鋼纖維再生混凝土軸壓強(qiáng)度與損傷分析

吉云鵬 陳宇良 覃貝錄

摘 要：為研究鋼纖維再生混凝土單軸受壓狀態(tài)下的強(qiáng)度、耗能及損傷演化機(jī)理，以再生骨料取代率（γ）及鋼纖維體積摻量（V）為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)24個(gè)鋼纖維再生混凝土試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)。通過分析鋼纖維摻量及再生骨料取代率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響，揭示了鋼纖維再生混凝土的損傷演化機(jī)理。結(jié)果表明：隨著鋼纖維摻量增大，破壞形態(tài)由豎向劈裂破壞轉(zhuǎn)化為斜向劈裂破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段逐漸平緩，殘余強(qiáng)度與耗能逐漸提高;隨著取代率增大，混凝土強(qiáng)度先增大后減小;當(dāng)取代率為50%時(shí)，SFRAC的強(qiáng)度與耗能均達(dá)到峰值，損傷發(fā)展速率最慢;鋼纖維可有效延緩再生混凝土的損傷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋼纖維再生混凝土;強(qiáng)度;能量耗散;損傷變量

中圖分類號(hào)：TU528.58? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.004

0? ? 引言

再生混凝土（recycled aggregate concrete，RAC）作為一種綠色環(huán)保的建筑材料，具有良好的應(yīng)用前景，長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其展開了廣泛的研究[1-4]。由于再生骨料在破碎時(shí)，不可避免地?cái)y帶有微裂縫與老砂漿，與普通混凝土相比，再生混凝土力學(xué)性能略有降低[5-7]。而在混凝土中摻入鋼纖維，可以在一定程度上改善混凝土的力學(xué)性能[8-10]，因此，研究鋼纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的改善作用有利于再生混凝土的應(yīng)用和推廣。

目前，已有許多學(xué)者就鋼纖維再生混凝土的力學(xué)性能展開了相關(guān)研究。高丹盈等[11]研究了水膠比、再生骨料取代率和鋼纖維摻量對(duì)再生混凝土軸壓性能的影響，建立了鋼纖維再生混凝土的軸壓本構(gòu)模型。周聰?shù)萚12]對(duì)鋼纖維再生混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行了研究，并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了該類混凝土落錘沖擊作用下的三維有限元分析模型。蘇捷等[13]研究了取代率和鋼纖維摻量對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的影響，提出了鋼纖維再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)計(jì)算公式。羅素蓉等[14]通過研究鋼纖維、鋼-聚乙烯醇混雜纖維對(duì)高強(qiáng)再生骨料混凝土斷裂性能的影響，給出了鋼-聚乙烯醇纖維的最佳混雜摻量。張麗娟等[15]通過雙面剪切試驗(yàn)，對(duì)鋼纖維再生混凝土的抗剪性能展開了研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究多集中于鋼纖維再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，而關(guān)于鋼纖維再生混凝土能量耗散的相關(guān)研究尚少，且未能揭示鋼纖維再生混凝土的損傷演化規(guī)律及損傷機(jī)理。 能量耗散與損傷機(jī)理作為衡量混凝土結(jié)構(gòu)可靠性及分析結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)制的材性基礎(chǔ)，對(duì)其開展研究對(duì)鋼纖維再生混凝土的推廣和應(yīng)用具有重要意義。因此，本文擬開展鋼纖維再生混凝土的單軸受壓試驗(yàn)，分析鋼纖維摻量及取代率對(duì)鋼纖維再生混凝土強(qiáng)度和能量耗散的影響，揭示鋼纖維再生混凝土的損傷演化機(jī)理，以期為該類混凝土的工程應(yīng)用提供借鑒。

1? ? 試驗(yàn)概況

1.1? ?試驗(yàn)材料

外摻纖維為波紋型鋼纖維（SF），其基本物理指標(biāo)如表1所示;再生粗骨料由廢棄混凝土梁破碎后制得，天然骨料為普通碎石，2種骨料級(jí)配連續(xù)，物理性質(zhì)詳見表2;細(xì)骨料為普通河砂;水泥為P?O42.5普通硅酸鹽水泥;拌合水為自來水。

