回收鋼纖維對(duì)超高性能混凝土和易性和力學(xué)性能的影響

南雪麗，陳 浩，姬建瑞，王 毅，陳廣釗，李 梅，唐維斌

(1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050； 2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050； 3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司 高性能材料研究所，蘭州 730000)

1 研究背景

超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱“UHPC”)是一種新型水泥基復(fù)合材料。UHPC具有超高強(qiáng)度、高韌性及優(yōu)異耐久性等特點(diǎn)，抗壓強(qiáng)度一般在120 MPa以上，是傳統(tǒng)普通混凝土的3倍以上[1-2]，但其基體脆性極大，易在較低應(yīng)變水平下發(fā)生破裂[3]。摻入工業(yè)鋼纖維是克服此問題的最有效途徑，已在工程混凝土生產(chǎn)中被廣泛采用，但工業(yè)鋼纖維在生產(chǎn)過程中消耗大量自然資源,并且由于CO2排放而嚴(yán)重影響自然環(huán)境，研究人員為尋求一種可持續(xù)和有效的替代高價(jià)工業(yè)鋼纖維的方法已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作[4]。近15 a以來，在廢舊輪胎中提取的回收鋼纖維(Recycled Steel Fiber，簡(jiǎn)稱“RSF”)被發(fā)現(xiàn)是工業(yè)鋼纖維(Industrial Steel Fiber，簡(jiǎn)稱“SF”)的最佳替代品，具有有限的環(huán)境影響和較低的回收成本[5]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SF對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響進(jìn)行了大量研究。Abbas等[6]采用不同鋼纖維摻量及長(zhǎng)度，研究其對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明隨著纖維摻量的增大，抗壓強(qiáng)度略有增大，但鋼纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度和耐久性無明顯影響。Yang等[7]采用5種類型鋼纖維摻入U(xiǎn)HPC中研究其對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明相比于SF，RSF的摻入對(duì)抗壓強(qiáng)度的損失較少，損失率僅為2.5%。這些研究工作表明SF的摻入可以改善UHPC的力學(xué)性能，有關(guān)RSF對(duì)UHPC和易性和力學(xué)性能的影響研究以及2種鋼纖維之間的比較研究較少。本文通過在UHPC中摻入SF和RSF分別制備出SFUHPC和RSFUHPC，采用流動(dòng)度、流變參數(shù)、新拌及硬化后的纖維分布、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能指標(biāo)，研究2種不同類型鋼纖維對(duì)UHPC和易性和力學(xué)性能的影響，分析RSF替代SF的可行性，為進(jìn)一步推廣RSF在UHPC中的應(yīng)用及UHPC的配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

本研究中水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料為1級(jí)粉煤灰和硅灰。主要化學(xué)成分如表1所示。選取長(zhǎng)徑比為50～70的直鉤形回收鋼纖維進(jìn)行試驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)及化學(xué)成分分別如表2、表3所示。原材料的微觀形貌如圖1所示。減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為30%。所用砂為石英砂，控制20～40目、40～70目和70～120目質(zhì)量比為1∶1.04∶0.85。SF和RSF實(shí)物如圖2所示。SF(圖2(a))采用工業(yè)鍍銅鋼纖維，RSF(圖2(b))采用廢舊輪胎經(jīng)過回收加工廠機(jī)械破碎及電磁篩分后的廢舊鋼纖維。

圖1 原材料SEM圖像

圖2 兩種鋼纖維圖片及SEM圖像

表1 原材料的主要化學(xué)成分

表2 鋼纖維性能參數(shù)

