低溫作用下改性骨料-鋼纖維再生混凝土彎曲性能試驗(yàn)

蘇駿,黃福,王淞波,許子揚(yáng),楊海鑫,李揚(yáng)

（湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068）

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建筑固廢排放量正逐年攀升，截止2021年，我國(guó)建筑固廢排放量高達(dá)30億噸，其中廢棄混凝土約占40%左右，大量廢棄混凝土不僅占用了大量的土地資源而且很難物盡其用[1]。同時(shí)建筑固廢也是歐盟等各國(guó)的主要廢棄物，其資源化利用率從90%下降到5%不等[2]。因此，將廢棄混凝土作為混凝土骨料回收再利用，不僅可以節(jié)約資源，緩解對(duì)土地的需求[3]，還可以減少CO2排放量[4]，同時(shí)對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的戰(zhàn)略意義。

再生混凝土(Recycled aggregate concrete，RAC)是指利用廢棄混凝土破碎加工而成的再生集料，部分或全部代替天然集料配制而成的新混凝土[5]。由于再生骨料表面具有較多的微裂縫和舊砂漿，使再生混凝土存在多個(gè)較薄弱的界面過渡區(qū)(ITZ)，導(dǎo)致再生混凝土的力學(xué)性能普遍低于天然混凝土[6]，致使再生混凝土的推廣應(yīng)用遇到較大阻力。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生骨料改性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并取得一系列重要研究成果。主要包含有增強(qiáng)舊砂漿，如聚合物乳液浸泡[7]、碳酸鈣沉積[8]等；去除舊砂漿，如機(jī)械研磨[9]、浸酸分離[10]等；摻入纖維，如鋼纖維[11]、聚合物纖維[12]等。相較溶液浸泡帶來的次生化學(xué)污染及研磨等需要投入大量機(jī)械設(shè)備，采用水泥凈漿改性再生骨料優(yōu)勢(shì)更明顯。曹鑫鋮等[13]研究表明，再生骨料經(jīng)包漿處理后能有效降低混凝土板裂縫開展的離散程度，使裂縫更加均勻分布，從而提高再生混凝土的抗開裂能力。王興國(guó)等[14]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水泥凈漿改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均得到明顯提升，且在抗沖擊性能方面，水泥凈漿改性再生混凝土較納米SiO2溶液具有更高比吸能。Kim等[15]認(rèn)為摻入鋼纖維可有效提高再生混凝土梁的彎曲強(qiáng)度和延性系數(shù)，鋼纖維的控裂作用減緩了再生混凝土的韌性和抗彎強(qiáng)度的降低。朱海堂等[16]研究表明，鋼纖維對(duì)再生混凝土韌度增強(qiáng)效果較天然混凝土更強(qiáng)。牛海成等[17]則發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入1.5vol%鋼纖維和0.1vol%聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)纖維時(shí)再生混凝土的開裂荷載、抗彎承載力和延性性能均達(dá)到峰值，較普通再生混凝土分別提高了60.0%、4.2%和20.1%。因此，將再生骨料進(jìn)行水泥凈漿預(yù)浸處理、摻入適量鋼纖維，能有效提升再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

隨著再生骨料改性及設(shè)計(jì)性能的逐步完善，再生混凝土逐漸在建筑物及構(gòu)筑物中廣泛投入應(yīng)用，北京冬奧會(huì)速滑館[18]在建造中也采用了低取代率的再生混凝土。由于我國(guó)南北部氣候差異顯著，北部地區(qū)冬季氣溫較南部更低，而低溫影響在北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不容忽視。據(jù)氣象觀測(cè)資料顯示：北京冬季史載最低氣溫約為-27.4℃，而北部局部地區(qū)甚至達(dá)-52.3℃。已有研究表明，低溫作用下普通混凝土力學(xué)性能與常溫條件下相比有很大的區(qū)別，主要受溫度、含水率的影響較大[19]。但有關(guān)低溫作用對(duì)再生混凝土性能的影響尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，本文將再生骨料進(jìn)行水泥凈漿改性處理，并在再生混凝土中摻入適量的鋼纖維，研究低溫作用對(duì)改性骨料-鋼纖維再生混凝土彎曲性能的影響，研究結(jié)論為再生混凝土的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料和試件制備