1.2? ?試件設(shè)計(jì)與制作

1.2.1? ?配合比設(shè)計(jì)

普通混凝土目標(biāo)強(qiáng)度為C35，其配合比如表3所示。設(shè)計(jì)再生混凝土配合比時(shí)，其膠凝材料、細(xì)骨料與普通混凝土的用量一致，再生骨料根據(jù)取代率大小等質(zhì)量替代天然骨料，考慮到再生骨料吸水率高的特性，根據(jù)再生骨料與普通碎石之間吸水率及含水率的差異適量添加附加用水。

1.2.2? ?試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)選取0、30%、50%、70%、100%等5種再生骨料取代率[in（n=1， 2， …， 5）]和0、0.5%、1.0%、1.5%等4種鋼纖維體積摻量[jm（m=1， 2， 3， 4）]，制作了8組圓柱體試件，其直徑[d] =100 mm，高度? ?[h]=200 mm。試件每組3個(gè)，合計(jì)24個(gè)。試件編號(hào)采用SF-in-jm表示，例如：SF-i5-j3表示取代率為100%、鋼纖維摻量為1.0%的試件。

使用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，為檢測(cè)鋼纖維的分散效果，在混凝土澆筑后，分散抽取3個(gè)鋼纖維體積摻量理論值為1.0%的試件，在混凝土初凝之前于試模中取出混凝土并盛于篩網(wǎng)中，用流動(dòng)清水沖洗掉水泥，挑出鋼纖維，再次清洗并風(fēng)干稱重，所得鋼纖維的體積摻量如表4所示。

1.3? ?單軸受壓試驗(yàn)

試件加載前先用水泥凈漿對(duì)試件進(jìn)行抹平，抹平厚度約為2 mm，待水泥凈漿結(jié)硬后，用水平尺檢測(cè)試件是否平整。試件在中科院武漢巖土力學(xué)研究所自主研發(fā)的RMT-301試驗(yàn)機(jī)（圖1）上完成加載。正式加載前為減小抹平層與加載面之間的孔隙對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)壓，即力控加載至峰值荷載的20%左右后卸載，重復(fù)3次。試件正式加載時(shí)，為避免鋼纖維再生混凝土（steel fiber recycled aggregate concrete，SFRAC）試件在受壓破壞時(shí)急劇變形，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段不完整，所以加載速率采用0.02 mm/s的位控加載，待試件破壞后停止試驗(yàn)。

2? ?試驗(yàn)結(jié)果

2.1? ?破壞形態(tài)

圖2（a）—圖2（e）依次列出了5種再生骨料取代率試件的破壞形態(tài)。如圖所示，再生骨料取代率對(duì)試件的破壞形態(tài)影響較小，在鋼纖維的影響下，5種取代率對(duì)應(yīng)試件的破壞形態(tài)均為斜向劈裂破壞。圖2（e）—圖2（h）列出了4種鋼纖維摻量對(duì)應(yīng)試件的破壞形態(tài)，由圖可知，隨著鋼纖維摻量增大，破壞形態(tài)由豎向劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蚺哑茐?。鋼纖維摻量對(duì)破壞形態(tài)的影響主要體現(xiàn)在裂縫發(fā)展方向、主裂縫寬度和試件加載結(jié)束后的完整性等方面。具體表現(xiàn)為：當(dāng)鋼纖維摻量為0時(shí)，試件處于單軸受壓狀態(tài)，由于試件在水平方向上僅上下接觸面受到摩擦約束力，所以破壞裂縫豎向發(fā)展并貫通試件，導(dǎo)致試件發(fā)生豎向劈裂破壞。在加載過程中，混凝土表層剝落嚴(yán)重，加載結(jié)束后，試件通常分裂為多個(gè)碎塊。當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%時(shí)，鋼纖維在試件內(nèi)部相互搭接形成纖維骨架，當(dāng)試件承壓時(shí)，纖維骨架可以對(duì)試件內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生橫向約束力，導(dǎo)致試件內(nèi)部的水平應(yīng)力發(fā)生傾斜，所以試件的破壞主裂縫開始略微傾斜。此時(shí)，試件在加載過程中表觀混凝土的剝落面積減小，在加載結(jié)束后保持裂而不碎的狀態(tài)。當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%～1.5%時(shí)，由于纖維骨架的約束力得到加強(qiáng)，所以破壞主裂縫的傾斜角度進(jìn)一步增大，并最終保持在20°～30°，導(dǎo)致試件發(fā)生斜向劈裂破壞。此外，隨著鋼纖維摻量增大，破壞主裂縫的寬度略微減小，且主裂縫周圍的微裂縫開始增多，表明增大鋼纖維摻量后，其對(duì)試件破壞主裂縫的限制效果得到增強(qiáng)。