表3 鋼纖維化學(xué)成分

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用可壓縮堆積模型(CPM)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)計(jì)算。UHPC含有較多組分的超細(xì)顆粒，CPM模型是建立粉體超細(xì)顆粒的最緊密堆積模型，共有3種交互模式，無交互和完全交互是兩種極限的交互，無交互是某級(jí)顆粒間的堆積過程不受其他粒徑存在的影響，完全交互是指不同級(jí)顆粒間完全交互[8]。實(shí)際堆積過程是大顆粒與小顆粒部分交互影響，小顆粒嵌入到大顆粒中的過程，小顆粒會(huì)影響大顆粒本身的堆積，產(chǎn)生“松動(dòng)效應(yīng)”，此時(shí)大顆粒占主導(dǎo)位置；當(dāng)小顆粒占主導(dǎo)位置時(shí)，大顆粒會(huì)影響到小顆粒堆積，產(chǎn)生“壁面效應(yīng)”[9]。為把實(shí)際情況轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨系?種極限情況以便于計(jì)算，根據(jù)三元混合料堆積過程推導(dǎo)出松開效應(yīng)系數(shù)和壁效應(yīng)系數(shù)。然后經(jīng)過引入反應(yīng)不同粒徑顆粒占主導(dǎo)地位時(shí)壓實(shí)程度的壓實(shí)指數(shù)K，經(jīng)推導(dǎo)得到K與密實(shí)度的表達(dá)式(1)，最后代入各個(gè)原料的占比求解方程即可得到UHPC的實(shí)際堆積密實(shí)度[8]

(1)

式中：K為壓實(shí)指數(shù)；Φ為混合料體系實(shí)際堆積密實(shí)度；γi為混合料體系中第i粒級(jí)顆粒的虛擬堆積密實(shí)度；βi為混合料體系中第i粒級(jí)顆粒剩余堆積密實(shí)度。利用顆粒堆積模型可以提高UHPC中超細(xì)顆粒的堆積密實(shí)度，進(jìn)而提高UHPC顆粒結(jié)構(gòu)致密性，減少混凝土顆粒堆積空隙體積[10]。

2.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)CPM模型計(jì)算得出各試驗(yàn)組配合比如表4所示。制備時(shí)，先將水泥、粉煤灰、硅灰和石英砂放入攪拌機(jī)中干拌1 min，形成干混料，再將減水劑及水加入干混料中先慢攪5 min，再快攪1 min形成勻質(zhì)漿體，最后加入鋼纖維慢攪2 min。攪拌結(jié)束后，立即進(jìn)行流動(dòng)度及流變性能測(cè)試，測(cè)試完成后成型于100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm的模具中，24 h后脫模放入水中養(yǎng)護(hù)至力學(xué)性能測(cè)試齡期。

表4 UHPC試驗(yàn)配合比

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 和易性試驗(yàn)

由于UHPC中沒有摻加粗骨料，故流動(dòng)性試驗(yàn)根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行。流變?cè)囼?yàn)采用HAKKE Viscotester iQ流變儀對(duì)UHPC基體膠凝材料漿體的流變性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試容器為體積500 mL、直徑85 mm、高130 mm的圓筒罐，測(cè)試程序參照Viktor Mechtcherine[11]的試驗(yàn)方法，即連續(xù)剪切速率控制試驗(yàn)。

鋼纖維分散度測(cè)定試驗(yàn)分為新拌UHPC鋼纖維分散度測(cè)試和硬化UHPC鋼纖維分散度測(cè)試。其中新拌UHPC鋼纖維分散度測(cè)試采用磁吸法，其測(cè)試方法為：UHPC攪拌均勻后，按照順序倒出均勻分為四等份，將每份UHPC用水沖洗同時(shí)用磁鐵吸取每份中的鋼纖維，再將提取出的鋼纖維進(jìn)行烘干分離及稱重。根據(jù)小林一輔[12]提出的纖維在水泥基材料中的分散度理論，本試驗(yàn)采用分散度λ衡量纖維在UHPC中的分散情況，如式(2)、式(3)所示。

亳文化的譯介主體是多元的，有亳州市政府部門如宣傳部、新聞辦、文化旅游局、旅游公司、景區(qū)管理部門，以及譯員、審校員等。在亳文化譯介中，亳州市政府部門應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，市宣傳部、新聞辦等聯(lián)合文化旅游局制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和政策來規(guī)范亳文化的譯介。旅游公司、景區(qū)管理部門等應(yīng)積極參與亳文化的譯介與傳播活動(dòng)，提高工作人員的宣介意識(shí)與能力。譯員和校對(duì)人員應(yīng)提高理論水平與譯介能力，增強(qiáng)責(zé)任與擔(dān)當(dāng)意識(shí)，嚴(yán)把譯文質(zhì)量關(guān)，使得亳文化的內(nèi)涵準(zhǔn)確、有效地傳遞給國(guó)外受眾。

λ=e-φ(x),

(2)

(3)