試驗(yàn)選用P·O 42.5華新牌水泥，采用細(xì)度模數(shù)為2.5的天然河砂，減水劑采用聚羧酸高效減水劑，采用直桿形鍍銅微絲鋼纖維，其物理性能見表1。天然粗骨料(Natural aggregate，NA)選取武漢市自產(chǎn)骨料，再生粗骨料(Recycled aggregate，RA)為某商混站廢棄混凝土經(jīng)破碎篩分得到，水泥凈漿改性再生骨料(Cement recycled aggregate，CRA)制作流程如圖1所示，各項(xiàng)物理指標(biāo)見表2。經(jīng)水泥凈漿改性再生骨料壓碎指標(biāo)相對(duì)較低，使再生骨料具有較好的持荷能力，同時(shí)該改性可使其界面過渡區(qū)更均勻致密，進(jìn)而可提升再生混凝土宏觀力學(xué)性能[20]。

表2 不同骨料物理指標(biāo)Table 2 Physical indicators of different aggregates

試件制備時(shí)先將粗骨料(NA、CRA)、河砂、水泥依次倒入攪拌機(jī)中干拌2 min，隨后邊攪拌邊均勻添加鋼纖維，同時(shí)先加入一半的水，然后加入另一半水繼續(xù)攪拌2 min獲得拌合物，將其倒入模具中，同時(shí)將熱電偶加入其中以便后期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)溫度，最后將其放置24 h脫模后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28天。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)CRA質(zhì)量取代率分別為30wt%和60wt%，鋼纖維體積摻量分別為0vol%、0.5vol%、1.0vol%、1.5vol% (wt%表示再生骨料質(zhì)量占粗骨料用量比例，稱為質(zhì)量取代率；vol%為鋼纖維摻量占試件體積分?jǐn)?shù)，稱為體積摻量)，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件編號(hào)及配合比見表3，其中水泥、砂、基礎(chǔ)水和減水劑分別為406 kg·m-3、607 kg·m-3、195 kg·m-3和2.82 kg·m-3，每組試件制作且測(cè)試3個(gè)樣本，取其平均值探究低溫作用及纖維摻量對(duì)水泥凈漿改性再生混凝土(Cement recycled aggregate concrete，CRAC)彎曲性能的影響。

表3 試件編號(hào)及配合比Table 3 Number and mix proportion of specimens

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 降溫試驗(yàn)

采用自主研制的深冷環(huán)境低溫箱進(jìn)行降溫，降溫設(shè)備如圖2(a)所示。以我國(guó)北部寒區(qū)溫度為背景，分別設(shè)置20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃的溫度梯度，采用通入液氮方式進(jìn)行降溫使其達(dá)到目標(biāo)溫度，降溫速率為2℃/min，當(dāng)預(yù)埋置于試件中心的熱電偶及低溫箱內(nèi)自帶環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)均達(dá)到略低于目標(biāo)溫度時(shí)(設(shè)備詳見圖2(b)、圖2(c))，使其恒溫2 h，隨即進(jìn)行加載試驗(yàn)。

圖2 降溫及溫度傳感設(shè)備Fig.2 Cryogenic equipment and temperature sensor

1.3.2 彎曲性能試驗(yàn)

