鋼纖維增強(qiáng)大摻量再生骨料混凝土力學(xué)與斷裂性能

丁亞紅,鄒成路,郭 猛,張美香,呂秀文

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,焦作 454003)

0 引 言

將廢棄混凝土破碎、篩分制成再生骨料,將其按照一定比例或全部替代天然砂石材料制成再生混凝土(recycle aggregates concrete, RAC)。由于再生骨料性能劣于天然骨料[1-2],再生混凝土相較于天然混凝土往往表現(xiàn)出強(qiáng)度低、耐久性差等缺陷[3-5]。丁進(jìn)煒[6]對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明試塊的立方體抗壓強(qiáng)度隨著再生細(xì)骨料摻量的增加而減少。肖建莊等[7]通過(guò)改變?cè)偕?xì)骨料摻量得出抗壓強(qiáng)度的正態(tài)分布概率密度曲線,并指出再生細(xì)骨料的取代率不宜大于30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。為解決RAC的各種缺陷,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同種類的纖維對(duì)RAC進(jìn)行加強(qiáng)[8-11],纖維的橋接作用能夠有效地限制其內(nèi)部空隙與微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展,能夠明顯改善RAC的韌性、延性與抗裂能力[12-15]。我國(guó)學(xué)者徐世烺與Reinhardt[16]提出的雙K斷裂模型,有效詮釋了混凝土斷裂行為機(jī)理。

在國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中,再生骨料運(yùn)用于混凝土中的摻量普遍較低,通常只有30%左右,不利于“綠色建筑綠色生產(chǎn)”的開(kāi)展,因此本文采取再生粗、細(xì)骨料配制大摻量再生骨料混凝土進(jìn)行力學(xué)性能與斷裂性能試驗(yàn),研究再生粗、細(xì)骨料取代率對(duì)再生混凝土的影響,同時(shí)采用鋼纖維對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng),為鋼纖維增強(qiáng)大摻量再生骨料混凝土工程實(shí)踐中的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用的P·O 42.5級(jí)水泥來(lái)自河南省焦作市千業(yè)水泥廠,天然細(xì)骨料是細(xì)度模數(shù)為 2.9 的河砂,天然粗骨料選用連續(xù)級(jí)配的天然碎石,再生粗骨料取自河南理工大學(xué)廢棄混凝土,經(jīng)過(guò)破碎篩分制成,試驗(yàn)用水為焦作市自來(lái)水,骨料與鋼纖維性能見(jiàn)表1、表2。減水劑為復(fù)合型高效聚羧酸減水劑,以上試驗(yàn)材料均來(lái)自同一批次。

表1 骨料性能Table 1 Aggregate properties

表2 鋼纖維性能Table 2 Performance of steel fiber

1.2 試驗(yàn)方案以及配合比設(shè)計(jì)

本文主要探討大摻量再生粗、細(xì)骨料質(zhì)量取代率及鋼纖維摻量對(duì)再生混凝土基本力學(xué)性能與斷裂性能影響的規(guī)律。試驗(yàn)中再生細(xì)骨料采用50%、70%、100%三個(gè)質(zhì)量取代率取代天然碎石,再生粗骨料采用50%、70%、100%三個(gè)質(zhì)量取代率取代河砂,鋼纖維體積摻量為0%和1.0%。設(shè)計(jì)19組試驗(yàn)組包括立方體抗壓試塊每組三個(gè),劈裂抗拉試塊每組三個(gè),三點(diǎn)彎曲試塊每組三個(gè),試驗(yàn)分組見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)分組Table 3 Test groups

再生粗骨料與再生細(xì)骨料分別判定為Ⅱ類再生粗骨料、Ⅱ類再生細(xì)骨料,根據(jù)陜西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中的《再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ61/T 88—2014)中規(guī)定,Ⅱ類再生粗骨料宜配制強(qiáng)度等級(jí)為C40及以下強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土?；炷恋呐浜媳劝凑铡镀胀ɑ炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)設(shè)計(jì)計(jì)算,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,水膠比為0.50,砂率為34.5%,所有試塊坍落度控制在30～180 mm,基礎(chǔ)配合比見(jiàn)表4。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 4 Mix proportion design of concrete

1.3 試塊制作與養(yǎng)護(hù)