式中：xi為試樣中鋼纖維含量；μ′為等分試樣中鋼纖維含量的平均值；n為等分試樣的個(gè)數(shù)。當(dāng)全部纖維集中在同一等份中，其他等份纖維含量為0時(shí)，λ=0;當(dāng)鋼纖維完全均勻分布在每個(gè)等份中時(shí)，λ=1，故λ應(yīng)在0～1之間取值，且分散度的結(jié)果越接近1，鋼纖維分散越均勻。

UHPC硬化后進(jìn)行硬化UHPC鋼纖維分散度測(cè)試，首先對(duì)UHPC進(jìn)行切割，然后拍照采集截面圖像，利用PS軟件進(jìn)行二值化處理并劃分區(qū)域，最后對(duì)截面鋼纖維進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用式(2)、式(3)計(jì)算其分散程度。

2.4.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T 17671—1999)和《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼纖維摻量與類型對(duì)UHPC流動(dòng)度的影響

各類型UHPC流動(dòng)度如圖3所示。由圖3可知，隨著2種鋼纖維摻量的增加，UHPC流動(dòng)度均降低，這主要是因?yàn)閁HPC中加入鋼纖維后，原附著在細(xì)骨料上的水泥漿體量下降，導(dǎo)致UHPC流動(dòng)度下降。由圖4所示，對(duì)于2種鋼纖維，在摻量低于1.0%時(shí)，流動(dòng)度損失率均低于10%，這是由于鋼纖維產(chǎn)量過少，不會(huì)對(duì)UHPC的緊密堆積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，故流動(dòng)度降低不大[13]。當(dāng)鋼纖維摻量從1.0%增大到2.0%時(shí)，UHPC的流動(dòng)度損失率增大20%左右，這主要是鋼纖維大量摻入導(dǎo)致UHPC的緊密堆積結(jié)構(gòu)破壞，并對(duì)其基體產(chǎn)生極大束縛，并使骨料周圍的水泥漿體減少，導(dǎo)致流動(dòng)度下降。

圖3 鋼纖維摻量對(duì)UHPC流動(dòng)度的影響

圖4 鋼纖維摻量對(duì)UHPC流動(dòng)度損失率的影響

從圖4中還可知，當(dāng)鋼纖維摻量增大到1.0%以上時(shí)，RSFUHPC流動(dòng)度損失率明顯大于SFUHPC，這是因?yàn)橄鄬?duì)于SF，RSF的長(zhǎng)度和形狀極不均勻，且表面粗糙，如圖2所示，對(duì)UHPC基體的粘結(jié)能力更強(qiáng)，隨著纖維摻量的增加，RSF對(duì)基體的束縛作用愈發(fā)明顯，進(jìn)而導(dǎo)致UHPC流動(dòng)度損失率增大。

針對(duì)影響UHPC流動(dòng)度的2個(gè)因素——鋼纖維類型及鋼纖維摻量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性試驗(yàn)方差分析，運(yùn)算得到P值(P-value)。P-value表示的是試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無顯著影響的概率[14]。當(dāng)P-value≤0.01時(shí)，說明因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響非常顯著(＊＊)；當(dāng)0.010.05時(shí)，說明因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無顯著影響(不用＊表示)。由表5可以看出，P-value(鋼纖維摻量)=0.40×10-13<0.01，故鋼纖維摻量對(duì)UHPC的流動(dòng)度有顯著影響，而P-value(鋼纖維類型)=0.82>0.05，由此可知，加入RSF對(duì)UHPC的流動(dòng)度沒有顯著影響，從而可以替代SF[15]。

表5 影響流動(dòng)度因素的顯著性分析

3.2 鋼纖維類型對(duì)UHPC屈服應(yīng)力及塑性黏度的影響

圖5 通過修正的賓漢姆模型擬合得到的剪切應(yīng)力與剪切速率曲線

(4)

