層布式混雜纖維再生高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能研究

金賢澤，裴長(zhǎng)春

(延邊大學(xué)工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

為了降低建筑垃圾對(duì)環(huán)境的污染以及資源的循環(huán)利用，近年來(lái)將廢棄混凝土加工成再生骨料應(yīng)用于再生混凝土制備中。但再生骨料本身自帶缺陷，加入再生骨料的混凝土的強(qiáng)度、延性以及抗拉、抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值均低于普通混凝土[1]。為提高再生混凝土的力學(xué)性能，劉小根等[2]研究表明，層布式鋼纖維混凝土可提高混凝土的劈裂、抗折強(qiáng)度和彎曲韌性,對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大；章文姣等[3]研究表明，在再生混凝土中摻入鋼纖維后,其各項(xiàng)力學(xué)性能都有所提高并且加入纖維后,再生混凝土由脆性破壞變成塑性破壞。本文通過(guò)改變?nèi)霾祭w維層數(shù)，研究分析了不同撒布纖維層數(shù)對(duì)層布式混雜纖維再生高強(qiáng)混凝土的基本力學(xué)性能和試塊破壞形態(tài)的影響，為層布式混雜纖維再生高強(qiáng)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)[4]。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)以15%(總膠凝體中所占質(zhì)量百分比)的粉煤灰替代部分水泥，以30%(總膠凝體中所占質(zhì)量百分比)再生粗骨料代替天然粗骨料配制再生高強(qiáng)混凝土基準(zhǔn)組(JC組)(見(jiàn)表1)。并對(duì)基準(zhǔn)組混凝土改變混雜纖維撒布層數(shù)4個(gè)水準(zhǔn)(見(jiàn)圖1)，共設(shè)計(jì)5組再生高強(qiáng)混凝土進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)采用的混凝土水膠比均為0.3，砂率均為0.48，減水劑摻率均為1.0%。并在28 d齡期測(cè)試層布式混雜纖維再生高強(qiáng)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量、拉壓比與彈強(qiáng)比等基本力學(xué)性能以及試塊破壞形態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及再生混凝土配合比見(jiàn)表2。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表2 再生混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2，圖3為不同混雜纖維層數(shù)高強(qiáng)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗壓強(qiáng)度。由圖2可以看出，再生高強(qiáng)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨混雜纖維撒布層數(shù)的增加而增加，C4組較基準(zhǔn)組(JC組)提高了9.89%。這是因?yàn)槔w維可以減小再生高強(qiáng)混凝土基體中微細(xì)裂縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并可在混凝土受荷過(guò)程中吸收大量能量，從而能夠抑制裂縫的擴(kuò)展，提高再生混凝土抗壓強(qiáng)度[5]。由圖3可以看出：C1組和C2組的棱柱體抗壓強(qiáng)度均比JC組降低了0.14%；而C3組和C4組的棱柱體抗壓強(qiáng)度均高于JC組，分別提高了3.1%和6.35%。這是因?yàn)楫?dāng)混雜纖維撒布層數(shù)較小時(shí)(1層～2層)，纖維摻入再生高強(qiáng)混凝土基體中的量較少，導(dǎo)致其增強(qiáng)再生高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度的作用并不明顯，且摻入混雜纖維會(huì)使混凝土基體內(nèi)部的孔隙率增加，因此降低了C1組和C2組的抗壓強(qiáng)度[6]。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4為不同混雜纖維層數(shù)高強(qiáng)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。由圖4可知，在試塊中摻入纖維能夠提高再生高強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，其中纖維層數(shù)為2層時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度提高得最大。C2組較JC組提高了13.15%。這是因?yàn)槔w維在再生高強(qiáng)混凝土基體中可以充當(dāng)微細(xì)鋼筋，并把基體內(nèi)的裂縫和孔隙連接起來(lái)，一定程度地能夠推遲初始混凝土裂縫的出現(xiàn)時(shí)間和限制裂縫的擴(kuò)展，從而可以提高劈裂抗拉強(qiáng)度[7]。

2.3 彈性模量

圖5為不同混雜纖維層數(shù)高強(qiáng)再生混凝土的彈性模量。由圖5可知，隨著纖維層數(shù)從1層增加到4層時(shí)，再生高強(qiáng)混凝土的彈性模量先呈現(xiàn)下降后提高的趨勢(shì)。其中C1組和C2組的混凝土彈性模量均低于JC組，分別下降了2.35%和1.68%。而C3組和C4組的混凝土彈性模量均高于JC組，分別提高了4.12%和9.41%，該結(jié)果與本文中的棱柱體抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果相符。