參考CECS 13-2009[21]和 GB/T 50081-2019[22]，采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的CBT1105-D型微機(jī)控制四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)(圖3)，以位移控制方式進(jìn)行加載，加載速率為0.6 mm/min，用以研究低溫作用及鋼纖維摻量對(duì)CRAC彎曲性能的影響。由于在降溫試驗(yàn)中，使低溫箱內(nèi)環(huán)境溫度與試件核心溫度均達(dá)到略低于目標(biāo)溫度并進(jìn)行了恒溫，且單個(gè)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)用時(shí)在5 min左右，故本試驗(yàn)暫不考慮試件在加載過程中的溫度損失。

圖3 加載示意圖Fig.3 Loading diagram

同時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CECS 13-2009[21]提出的等效抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性指標(biāo)來表征低溫作用及纖維摻量對(duì)CRAC彎曲性能的影響，計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：fe為等效彎曲強(qiáng)度；Ωk為跨中撓度為L(zhǎng)/150的荷載-撓度曲線下面積；δk為跨中撓度為L(zhǎng)/150時(shí)撓度值；L為試件跨度；b為試件截面寬度；h為試件高度。

本文采用史占崇等[23]提出的偏移法確定荷載-撓度曲線中的初裂撓度δ，并依據(jù)CECS 13-2009[21]計(jì)算其相應(yīng)彎曲韌性指標(biāo)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示，計(jì)算表達(dá)式如下：

圖4 韌性指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 Calculation diagram of toughness index

式中：I5為3倍初裂撓度值(3δ)處荷載-撓度曲線包絡(luò)面積與初裂撓度點(diǎn)處曲線包絡(luò)面積的比值；I10為5.5倍初裂撓度值(5.5δ)處荷載-撓度曲線包絡(luò)面積與初裂撓度點(diǎn)處曲線包絡(luò)面積的比值；Ωkδ為k倍的初裂撓度值處荷載-撓度曲線包絡(luò)的面積。

1.3.3 微觀試驗(yàn)

采用Hitachi SU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對(duì)CRAC的微觀形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CRAC荷載-撓度曲線與破壞形態(tài)

不同纖維摻量的CRAC試件荷載-撓度曲線如圖5所示?？梢钥闯?，在加載過程中，經(jīng)低溫作用的試件強(qiáng)度會(huì)有顯著提升，但其脆性明顯增大，隨溫度進(jìn)一步降低，荷載-撓度曲線表現(xiàn)出“跳崖”般突降趨勢(shì)，且纖維摻量越低，其變化越明顯。

圖5 不同溫度下水泥凈漿改性再生混凝土(CRAC)受彎荷載-撓度曲線Fig.5 Bending load-deflection curves of cement recycled aggregate concrete (CRAC) at different temperatures

圖5(a)為未摻入纖維的CRAC荷載-撓度曲線，在受彎過程中，隨荷載增加，試件中部出現(xiàn)沿截面發(fā)展的豎向裂縫并迅速貫穿整個(gè)截面，伴隨著劇烈聲響發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出明顯脆性破壞特征，隨著溫度降低，其極限承載力明顯提高，較常溫狀態(tài)最大可提高約2.84倍；而摻入適量鋼纖維的試件在加載過程中表現(xiàn)出良好的韌性，其試驗(yàn)過程可歸納為開裂前階段、裂縫發(fā)展階段和破壞階段，試件破壞形態(tài)見圖6。

圖6 1.5vol%SF/CRAC(60wt%CRA)試件破壞形態(tài)Fig.6 1.5vol%SF/CRAC(60wt%CRA) specimen damage pattern