回歸方程與流變學(xué)參數(shù)的結(jié)果如表6所示。屈服應(yīng)力和塑性黏度是衡量新拌混凝土流變性能的重要參數(shù)，屈服應(yīng)力主要是由于漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力與摩擦力產(chǎn)生的，主要受水泥基膠凝材料的各顆粒間距、粒徑尺寸和電位電勢(shì)的影響，是引起材料流動(dòng)變形的最小剪切應(yīng)力。因此屈服應(yīng)力越小，水泥漿體越容易發(fā)生流動(dòng)。塑性黏度是指材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙漿體流動(dòng)的性能，它受顆粒形狀、顆粒大小和顆粒濃度等的影響，反映膠凝材料漿體體系變形的速度，塑性黏度小，相同外力作用下漿體流速大。但塑性黏度過小，會(huì)導(dǎo)致新拌水泥基復(fù)合材料漿體發(fā)生離析[17]。不同摻量及類型鋼纖維摻入U(xiǎn)HPC對(duì)屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響如圖6所示，由圖6可知，無論加入何種類型鋼纖維，都會(huì)使得UHPC體系中各顆粒之間的摩擦力增強(qiáng)，導(dǎo)致UHPC的屈服應(yīng)力明顯增大。其中RSFUHPC的屈服應(yīng)力及塑性黏度均大于SFUHPC，主要是由于鋼纖維在拌合物中的棚架作用能夠阻礙拌合物的流動(dòng)，RSF的長(zhǎng)徑比不均勻，導(dǎo)致棚架效應(yīng)越明顯，流動(dòng)阻力就會(huì)越大。c/μ值均>0，呈現(xiàn)出剪切增稠的現(xiàn)象，其中c/μ(RSFUHPC)

表6 回歸方程與流變學(xué)參數(shù)的結(jié)果

圖6 不同鋼纖維種類及摻量對(duì)UHPC屈服應(yīng)力及塑性黏度的影響

3.3 鋼纖維類型對(duì)新拌及硬化UHPC分散度的影響

新拌UHPC鋼纖維的分散度運(yùn)用磁吸法進(jìn)行提取計(jì)算，對(duì)鋼纖維摻量為1.0%和2.0%的UHPC進(jìn)行提取并對(duì)所得鋼纖維進(jìn)行稱量計(jì)算分散度。硬化后的UHPC通過統(tǒng)計(jì)截面鋼纖維數(shù)量進(jìn)行鋼纖維分散度計(jì)算，其二值化圖像如圖7所示。2種鋼纖維分散度的計(jì)算結(jié)果如表7所示。由表7可知，RSFUHPC的分散度在新拌及硬化狀態(tài)均大于SFUHPC，這是由于SF表面光滑且直徑較小，并且UHPC中運(yùn)用大量高性能減水劑使其凝結(jié)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致在拌合后SF由重力原因產(chǎn)生沉降，使硬化后的SFUHPC截面鋼纖維分散極不均勻，圖7中可以看出，SF聚集在下表面或骨料周圍，在實(shí)際工程中有不均勻破壞的風(fēng)險(xiǎn)。而RSF由于其長(zhǎng)度及直徑參差不齊，且在其周圍粘結(jié)有橡膠顆粒(見圖2)，摻入后對(duì)新拌UHPC漿體有較強(qiáng)的約束作用，棚架效應(yīng)更加明顯，故RSF有更強(qiáng)的分散效果。

圖7 硬化UHPC截面中鋼纖維二值化圖像

表7 鋼纖維分散度

3.4 鋼纖維類型對(duì)UHPC荷載-位移曲線的影響

圖8為鋼纖維摻量對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響，由圖8可知在三點(diǎn)抗折試驗(yàn)中，隨著2種鋼纖維摻量的增加，抗折強(qiáng)度增大。由圖9可知，破壞荷載峰值逐漸升高，且在達(dá)到破壞荷載后，由于纖維含量的增加，后續(xù)曲線變得更加曲折且變化值更大，這主要源于摻入鋼纖維后，在抗折試驗(yàn)中達(dá)到破壞荷載后，繼續(xù)加載，其中的鋼纖維會(huì)逐根拔出，導(dǎo)致后續(xù)曲線更加曲折且位移更大[18]。

圖8 鋼纖維摻量對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響

圖9 UHPC荷載-位移曲線

通過三點(diǎn)抗折試驗(yàn)，記錄荷載-位移曲線。該曲線下面積越大，表明材料破壞過程中能夠吸收的能量越多，材料抵抗斷裂的性能越好[19]。因此，荷載-位移曲線下的面積可較好地表征材料的整體韌性。