2.4 拉壓比

拉壓比(劈裂抗拉與立方體抗壓強(qiáng)度之比)是衡量混凝土脆性的指標(biāo)之一，且拉壓比越大表示混凝土脆性越低。由圖6可知，撒布纖維層數(shù)后，再生高強(qiáng)混凝土的拉壓比表現(xiàn)出先提高后下降的趨勢(shì)，但均高于JC組。其中C2組的拉壓比提高得最大，較JC組提高了10.61%。

這表明撒布纖維的再生高強(qiáng)混凝土與基準(zhǔn)組再生高強(qiáng)混凝土相比，其脆性降低、延性增加。

2.5 彈強(qiáng)比

彈強(qiáng)比(彈性模量與棱柱體抗壓強(qiáng)度之比)是衡量混凝土抗裂性的指標(biāo)之一，彈強(qiáng)比越小，表明混凝土抗裂性越好。由圖7可知，再生高強(qiáng)混凝土的彈強(qiáng)比隨著撒布混雜纖維層數(shù)的增加呈現(xiàn)出先下降后提高的趨勢(shì)。其中C1組和C2組分別比JC組下降2.41%和1.53%，而C3組和C4組比JC組分別提高了0.87%和2.82%。其原因可能是撒布混雜纖維層數(shù)較大(3層～4層)時(shí),再生高強(qiáng)混凝土基體內(nèi)部孔隙率有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致再生高強(qiáng)混凝土的抗裂性能較差。

2.6 試件破壞形態(tài)

圖8，圖9為不同混雜纖維層數(shù)的高強(qiáng)再生混凝土的立方體抗壓破壞形態(tài)、棱柱體抗壓破壞形態(tài)圖。JC組高強(qiáng)再生混凝土試塊在抗壓試驗(yàn)中呈現(xiàn)的是突然爆裂破壞(爆裂聲較大)，且破壞時(shí)無(wú)明顯征兆，如圖8(a)和圖9(a)所示。撒布混雜纖維層的再生高強(qiáng)混凝土試塊在破壞時(shí)其的爆裂破壞聲小于JC組，且混凝土試塊僅出現(xiàn)輕微外崩和剝落，如圖8(b)～圖8(e)，圖9(b)～圖9(e)所示。其原因是纖維增強(qiáng)層在試塊受壓時(shí)能夠一定程度地限制其內(nèi)部裂縫的增長(zhǎng)和擴(kuò)展，延緩試塊受破壞的時(shí)間，且當(dāng)試塊的承載力到達(dá)極限荷載后，結(jié)構(gòu)仍具有一定的承載能力，因此比JC組表現(xiàn)出更好的塑性[8]。

圖10為不同混雜纖維層數(shù)的高強(qiáng)再生混凝土的劈裂抗拉破壞形態(tài)圖。由圖10(a)可以看出，普通再生高強(qiáng)混凝土試塊受到破壞時(shí)，呈脆性破壞(其沿著劈裂面分為兩部分)。由圖10(b)～圖10(e)可以看出，撒布混雜纖維層后的混凝土試塊受到破壞時(shí)，破壞程度較小，僅沿著劈裂面產(chǎn)生1條裂縫，且隨著撒布混雜纖維層數(shù)的增加，其裂縫長(zhǎng)度和寬度均逐漸變小，即破壞具有一定的塑性。

3 結(jié)論

為了提高再生混凝土的力學(xué)性能，本文改變不同混雜纖維撒布層數(shù)，實(shí)驗(yàn)分析再生高強(qiáng)混凝土的基本力學(xué)性能，其研究結(jié)果如下：1)隨著混雜纖維撒布層數(shù)的增加，高強(qiáng)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均高于JC組，其中C4組強(qiáng)度提高得最大。而棱柱體抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)出先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中C4組強(qiáng)度提高得最大。2)隨著不同混雜纖維撒布層數(shù)的變化，當(dāng)混雜纖維撒布層數(shù)為1層～2層時(shí)能有效改善高強(qiáng)再生混凝土的脆性，但層數(shù)超過(guò)2層時(shí)其抗裂性能會(huì)有所下降。