了該公式的合理性，為廢棄纖維再生混凝土黏結(jié)性能的深入研究奠定基礎(chǔ)。