從圖5(b)可以看出，在開裂前階段，當(dāng)荷載較小時(shí)，纖維摻量為0.5vol%的CRAC截面應(yīng)力和應(yīng)變均較小，此時(shí)荷載-撓度曲線呈線性上升；隨著荷載逐漸增大，基體達(dá)到最大拉應(yīng)變，試件底部出現(xiàn)細(xì)小裂縫，裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中并開始沿截面豎向發(fā)展，由于此時(shí)纖維含量相對(duì)較少，且纖維呈亂向分布，導(dǎo)致裂縫持續(xù)開展，繼而部分荷載-撓度曲線出現(xiàn)陡降“跳崖”趨勢(shì)，當(dāng)裂縫尖端接觸到基體內(nèi)鋼纖維時(shí)，此時(shí)鋼纖維在裂縫處發(fā)揮橋聯(lián)作用，緩解裂縫尖端應(yīng)力的激增并將其均勻傳遞給纖維附近未開裂的基體，鋼纖維的橋聯(lián)作用限制了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，使試件破壞具有韌性特征，延性增大；當(dāng)荷載加載至峰值荷載的80%時(shí)，裂縫沿主裂縫進(jìn)一步延伸，主裂縫寬度迅速增大，試件撓度增加，伴隨斷裂聲試件破壞，退出工作。圖5(c)、圖5(d)為纖維摻量1.0vol%、1.5vol%的CRAC，其試驗(yàn)現(xiàn)象與0.5vol%試件相似，但承載力和變形能力均有不同程度的增長(zhǎng)。此外，從圖5(d)可以看出，在常溫狀態(tài)時(shí)，鋼纖維摻量為1.5vol%的CRAC曲線出現(xiàn)二次強(qiáng)化現(xiàn)象(荷載出現(xiàn)二次峰值現(xiàn)象)，其主要原因是試件加載過程中裂縫尖端擴(kuò)展到鋼纖維橋聯(lián)處時(shí)，尤其是在纖維摻量較高時(shí)，鋼纖維拔出需要消耗大量能量，從而導(dǎo)致荷載出現(xiàn)二次峰值[24]；但隨溫度降低該現(xiàn)象消失，主要是由于隨溫度降低試件承載力顯著提升，鋼纖維與基體內(nèi)水分凍結(jié)連接，當(dāng)受力破壞時(shí)纖維與基體形成粘結(jié)效應(yīng)；由于一方面CRA界面過渡區(qū)寬度相對(duì)較大，使材料在受力破壞時(shí)較高體積摻量的鋼纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用空間增大，另一方面1.5vol%鋼纖維易產(chǎn)生個(gè)別局部結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致常溫狀態(tài)下鋼纖維摻量為1.5vol%時(shí)，再生骨料取代率為60wt%的CRAC二次強(qiáng)化現(xiàn)象較30wt%更明顯，孔祥清等[24]也得到相似結(jié)果；同時(shí)對(duì)比30wt%和60wt%荷載-撓度曲線發(fā)現(xiàn)，隨溫度進(jìn)一步降低，60wt%CRAC曲線較30wt%更“飽滿”，說明此時(shí)60wt%CRAC耗能能力更優(yōu)。

2.2 CRAC彎拉強(qiáng)度

各試件彎拉強(qiáng)度見表4。可以看出，摻入適量纖維可提升CRAC彎拉強(qiáng)度，隨纖維摻量的增加，CRAC彎拉強(qiáng)度顯著提升，在常溫狀態(tài)下，30wt%和60wt%的CRAC均在纖維摻量為1.5vol%時(shí)彎拉強(qiáng)度提升最明顯，分別為0vol%的1.07倍、1.49倍；在低溫狀態(tài)下，CRAC彎拉強(qiáng)度整體隨溫度降低而提升，當(dāng)溫度達(dá)到-60℃時(shí)，較常溫狀態(tài)下最大可提升約168%；由于普通混凝土材料是由固、液、氣三相組成的復(fù)合多孔材料，而CRAC由于再生骨料自身缺陷及新舊砂漿形成的界面過渡區(qū)會(huì)進(jìn)一步使其孔隙率增大[25]。經(jīng)低溫作用，材料中的毛細(xì)管孔隙水向冰的狀態(tài)過渡，水轉(zhuǎn)變成冰會(huì)填補(bǔ)CRAC內(nèi)部孔隙缺陷，導(dǎo)致其對(duì)外部載荷的阻力顯著增加[26]，從而提升其整體密實(shí)性，使彎拉強(qiáng)度顯著提升。從表中可見彎拉強(qiáng)度出現(xiàn)部分離散現(xiàn)象，這與Cai等[27]試驗(yàn)結(jié)果相似，主要是由于隨溫度降低，材料中毛細(xì)管孔隙中水逐漸向冰的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致不同程度的體積膨脹，而膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使材料各項(xiàng)性能的離散性進(jìn)一步增加。