2.2? ?應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3（a）為相同鋼纖維摻量、不同取代率下的應(yīng)力（[σ]）-應(yīng)變（[ε]）曲線對(duì)比。各取代率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段基本重合，下降段因取代率不同存在較大差異，表現(xiàn)為0取代率對(duì)應(yīng)曲線的下降段與其他取代率相比更為緩和。這是因?yàn)樵诜逯岛奢d前，試件的軸向變形及其內(nèi)部的損傷積累較少，所以取代率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較小;在峰值荷載之后，試件內(nèi)部裂縫在加速發(fā)展時(shí)更容易穿過強(qiáng)度偏低的再生骨料，所以摻有再生骨料的試件，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段更為陡峭。

圖3（b）為相同取代率、不同鋼纖維摻量試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比。纖維摻量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段影響較小，鋼纖維摻量增大后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段逐漸平緩，殘余強(qiáng)度逐漸提高。這是因?yàn)樵趹?yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)之前，試件內(nèi)部的裂縫數(shù)量較少且裂縫寬度較小，導(dǎo)致鋼纖維未能充分發(fā)揮阻裂作用，所以該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線受鋼纖維摻量的影響較小。而在峰值點(diǎn)之后，隨著試件的軸向變形加大，試件內(nèi)部裂縫逐漸增多，且裂縫寬度加大，當(dāng)裂縫經(jīng)過鋼纖維時(shí)，鋼纖維會(huì)拉結(jié)裂縫兩側(cè)的混凝土，延緩混凝土強(qiáng)度的衰減速度，所以纖維摻量增大后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段逐漸平緩。

3? ? 影響因素與分析

3.1? ?強(qiáng)度分析

3.1.1? ?取代率對(duì)強(qiáng)度的影響

圖4為強(qiáng)度（峰值應(yīng)力[σv]）與再生骨料取代率（[γ]）的關(guān)系。SFRAC的強(qiáng)度隨取代率增大先增大后減小，并在取代率為50%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)較取代率為0時(shí)提高了約11.0%。這是由于再生骨料在破碎后不可避免地?cái)y帶有微裂縫與老砂漿，導(dǎo)致再生骨料內(nèi)部及其周圍容易形成薄弱區(qū)，對(duì)試件的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。但再生骨料自身的一些特性也會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響，主要原因有兩個(gè)方面：①由于再生骨料具有高吸水率的特性，其在混凝土澆筑后含有更多的水分，在水泥凝結(jié)硬化的過程中，再生骨料內(nèi)部的水分可以反哺于骨料周圍的水泥基，增強(qiáng)骨料周圍水泥砂漿的強(qiáng)度;②再生骨料在破碎的過程中會(huì)產(chǎn)生較多棱角，導(dǎo)致其與水泥砂漿之間更容易咬合。當(dāng)取代率為0～50%時(shí)，再生骨料的正面影響大于負(fù)面影響，再生混凝土的強(qiáng)度逐漸升高;當(dāng)取代率大于50%后，再生骨料的? ? 負(fù)面影響開始占據(jù)主導(dǎo)，再生混凝土的強(qiáng)度逐漸? 降低。

