鋼纖維增強(qiáng)堿礦渣再生骨料混凝土的力學(xué)性能

摘要"堿礦渣再生混凝土是以堿激發(fā)膠凝材料替代水泥、再生骨料取代天然石子制備而成的新型混凝土，能有效降低波特蘭水泥用量，提高廢棄混凝土利用率，但尚未見(jiàn)對(duì)其力學(xué)性能的相關(guān)研究。為研究堿礦渣再生混凝土的基本力學(xué)性能，以鋼纖維取代率和再生骨料取代率為主要試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，堿礦渣再生混凝土的抗壓強(qiáng)度f_cu、劈裂抗拉強(qiáng)度f_t和抗折強(qiáng)度f_w均降低，再生粗骨料取代率為100%時(shí)的降低幅度分別為30%、10%、15%；堿礦渣再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積取代率增加先提高后降低，鋼纖維體積取代率為0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值；堿礦渣再生混凝土抗折強(qiáng)度隨鋼纖維體積取代率增加而增加。

關(guān)鍵詞"再生骨料混凝土;"抗壓強(qiáng)度;"抗拉強(qiáng)度;"抗折強(qiáng)度;"鋼纖維;"體積取代率

水泥生產(chǎn)消耗大量的化石燃料，排放大量的二氧化碳，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥生產(chǎn)碳排放量約占全球碳排放總量的7%，因此，尋找可替代水泥的建筑材料具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值^[1-3]。堿礦渣混凝土（alkali-activated slag concrete，AASC）是以廢棄礦渣為膠凝材料，以氫氧化鈉和水玻璃等為堿性激發(fā)劑制備而成的混凝土^[4-5]。堿礦渣混凝土可以有效利用廢棄礦渣，是綠色建材未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一^[6-8]?；炷翉U塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗和篩分等工序后，制成再生粗骨料。由再生粗骨料制作而成的混凝土稱為再生混凝土（recycled aggregate concrete，RAC）。RAC用于工程建設(shè)，既可以緩解天然骨料短缺的問(wèn)題，又可以對(duì)建筑廢棄物進(jìn)行合理利用，符合建筑業(yè)綠色、環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展方向^[9-10]。堿礦渣再生混凝土（alkali-activated slag recycled aggregate concrete，AAS-RAC）是以堿激發(fā)礦渣為膠凝材料，以再生骨料為粗骨料制備而成的新型混凝土，可充分利用堿礦渣膠凝材料和再生骨料的優(yōu)勢(shì)，是可持續(xù)發(fā)展的綠色建材之一。

與普通混凝土相比，AASC具有凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定強(qiáng)、耐火性能強(qiáng)^[11]、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)^[12-14]。Laskar等^[15]研究表明，AASC的凝結(jié)速度遠(yuǎn)快于普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為11、21 min。Atis等^[16]發(fā)現(xiàn)，AASC具有早強(qiáng)和快硬的特點(diǎn)，在115 ℃熱養(yǎng)護(hù)的條件下，AASC的24 h強(qiáng)度最高可達(dá)120 MPa。Pan等^[17]研究發(fā)現(xiàn)，AASC在200 ℃和400 ℃下抗壓強(qiáng)度增加約22%和15%。Palomo等^[18]指出，堿礦渣砂漿在浸入各種侵蝕性溶液（去離子水、硫酸鈉溶液和硫酸）中時(shí)性能非常穩(wěn)定。雖然AASC具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其同樣存在收縮大、韌性差的缺點(diǎn)^[19]。Duran等^[20]研究發(fā)現(xiàn)，堿礦渣砂漿的收縮是普通硅酸鹽水泥的3～6倍。這是由于AAS生成的水化硅酸鈣（C-S-H）密度較高，使得AASC試件的體積變小，多余水分流失，進(jìn)而增加了AASC干燥收縮^[21]。AASC由于其材料內(nèi)部廣泛存在微裂縫，表現(xiàn)出較高的脆性^[22]。為降低AASC收縮，增加其延性，研究者做了大量的努力，通常的做法為在AASC中摻入纖維^[23-24]。Zhou等^[25]研究表明，玄武巖纖維對(duì)強(qiáng)度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維。Zhang等^[26]將0.5%含量的聚丙烯纖維摻入后，試件的早期抗壓強(qiáng)度在第1天和第3天分別提高至68%和20%。Bernal等^[27]將SF摻入AASC內(nèi)，其研究表明，當(dāng)SF體積含量為1.5%時(shí)，AASC的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了24%和38%。與天然骨料相比，再生骨料內(nèi)部存在更多的孔隙，其表觀密度更低，壓碎值更高^[28]，因此，與普通混凝土相比，RAC的強(qiáng)度明顯降低。為了改善RAC的力學(xué)性能，提高其在工程中的泛用性，許多學(xué)者進(jìn)行了嘗試。肖建莊等^[29]采用熱處理去除再生骨料表層黏附的殘留砂漿，研究表明，處理后再生骨料的殘留砂漿含量、吸水率和壓碎指標(biāo)分別降低了8.2%、1.9%和4.3%。Katkhuda等^[30]利用酸處理去除其表面附著的砂漿，同時(shí)加入玄武巖纖維，RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了40.17%和82.65%。