表4 CRAC試件平均彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)值Table 4 Test values of average flexural tensile strength of each group CRAC specimens

2.3 CRAC等效彎曲強(qiáng)度

圖7為不同影響因素對(duì)CRAC等效彎曲強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，摻入適量纖維對(duì)CRAC性能有明顯提升，同時(shí)其等效彎曲強(qiáng)度隨纖維摻量增加而提升，30wt%和60wt%CRAC均在纖維摻量為1.5vol%時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，分別較0.5vol%最大提升約85.80%和123.35%，主要是由于CRAC材料在受力破壞時(shí)，摻入適量纖維可有效發(fā)揮其橋聯(lián)作用，進(jìn)而達(dá)到增韌阻裂的作用。

圖7 溫度對(duì)CRAC等效彎曲強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of temperature on equivalent bending strength of CRAC

溫度變化對(duì)CRAC等效彎曲強(qiáng)度有顯著影響，兩種再生骨料取代率下CRAC均表現(xiàn)出隨溫度降低，其等效彎曲強(qiáng)度呈先下降后上升的趨勢(shì)。同一纖維摻量下，當(dāng)溫度達(dá)到-20℃時(shí)，30wt%CRAC等效彎曲強(qiáng)度較常溫最大降低34.86%，而在-60℃時(shí)達(dá)到最大值，較-20℃時(shí)最大提升135.96%；60wt%CRAC在0℃時(shí)其等效彎曲強(qiáng)度達(dá)到最小值，較常溫最大降低約44.79%，而在-60℃時(shí)較0℃最大提升123.16%。基于低溫作用下孔隙水結(jié)晶成核及冰晶生長(zhǎng)演化過程(圖8)可知，CRAC等效彎曲強(qiáng)度隨溫度降低呈先下降后上升的趨勢(shì)是由于經(jīng)低溫作用時(shí)，CRAC中孔隙水會(huì)自發(fā)形成晶胚，當(dāng)晶胚等于或大于臨界尺寸時(shí)會(huì)形成晶核[28]，而在此過程中由于晶胚通過能量屏障生長(zhǎng)成晶核(孔隙水由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，造成CRAC中孔壁形成不同程度微裂縫，同時(shí)一部分孔隙水遷移至裂縫中，從而使CRAC形成內(nèi)部損傷導(dǎo)致其性能降低；隨溫度進(jìn)一步降低，冰晶臨界尺寸也隨之降低，即CRAC中一部分毛細(xì)管孔隙水凍結(jié)成冰，同時(shí)填充基體內(nèi)部微裂縫，一部分冰晶發(fā)揮粘結(jié)、增韌阻裂作用[29]，進(jìn)而使其性能提高。

圖8 低溫作用下孔隙水冰晶生長(zhǎng)演化過程Fig.8 Evolution of pore water ice crystal growth under the effect of low temperature