3.1.2? ?鋼纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖5為不同鋼纖維摻量下SFRAC的強(qiáng)度（峰值應(yīng)力[σv]）對(duì)比。當(dāng)鋼纖維摻量為0、0.5%和1.5%時(shí)，SFRAC的強(qiáng)度略有波動(dòng)，但整體變化較小。這是因?yàn)殇摾w維在試件內(nèi)部主要發(fā)揮阻裂增韌的作用。如2.2所述，增大鋼纖維摻量可以使應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段更為平緩，但對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段影響較小，而峰值點(diǎn)作為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段與下降段的分界點(diǎn)，鋼纖維摻量對(duì)其影響較小。當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，SFRAC的強(qiáng)度出現(xiàn)了較大幅度的降低，是因?yàn)樵撆嚰跐仓r(shí)鋼纖維分散不均勻，導(dǎo)致鋼纖維在試件內(nèi)部結(jié)團(tuán)并形成薄弱區(qū)，造成試件的強(qiáng)度降低。

3.2? ?能量耗散

選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線的積分面積作為試件破壞時(shí)（試件應(yīng)力降至峰值應(yīng)力的85%）的耗能（[Q]），其計(jì)算公式如下：

[Q=0εuσdε]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[εu]表示承載力降至0.85倍峰值應(yīng)力時(shí)試件的縱向應(yīng)變，[σ]表示試件的應(yīng)力，[ε]表示試件的應(yīng)變。

3.2.1? ?取代率對(duì)耗能的影響

圖6為取代率與耗能之間的關(guān)系。當(dāng)取代率（[γ]）由0增至70%時(shí)，耗能（[Q]）隨取代率的變化趨勢(shì)與峰值應(yīng)力隨取代率的變化趨勢(shì)較為相似;在取代率為50%時(shí)，耗能達(dá)到峰值，并較0取代率時(shí)提高了約17.9%。其主要原因?yàn)榉逯祽?yīng)力是決定耗能大小的關(guān)鍵因素之一。峰值應(yīng)力越大，試件在破壞時(shí)需要消耗的能量越多;此外，當(dāng)取代率由70%增至100%時(shí)，試件的耗能出現(xiàn)回升現(xiàn)象，則是因?yàn)?00%取代率對(duì)應(yīng)試件的變形較大，導(dǎo)致其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的積分面積增大。

3.2.2? ?鋼纖維摻量對(duì)耗能的影響

圖7為鋼纖維摻量與破壞耗能的關(guān)系。隨鋼纖維摻量增大，SFRAC的破壞耗能近乎呈線性增長(zhǎng)?；炷料哪芰康闹饕緩綖榛炷粮鹘M分的變形及混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，所以鋼纖維摻量增大后耗能增長(zhǎng)，一方面是由于鋼纖維在試件內(nèi)部形成的纖維骨架約束了混凝土的橫向變形，導(dǎo)致混凝土因彈性和塑性變形而消耗的能量增加;另一方面，當(dāng)鋼纖維在限制混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展時(shí)，鋼纖維的拉伸和拔出會(huì)消耗能量，導(dǎo)致試件的耗能增加。

3.3? ?損傷曲線

為描述SFRAC試件的損傷演化過程，用損傷變量[D]表示試件的受損程度，[D]值介于0～1，[D] =0時(shí)表示試件處于無損傷狀態(tài);[D] =1時(shí)表示試件完全損壞。

[D=1-E?E]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[E?]表示試件的割線模量，[E]表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段0.4倍峰值應(yīng)力處的割線模量。

3.3.1? ?損傷全過程分析

圖8為部分SFRAC試件的損傷全過程曲線。試件的損傷演化過程如下：加載初期，當(dāng)應(yīng)變區(qū)間為0～3.5×10-3時(shí)，試件尚處于彈性階段，損傷變量D基本為0;當(dāng)應(yīng)變達(dá)到3.5×10-3～5.0×10-3附近時(shí)，試件內(nèi)部的微裂縫逐漸發(fā)展，損傷變量開始緩慢增大，此時(shí)，試件表面出現(xiàn)少量微裂縫，試件開始進(jìn)入彈塑性階段;當(dāng)縱向應(yīng)變大于5.0×10-3后，損傷變量開始加速發(fā)展，損傷變量隨縱向應(yīng)變的增大近乎線性增長(zhǎng)，此時(shí)試件內(nèi)部的微裂縫逐漸發(fā)展并相互連通，試件表面的微裂縫演化為宏觀裂縫;當(dāng)縱向應(yīng)變達(dá)到7.0×10-3左右時(shí)，多數(shù)試件的損傷度處于0.5～0.7，此時(shí)，試件基本被裂縫貫穿，承載力大幅降低。此后，由于試件內(nèi)部積累的大量裂縫可為試件的軸向變形提供更多的變形空間，所以損傷變量隨著縱向應(yīng)變的增大，增速逐漸變緩。