考慮再生骨料吸水率較高,用清水預(yù)浸泡24 h,再處理為飽和面干狀態(tài)后再進(jìn)行澆筑,在試塊澆筑過(guò)程中采用統(tǒng)一的投料順序以及攪拌時(shí)間,在模具內(nèi)部涂抹疏水材料,保證脫模時(shí)試塊的完整。試塊澆筑完成后,靜置24 h,然后脫模并書(shū)寫(xiě)編號(hào)以作記錄。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

1.4 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試塊在最高3 000 kN電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。立方體抗壓試驗(yàn)與劈裂抗拉試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行。斷裂試驗(yàn)采取三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),通過(guò)預(yù)埋鋼片的方式預(yù)制裂縫。試驗(yàn)全程采用速率為 0.1 mm/min的位移控制模式,裂縫口張開(kāi)位移采用夾式引伸計(jì)測(cè)量,跨中撓度采用千分表測(cè)量,試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,D為試件高度,l為試件長(zhǎng)度,S為支座跨度,a0為初始裂縫長(zhǎng)度,P為外荷載。

圖1 三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)Fig.1 Three-point bending beam test

2 雙K斷裂參數(shù)的確定

起裂斷裂韌度按式(1)～(2)計(jì)算。

(1)

(2)

失穩(wěn)斷裂韌度按式(3)～(7)計(jì)算。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Pmax為峰值荷載,kN;CMODc為峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫張口位移,μm;ac為臨界等效裂縫長(zhǎng)度,mm;Pi與CMODi為試驗(yàn)P-CMOD曲線上線性上升段任找三點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值(P1,CMOD1),(P2,CMOD2),(P3,CMOD3);H0為試件高度加上刀口厚度;E為彈性模量。

由式(1)～式(4)可得：馬赫數(shù)Ma=0.086 27；通過(guò)馬赫數(shù)查氣體動(dòng)力函數(shù)表，用線性插值法計(jì)算得

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)過(guò)程與破壞形態(tài)

立方體抗壓試驗(yàn)中,未摻纖維試件最終的破壞形態(tài)往往呈沙漏狀。摻入鋼纖維的試件由于鋼纖維的橋接作用,無(wú)大塊剝落的現(xiàn)象,整體形狀接近柱狀,呈現(xiàn)出裂而不碎的形態(tài),破壞形態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 再生混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.2 Compression failure mode of recycled aggregate concrete

圖3 鋼纖維再生混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.3 Compression failure mode of steel fiber recycled aggregate concrete

再生混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)過(guò)程中,未摻加纖維的試件表面形成一條垂直于受力面且貫穿試件的裂縫,試件迅速失去承載力。摻入鋼纖維的試塊的破壞面能夠觀察到跨越裂縫的鋼纖維,且鋼纖維的波紋形狀出現(xiàn)了不同程度的拉直情況,破壞形態(tài)如圖4、圖5所示。

圖4 再生混凝土劈裂受拉破壞形態(tài)Fig.4 Splitting tension failure mode of recycled aggregate concrete

圖5 鋼纖維再生混凝土劈裂受拉破壞形態(tài)Fig.5 Splitting tensile failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中,在預(yù)制裂縫正上方施加荷載,隨著荷載的增加,試塊表面形成明顯的宏觀裂縫,承載力快速下降。未摻鋼纖維試塊承載力瞬間下降,裂縫快速擴(kuò)大,夾式引伸計(jì)脫落。摻加鋼纖維的試塊表現(xiàn)出一定的韌度,多根鋼纖維跨越裂縫面,破壞形態(tài)如圖6、圖7所示。

圖6 再生混凝土三點(diǎn)彎曲破壞形態(tài)Fig.6 Three-point bending failure mode of recycled aggregate concrete

圖7 鋼纖維再生混凝土三點(diǎn)彎曲破壞形態(tài)Fig.7 Three-point bending failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度的影響因素