從圖7中對(duì)比30wt%與60wt%CRAC可發(fā)現(xiàn)，其等效彎曲強(qiáng)度分別在-20℃、0℃時(shí)達(dá)到最小值；除0.5vol%外，其他試驗(yàn)組當(dāng)溫度低于0℃時(shí)60wt%的CRAC等效彎曲強(qiáng)度均大于30wt%。主要是由于孔隙水的冰點(diǎn)與孔徑大小有關(guān)，孔徑越小其冰點(diǎn)越低，同時(shí)在低溫作用下混凝土性能提升程度與其含水率成正比[28]，當(dāng)溫度達(dá)到0℃時(shí)，由于60wt%CRAC具有較高孔隙率，而更多大孔隙水成冰造成的內(nèi)部損傷較明顯，從而導(dǎo)致此時(shí)其等效抗彎強(qiáng)度略低于30wt%；由于當(dāng)溫度在-20～-70℃時(shí)更小的毛細(xì)管孔隙水開始凍結(jié)[30]，同時(shí)使一部分損傷微裂縫得到填充，進(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)，30wt%CRAC等效彎曲強(qiáng)度明顯提升，同時(shí)由于CRA與NA相比，CRA吸水率、含水率更高，導(dǎo)致當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，60wt%CRAC性能提升幅度大于其內(nèi)部損傷，使其等效抗彎強(qiáng)度較30wt%更高。由于0.5vol%纖維摻量相對(duì)較少，且纖維在基體內(nèi)呈不均勻分布，使纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用不確定性增加，導(dǎo)致個(gè)別鋼纖維摻量為0.5vol%的60wt%CRAC 等效彎曲強(qiáng)度略低于30wt%。

2.4 CRAC彎曲韌性指標(biāo)

彎曲韌性指標(biāo)可表征材料耗能及發(fā)生變形后的殘余強(qiáng)度，依據(jù)CECS 13-2009[21]以初裂撓度δ的3.0、5.5的倍數(shù)撓度點(diǎn)與荷載-撓度曲線下包絡(luò)面積計(jì)算的相應(yīng)韌性指數(shù)見表5。

表5 CRAC強(qiáng)度及韌性指標(biāo)Table 5 Strength and toughness index of CRAC

不同影響因素下CRAC彎曲韌性指數(shù)變化趨勢(shì)如圖9所示?？梢钥闯?，不同再生骨料取代率下CRAC彎曲韌性指數(shù)均隨溫度降低呈先下降后上升的趨勢(shì)，1.5vol%纖維摻量CRAC表現(xiàn)出良好的抗低溫?fù)p傷效能，除0.5vol%纖維摻量外，隨溫度進(jìn)一步降低60wt%CRAC彎曲韌性指數(shù)整體較30wt%更高，由此說明隨溫度進(jìn)一步降低60wt%CRAC較30wt%更具耗能能力，并從圖9(a)、圖9(b)中可知，隨溫度進(jìn)一步降低，CRAC彎曲韌性指數(shù)I5略高于其常溫狀態(tài)。為進(jìn)一步探究其成因，分別截取常溫、-60℃狀態(tài)下CRAC破壞時(shí)鋼纖維拔出部分，通過SEM掃描(圖10(a)、圖10(b))可見，-60℃狀態(tài)下CRAC鋼纖維拔出損傷較常溫狀態(tài)更顯著，由此說明低溫狀態(tài)下鋼纖維拔出具有更高摩擦剪切阻力。同時(shí)結(jié)合圖11可知，不同溫度下CRAC受力破壞時(shí)，基體內(nèi)鋼纖維均呈拔出、脫粘現(xiàn)象，而在-60℃作用下鋼纖維拔出附著冰晶并與基體粘結(jié)，由于基體內(nèi)孔隙水冰晶生長(zhǎng)作用，一方面使CRAC基體內(nèi)部較常溫狀態(tài)下更密實(shí)，另一方面由于鋼纖維具有較高表面硬度，隨溫度進(jìn)一步降低當(dāng)水泥基體硬度高于鋼纖維時(shí)，使鋼纖維-水泥基體粘接性能顯著提高，進(jìn)而提升材料峰后延性。

圖9 不同影響因素下CRAC彎曲韌性指數(shù)Fig.9 Bending toughness index of CRAC under different influence factors

圖10 不同溫度下鋼纖維損傷機(jī)制Fig.10 Steel fiber damage mechanisms at different temperatures