3.3.2? ?損傷因素分析

SFRAC試件損傷發(fā)展如圖8所示，圖8（a）為相同鋼纖維摻量、不同取代率下SFRAC試件的損傷發(fā)展曲線對(duì)比圖。當(dāng)再生骨料取代率由0增至50%時(shí)，SFRAC的損傷發(fā)展速率逐漸變緩（損傷發(fā)展曲線向后偏移）;當(dāng)再生骨料取代率由50%增至100%時(shí)，SFRAC的損傷發(fā)展速率又開始逐漸加快（損傷發(fā)展曲線向前偏移）。表明當(dāng)再生骨料取代率為50%時(shí)，SFRAC的損傷發(fā)展速率最緩慢。結(jié)合3.1.1及3.2.1可知，當(dāng)再生骨料取代率為50%時(shí)，SFRAC的強(qiáng)度與耗能均達(dá)到峰值，說明該取代率下再生骨料高吸水率及表面粗糙等特性對(duì)混凝土產(chǎn)生的積極影響最為顯著，所以此時(shí)SFRAC的損傷發(fā)展速率也最為緩慢。

圖8（b）為相同取代率、不同鋼纖維摻量下SFRAC試件的損傷曲線對(duì)比圖。隨鋼纖維摻量迅速增大，損傷開始發(fā)展，應(yīng)變迅速增大，損傷曲線向后偏移。這是由于試件內(nèi)部裂縫迅速發(fā)展（損傷變量迅速增大）時(shí)，鋼纖維對(duì)裂縫兩側(cè)的混凝土產(chǎn)生了橋接作用，導(dǎo)致鋼纖維在拉伸及拔出的過程中，裂縫處混凝土的強(qiáng)度提高，進(jìn)而延緩了SFRAC的損傷發(fā)展。

4? ? ?結(jié)論

1）隨著鋼纖維摻量的增大，鋼纖維再生混凝土的破壞形態(tài)由豎向劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蚺哑茐摹?/p>

2）鋼纖維摻量對(duì)SFRAC的強(qiáng)度影響較小;鋼纖維摻量增大后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段逐漸平緩，殘余強(qiáng)度與能量耗散逐漸增大。

3）取代率增大后，SFRAC的強(qiáng)度先增后降;峰值應(yīng)力及耗能均在取代率為50%時(shí)達(dá)到峰值，并較0取代率時(shí)分別提高了11.0%和17.9%。

4）鋼纖維可有效延緩SFRAC的損傷發(fā)展，且鋼纖維摻量越大，SFRAC的損傷發(fā)展越緩慢;當(dāng)取代率為50%時(shí)，SFRAC的損傷發(fā)展最緩慢。

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Axial compressive strength and damage analysis of steel

fiber recycled concrete

JI Yunpeng， CHEN Yuliang*， QIN Beilu

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： 24 cylinder specimens are tested by considering the replacement rate of recycled coarse? ? ? ?aggregate and the steel fiber content to test the mechanical properties and damage development of steel fiber recycled aggregate concrete under uniaxial compression. The damage evolution mechanism was revealed by analyzing the effects of recycled aggregate replacement rate and the steel fiber content on the recycled concrete strength. The results show that with the increase of steel fiber content， the failure pattern changes from vertical split failure to oblique split failure; the descending section of the? ? ? ?stress-strain curve gradually flattens; and the residual strength and energy consumption? ?increase? ?gradually. With the increase of replacement rate， the strength of concrete firstly increases and then? ? ? decreases. When the replacement rate of recycled coarse aggregate is 50%， both the strength and energy consumption of SFRAC reach the peak value， and the damage development rate is the slowest. Steel? ? ?fiber can restrain the damage development of recycled aggregate concrete.

Key words： steel fiber recycled aggregate concrete; strength; energy consumption; damage variable

（責(zé)任編輯：羅小芬）