圖8、圖9分別為再生混凝土、鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度,可以看出,再生粗骨料的加入為試塊的立方體抗壓強(qiáng)度帶來(lái)了明顯的負(fù)面影響,再生粗骨料(RCA)質(zhì)量取代率為50%,再生細(xì)骨料(RFA)質(zhì)量取代率為50%,摻加體積摻量1.0%鋼纖維的試樣抗壓強(qiáng)度最高,達(dá)到了天然混凝土的77.17%。摻入鋼纖維后,強(qiáng)度雖有所提高但依然隨再生粗骨料的增多而降低,出現(xiàn)這種情況的原因主要是鋼纖維自身性能較好,在混凝土內(nèi)部能夠提供一定的抗壓能力;再生粗骨料表面附著老舊砂漿,隨著再生粗骨料的增加,混凝土基體中的負(fù)面因素不斷累積,混凝土基體更容易發(fā)生破壞,試件失去承載力。再生細(xì)骨料對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度有明顯的抑制表現(xiàn),再生細(xì)骨料相較于天然河砂具有均質(zhì)性差、吸水率高、壓碎值大等諸多缺陷,混凝土基體更容易產(chǎn)生微小裂縫,受到應(yīng)力集中的影響,裂縫迅速擴(kuò)大從而被破壞。

圖8 再生混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of recycled aggregate concrete

圖9 鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.9 Compressive strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響因素

圖10為再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度,可以看出,隨著再生粗骨料的增多,試件劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸下降。再生粗骨料自身缺陷導(dǎo)致試件強(qiáng)度下降,更容易發(fā)生破壞。當(dāng)再生粗骨料質(zhì)量摻量為70%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度受再生細(xì)骨料影響最為明顯,當(dāng)再生粗骨料完全取代碎石材料時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度受變化幅度最小。再生粗骨料質(zhì)量取代率越高,劈裂抗拉強(qiáng)度受再生細(xì)骨料質(zhì)量取代率的影響越明顯。在纖維混凝土材料中,砂漿與鋼纖維的黏結(jié)占據(jù)了主導(dǎo)地位。再生細(xì)骨料大大減弱了砂漿的強(qiáng)度進(jìn)而導(dǎo)致鋼纖維在混凝土基體內(nèi)的黏結(jié)程度降低[17],試塊在受力過(guò)程中更容易發(fā)生鋼纖維的拔出破壞,從而失去承載力。鋼纖維再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖10 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.10 Splitting tensile strength of recycled aggregate concrete

圖11 鋼纖維再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.11 Splitting tensile strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.4 荷載-裂縫開(kāi)口位移曲線

圖12、圖13分別為再生混凝土和鋼纖維再生混凝土的P-CMOD曲線,可以非常明顯地看出三點(diǎn)彎曲下的試塊中,試塊的峰值荷載因再生粗、細(xì)骨料的增加而逐漸下降,再生粗、細(xì)骨料分別50%質(zhì)量替換碎石與河砂,摻加體積摻量1.0%鋼纖維,再生混凝土峰值荷載達(dá)到最高,峰值荷載達(dá)到天然混凝土的84.40%。相較于素再生混凝土P-CMOD曲線,鋼纖維再生混凝土具有更高的峰值荷載,下降段的殘余強(qiáng)度更高,有效提高了再生混凝土的韌性。

圖12 再生混凝土P-CMOD曲線Fig.12 P-CMOD curves of recycled aggregate concrete

圖13 鋼纖維再生混凝土P-CMOD線Fig.13 P-CMOD curves of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.5 起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度

再生混凝土與鋼纖維再生混凝土斷裂韌度如圖14所示,試塊的起裂斷裂韌度隨著再生粗、細(xì)骨料增加呈負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),再生粗、細(xì)骨料分別50%質(zhì)量替換碎石與河砂材料,鋼纖維體積摻量為1.0%時(shí),起裂斷裂韌度達(dá)到最高,為0.645 MPa·m1/2。

圖14 素再生混凝土與鋼纖維再生混凝土斷裂韌度Fig.14 Fracture toughness of plain recycled aggregate concrete and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