AAS-RAC具有AASC和RAC優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在脆性較大和強(qiáng)度較低的問(wèn)題。筆者通過(guò)摻入鋼纖維來(lái)改善AAS-RAC的力學(xué)性能，制備了8組共72個(gè)不同配比的AAS-RAC試件，研究再生骨料取代率和鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度f_cu、劈裂抗拉強(qiáng)度f_t和抗折強(qiáng)度f_w的影響。

1"試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1"試驗(yàn)材料

?；郀t礦渣的比表面積和比重分別為440"m²/kg和2.45，平均粒徑為2.4 μm，其化學(xué)成分和粒度分布圖分別見(jiàn)表1和圖1。粗骨料采用再生骨料。細(xì)骨料選用河沙，細(xì)度模量為2.6，容重為2 480 kg/m³。天然粗骨料選用碎石，粒徑范圍為5～25 mm，容重為2 620 kg/m³。試驗(yàn)中的水均采用天津市自來(lái)水。

堿激發(fā)劑由液態(tài)硅酸鈉、固體氫氧化鈉組成，激發(fā)劑中SiO₂和Na₂O的摩爾比為1.7，堿激發(fā)劑中含水量為56%。固體NaOH的純度為96%。試驗(yàn)選取鋼纖維以用來(lái)改善堿礦渣再生骨料混凝土的力學(xué)性能。鋼纖維由蘇州史尉康金屬制品有限公司提供，纖維的詳細(xì)力學(xué)性能如表2所示。

1.2"試件設(shè)計(jì)及配合比

制作8種不同配比的堿礦渣再生混凝土試件。試件設(shè)計(jì)考慮了鋼纖維體積取代率（0、0.3%、0.6%、0.9 %）和再生骨料取代率（0、25%、50%、75%、100%）的影響。具體試件設(shè)計(jì)及配合比如表3所示，表中組別由3部分組成：纖維/鋼纖維體積取代率/再生骨料取代率。以S/0.3/100為例，表示鋼纖維體積取代率為0.3%，再生骨料取代率為100%。每組試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均取3個(gè)同條件試件的平均值。

AAS-RAC試件制備時(shí)，首先將再生骨料與部分水混合，進(jìn)行預(yù)濕處理；其次將液態(tài)Na₂SiO₃、固態(tài)NaOH和水按比例均勻混合；再次將預(yù)濕后再生骨料、礦粉、砂置于攪拌機(jī)中均勻攪拌60 s；隨后加入堿性激發(fā)劑，并均勻攪拌60 s；最后將混合物置于試模內(nèi)，放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s。為防止試件中的水分蒸發(fā)影響試件性能，將試件用塑料薄膜完全密封，放于溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（90±2）%的養(yǎng)護(hù)室，直至試驗(yàn)開(kāi)始。