如圖10所示，隨著2種鋼纖維摻量的增加，位移-荷載曲線下的面積逐漸增大，說明摻加鋼纖維可以顯著提高UHPC斷裂時(shí)的斷裂能。其中SFUHPC的位移-荷載曲線下的面積相對(duì)于RSFUHPC更大，更難進(jìn)行斷裂，這是因?yàn)镽SF長(zhǎng)度及直徑不一，分散度大，且RSF表面橡膠粘附較多，RSF與UHPC基體連接不密實(shí)，UHPC斷裂時(shí)，一部分RSF由于表面橡膠顆粒的作用更易拔出，從而導(dǎo)致位移-荷載曲線下面積變小，斷裂能隨之變小[20]。但由表8及表9可知，經(jīng)過方差分析，P-value(鋼纖維類型)分別為0.14和0.15，均>0.05，鋼纖維類型不同對(duì)UHPC抗彎荷載—位移曲線下面積及抗折強(qiáng)度的影響不顯著，故RSF可以替代SF摻入U(xiǎn)HPC，且不影響抗斷裂效果。

圖10 鋼纖維摻量對(duì)UHPC荷載-位移曲線下的面積的影響

表8 影響抗折強(qiáng)度因素的顯著性分析

表9 影響荷載-位移曲線下面積因素的顯著性分析

3.5 鋼纖維摻量及類型對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

不同類型及摻量的鋼纖維對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響如圖11所示。相同摻量下，兩種類型鋼纖維對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響。當(dāng)鋼纖維摻量由0%增大到2.0%時(shí)，RSFUHPC抗壓強(qiáng)度從129 MPa增大到148 MPa，SFUHPC抗壓強(qiáng)度從129 MPa增大到149 MPa，兩者鋼纖維28 d抗壓強(qiáng)度只差1 MPa，且鋼纖維摻量從0%增大到2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度只增加20 MPa左右，變化不明顯。這是由于試件在受到豎向荷載作用時(shí)會(huì)發(fā)生橫向變形，摻入鋼纖維后，依靠纖維與水泥基體之間的黏結(jié)作用，內(nèi)部的纖維能夠起到一定的限制橫向膨脹的作用[21-23]。因?yàn)槔w維在基體中亂向分布，其體積摻量較小(1.0%～1.5%)時(shí)，會(huì)在基體中形成相對(duì)均勻的網(wǎng)絡(luò)搭接結(jié)構(gòu)，隨著摻量的增加會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生更大約束力，從而提高抗壓強(qiáng)度[24]。然而，由于鋼纖維亂向分布，在限制橫向變形時(shí)，僅有部分纖維發(fā)揮作用，所以纖維摻量的增加對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度提高較小，且兩種類型的鋼纖維變化趨勢(shì)相同。

圖11 鋼纖維摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)鋼纖維摻量在1%及以下時(shí)，隨鋼纖維摻量的增加，RSFUHPC與SFUHPC流動(dòng)度損失率均<10%，當(dāng)摻量增加到2.0%時(shí)，RSFUHPC流動(dòng)度損失率超出SFUHPC 4.44%。但經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性分析，鋼纖維類型對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響并不顯著。

(2)RSFUHPC的屈服應(yīng)力及塑性黏度均大于SFUHPC，但RSFUHPC的剪切增稠程度(c/μ)較SFUHPC有所降低，表明摻入RSF可以改善UHPC在泵送過程中出現(xiàn)的離析、泌水等現(xiàn)象。

(3)當(dāng)鋼纖維摻量一定時(shí)，RSF在新拌及硬化UHPC中的分散度(0<β<1)比SF高出0.1左右。故在實(shí)際工程中摻入RSF可以降低UHPC的施工難度，增強(qiáng)新拌UHPC勻質(zhì)效果。

(4)當(dāng)鋼纖維摻量一定時(shí)，RSFUHPC的抗折強(qiáng)度、荷載-位移曲線下面積及抗壓強(qiáng)度均小于SFUHPC，但經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著分析，P-value均>0.05，鋼纖維類型對(duì)其力學(xué)性能影響不顯著，且28 d抗壓強(qiáng)度僅相差1MPa。

(5)綜上相對(duì)于SF，RSF的摻入對(duì)UHPC的流動(dòng)性及力學(xué)性能沒有顯著影響，并可以使纖維分散度提高，剪切增稠程度降低，實(shí)際工程施工難度及成本降低，故RSF可以替代SF運(yùn)用于UHPC中。