鋼纖維體積摻量為0%,再生粗骨料質(zhì)量取代率為50%,再生細(xì)骨料質(zhì)量取代率為50%、70%、100%時(shí),失穩(wěn)斷裂韌度分別為天然混凝土的99.29%、91.80%、75.92%;摻入鋼纖維后,失穩(wěn)斷裂韌度大幅提高,甚至超過(guò)天然混凝土,分別達(dá)到天然混凝土的124.41%、116.33%、101.29%。鋼纖維體積摻量為0%,再生粗骨料質(zhì)量取代率為70%,再生細(xì)骨料質(zhì)量取代率為50%、70%、100%時(shí),失穩(wěn)斷裂韌度分別為天然混凝土的95.34%、87.91%、67.51%;加入鋼纖維后,失穩(wěn)斷裂韌度分別達(dá)到天然混凝土的106.17%、102.17%、95.66%。鋼纖維體積摻量為0%,再生粗骨料完全取代天然骨料后,失穩(wěn)斷裂韌度水平較低,分別只達(dá)到天然混凝土的76.99%、75.78%、71.13%;摻加鋼纖維后,失穩(wěn)斷裂韌度達(dá)到天然混凝土的100.02%、93.3%、83.39%。根據(jù)圖14中的數(shù)據(jù),試塊的失穩(wěn)斷裂韌度受再生粗、細(xì)骨料增加而產(chǎn)生負(fù)面影響,再生粗、細(xì)骨料分別50%質(zhì)量取代天然砂石,鋼纖維體積摻量為1.0%時(shí),失穩(wěn)斷裂韌度達(dá)到最高,為1.096 MPa·m1/2。

試件預(yù)制裂縫端口處在應(yīng)力集中作用下發(fā)生開(kāi)裂后,荷載達(dá)到峰值后,試塊的承載能力快速下降,在極短時(shí)間內(nèi)失去承載能力。摻加1.0%的鋼纖維后,試塊的失穩(wěn)斷裂韌度明顯增加,并且在再生細(xì)骨料質(zhì)量摻量為50%時(shí)均超過(guò)了天然混凝土,這是因?yàn)殇摾w維在混凝土基體中的“橋接作用”,將裂縫兩側(cè)受到的拉力轉(zhuǎn)化為沿鋼纖維分布的拉力以及異形鋼纖維與新砂漿的黏結(jié)力與機(jī)械咬合,阻礙了宏觀裂縫的進(jìn)一步延伸擴(kuò)展。當(dāng)再生粗骨料質(zhì)量取代率為70%,再生細(xì)骨料全部取代天然河砂時(shí),鋼纖維對(duì)起裂斷裂韌度的優(yōu)化作用最高,較未摻鋼纖維試件提升了41.70%。

3.6 斷裂韌度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系

表5 文獻(xiàn)中混凝土軟化本構(gòu)模型[18-22]Table 5 Softening constitutive model of concrete in literature[18-22]

因此認(rèn)為,混凝土的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與其劈裂抗拉性能有密切關(guān)系。則將混凝土的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖15、圖16),計(jì)算關(guān)系如式(8)～(9)所示。

圖16 失穩(wěn)斷裂韌度與劈裂抗拉強(qiáng)度的擬合曲線Fig.16 Fitting curve of unstable fracture toughness and splitting tensile strength

(8)

(9)

擬合結(jié)果可以看出,試件的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度均與劈裂抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān),這與上述預(yù)測(cè)模型趨勢(shì)類似,也進(jìn)一步印證本文的分析結(jié)果。

4 結(jié) 論

1)再生粗、細(xì)骨料大摻量取代天然砂石材料導(dǎo)致試件基本力學(xué)性能有較為明顯的下降,并且隨著摻量的增加下降幅度也增加。再生粗、細(xì)骨料均完全取代天然砂石,未摻加鋼纖維時(shí),劣化幅度最大分別達(dá)到了52.17%、32.33%。

2)鋼纖維自身強(qiáng)度較高,加入鋼纖維后,再生混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均有明顯改善,增幅最高分別達(dá)29.95%、25.23%。再生粗、細(xì)骨料質(zhì)量取代率均為50%,鋼纖維體積摻量為1%時(shí),抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高,分別達(dá)到天然混凝土的77.12%與93.97%。

3)再生粗、細(xì)骨料對(duì)再生混凝土的起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度起到負(fù)面作用,再生粗、細(xì)骨料質(zhì)量取代率均為50%,鋼纖維摻量為1.0%時(shí),起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度達(dá)到最高,分別為0.645、1.096 MPa·m1/2。

4)鋼纖維的摻加能夠有效提升再生混凝土斷裂性能,當(dāng)再生粗、細(xì)骨料均為70%質(zhì)量取代天然碎石與河砂材料時(shí),鋼纖維對(duì)起裂斷裂韌度的優(yōu)化作用最高,提升了24.73%;當(dāng)再生粗骨料質(zhì)量取代率為70%,再生細(xì)骨料質(zhì)量取代率為100%時(shí),鋼纖維對(duì)失穩(wěn)斷裂韌度的優(yōu)化作用最高,提升了41.70%。