圖11 不同溫度下CRAC破壞機(jī)制Fig.11 CRAC destruction mechanisms at different temperatures

2.5 纖維對(duì)CRAC的增強(qiáng)效應(yīng)

變形能是材料在受力破壞時(shí)的耗能能力，摻入適量鋼纖維可有效提升CRAC彎曲性能(變形能)。為更直觀反映低溫作用下鋼纖維對(duì)CRAC的增強(qiáng)效能，本文給出以不同鋼纖維摻量的CRAC變形能與0vol%纖維摻量下的CRAC荷載-撓度曲線包絡(luò)面積的比值(纖維增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù))來表征。計(jì)算公式如下：

式中：Sk為纖維體積摻量為k時(shí)CRAC荷載-撓度曲線包絡(luò)面積；S0為纖維摻量為0vol%時(shí)荷載-撓度曲線下包絡(luò)面積；T為纖維增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù)。各試件計(jì)算結(jié)果見表6，纖維增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù)與溫度關(guān)系如圖12所示。

圖12 CRAC纖維增強(qiáng)效應(yīng)與溫度的關(guān)系Fig.12 Relationship between fiber reinforcement effect of CRAC and temperature

表6 不同溫度下CRAC纖維增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù)Table 6 Fiber reinforcement effect coefficients of CRAC at different temperatures

可知，在常溫狀態(tài)下1.5vol%纖維摻量CRAC增強(qiáng)效應(yīng)最為顯著，兩種取代率下較0.5vol%分別可提升59.86%和48.88%；經(jīng)低溫作用，不同纖維摻量下CRAC纖維增強(qiáng)效應(yīng)隨溫度降低整體均呈下降趨勢(shì)，而在同一骨料取代率下隨纖維摻量增加其纖維增強(qiáng)效應(yīng)相應(yīng)增大；對(duì)比兩種取代率CRAC可發(fā)現(xiàn)，再生骨料取代率為60wt%的CRAC纖維增強(qiáng)效應(yīng)較30wt%更顯著，其主要原因是，鋼纖維呈亂向分布在基體中形成三維網(wǎng)狀穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，同時(shí)經(jīng)低溫作用孔隙水凍結(jié)成冰增大基體-纖維粘結(jié)作用，使當(dāng)CRAC 破壞時(shí)纖維拔出所耗能量增加，進(jìn)而提升其彎曲性能；并結(jié)合上文所分析可知，在低溫作用下，鋼纖維與CRAC具有良好協(xié)同作用，但隨溫度進(jìn)一步降低，材料中冰晶生長(zhǎng)作用是影響材料性能的主要因素。

3 CRAC微觀機(jī)制

常溫狀態(tài)下CRAC微觀結(jié)構(gòu)如圖13所示，從圖13(a)可以看出，在CRA與基體界面過渡區(qū)出現(xiàn)氫氧化鈣(C-H)呈定向排列現(xiàn)象，同時(shí)在其中富集水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠及少數(shù)(Aft)填充，使界面整體結(jié)構(gòu)較均勻。由于再生骨料經(jīng)水泥凈漿改性處理，一方面骨料表面漿層在拌和過程中吸水較多，而在水泥水化后期通過其緩釋作用一定程度上補(bǔ)充過渡區(qū)中水分(由此進(jìn)一步闡釋上文低溫作用下60wt%CRAC性能提升現(xiàn)象)，從而使出現(xiàn)一部分水化產(chǎn)物C-S-H富集填充界面的現(xiàn)象。另一方面，再生骨料與基體間通過一層漿體過渡層粘結(jié)，使其中心質(zhì)和介質(zhì)之間的彈性模量與熱膨脹系數(shù)相對(duì)較小[31]，從而使在基體收縮及外力等因素作用下產(chǎn)生的局部應(yīng)力降低。

圖13 CRAC微觀結(jié)構(gòu)Fig.13 Microstructure of CRAC

從圖13(b)可以看出，CRA與基體界面過渡區(qū)寬度較NA更大，其主要原因是，雖然CRA中一部分水化產(chǎn)物C-S-H、Aft填充連接界面過渡區(qū)部分，但是產(chǎn)物尺寸細(xì)小且其臨界基體結(jié)構(gòu)較NA更疏松，從而使其界面過渡區(qū)寬度與NA存在一定差距。同時(shí)進(jìn)一步說明，CRA與基體較寬的界面過渡區(qū)為低溫作用下CRAC冰晶生長(zhǎng)作用提供明顯發(fā)展空間。

經(jīng)低溫作用CRAC微觀結(jié)構(gòu)如圖14所示，從圖14(a)可以看出，經(jīng)低溫作用CRA四周形成明顯微裂縫并向基體內(nèi)部延伸，臨界基體部分存在較多大孔隙且結(jié)構(gòu)疏松，由此進(jìn)一步說明在低溫作用時(shí)，由于CRA較高含水率及其緩釋作用，使CRA-基體界面過渡區(qū)處冰晶生長(zhǎng)作用較顯著。圖14(b)為CRAC孔隙結(jié)構(gòu)微觀形貌，從中可見經(jīng)低溫作用孔隙周圍形成多條擴(kuò)散延伸至界面過渡區(qū)的微裂縫，并結(jié)合圖8進(jìn)一步說明在低溫作用時(shí)，一方面孔隙水凍結(jié)成冰造成孔壁損傷，同時(shí)一部分孔隙水遷移至微裂縫中。另一方面，由于冰晶生長(zhǎng)作用使各向損傷連接填充。

圖14 低溫作用對(duì)CRAC微觀結(jié)構(gòu)影響Fig.14 Effect of low temperature action on the microstructure of CRAC

4 結(jié) 論

通過對(duì)低溫作用下不同再生骨料取代率及不同鋼纖維體積摻量的凈漿改性再生骨料混凝土(CRAC)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲性能加載試驗(yàn)，得到了不同溫度作用下CRAC的彎拉強(qiáng)度及荷載-撓度曲線，通過計(jì)算分析得到了CRAC等效彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性指標(biāo)；并提出低溫作用下再生混凝土的纖維增強(qiáng)效應(yīng)表達(dá)式，分析了低溫作用及纖維摻量對(duì)CRAC彎曲性能的影響，并通過SEM掃描CRAC微觀結(jié)構(gòu)，得到以下主要結(jié)論：

(1) 常溫狀態(tài)下CRAC彎拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加得到明顯提升，且在纖維摻量為1.5vol%時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，其最大可達(dá)0vol%纖維摻量的1.49倍，同時(shí)其彎拉強(qiáng)度隨溫度降低明顯提升，較常溫條件下最大可提升168%；

(2) 由于受CRAC孔隙水中冰晶生長(zhǎng)作用及水泥凈漿改性再生骨料(CRA)骨料特性影響，兩種再生骨料取代率下鋼纖維CRAC彎曲韌性隨溫度降低均呈先下降后上升的趨勢(shì)；其中，隨溫度進(jìn)一步降低再生骨料取代率為60wt%的CRAC耗能能力較30wt%更優(yōu)；

(3) 低溫作用下，摻入適量鋼纖維可有效提升CRAC彎曲性能，兩種再生骨料取代率下均在鋼纖維摻量為1.5vol%時(shí)其彎曲性能達(dá)到最佳增強(qiáng)效應(yīng)，且鋼纖維的摻入對(duì)60wt%CRAC增強(qiáng)效應(yīng)較30wt%更顯著；同時(shí)鋼纖維與CRAC具有良好協(xié)同作用，但隨溫度的降低，CRAC材料中孔隙水的冰晶生長(zhǎng)作用是影響其彎曲性能的主要因素。