1.3"試驗(yàn)方法

對(duì)AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。立方體受壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)按《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）^[31]進(jìn)行，立方體抗壓試驗(yàn)加載速率為0.6 MPa/s，劈裂抗拉試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)加載速率為0.06 MPa/s。

2"試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1"AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度

2.1.1"再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對(duì)AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)，AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度最低，為47.7 MPa。以天然骨料為粗骨料的堿礦渣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度最高，為67.4 MPa。且隨著再生骨料取代率的增加，AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度降低。再生骨料取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度分別比天然骨料混凝土低7.2%、10.5%、24.8%、30.3%。這是由于再生骨料的強(qiáng)度低于天然骨料，隨著低強(qiáng)度骨料的摻入，AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度降低。Nazarimofrad等^[32]研究指出，再生骨料強(qiáng)度對(duì)RAC抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。再生骨料在制作時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微裂縫，這使得RAC孔隙率增大，受壓時(shí)在裂縫空隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中^[33]，進(jìn)而降低了AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度。

2.1.2"鋼纖維體積取代率的影響

試驗(yàn)研究表明，鋼纖維的摻入可有效增加AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度。為研究鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度的影響，將不同鋼纖維體積取代率試件立方體抗壓強(qiáng)度列于圖3。可以看出，隨鋼纖維體積取代率的提高，AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度先增加后降低，相比未摻纖維AAS-RAC立方體抗壓強(qiáng)度，鋼纖維體積取代率為0.3%、0.6%、0.9%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度的提高37%、51%、41%。適量的鋼纖維可以提高立方體抗壓強(qiáng)度，過(guò)量則會(huì)降低。主要原因?yàn)檫m量的鋼纖維可有效抑制AAS-RAC試件內(nèi)部微裂縫發(fā)展，進(jìn)而增加了混凝土強(qiáng)度。過(guò)多的鋼纖維摻入易在混凝土內(nèi)部成團(tuán)，無(wú)法均勻分布，成團(tuán)的鋼纖維周圍存在空隙，進(jìn)而降低了堿礦渣再生骨料的立方體抗壓強(qiáng)度^[34]。

2.2"AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.1"再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對(duì)AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖4所示。可以看出，與沒(méi)有摻入再生骨料的AAS-RAC相比，再生骨料取代率為25%、50%、75%和100%時(shí)，AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了0.5%、1.8%、1.9%和9.7%。對(duì)混凝土廢塊進(jìn)行二次處理過(guò)程中，再生骨料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生許多微裂縫，進(jìn)而降低了AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度^[35]。隨著再生骨料取代率的增加，AAS-RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度減小，這是由于骨料強(qiáng)度降低，從而降低了AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度，但減小幅度不大。張麗娟^[36]對(duì)不同配比的鋼纖維再生混凝土進(jìn)行研究，結(jié)果表明，再生骨料取代率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響最小，鋼纖維體積率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響顯著。

2.2.2"鋼纖維體積取代率的影響

鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示。可以看出，與無(wú)鋼纖維的AAS-RAC相比，鋼纖維體積取代率為0.3%、0.6%、0.9%的AAS-RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了10%、60%、43%。章文嬌等^[37]試驗(yàn)表明，將鋼纖維摻入再生混凝土中，可顯著增強(qiáng)其劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)摻量為117 kg/m³時(shí)，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)率達(dá)49.2%。Afroughsabet等^[38]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將1%的鋼纖維分別摻入再生混凝土和普通混凝土中，鋼纖維的摻入對(duì)RAC劈裂強(qiáng)度的提升效果更為顯著，這是由于鋼纖維與再生骨料之間產(chǎn)生了更強(qiáng)的黏結(jié)力。但過(guò)量加入鋼纖維會(huì)對(duì)AAS-RAC的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，這與鋼纖維對(duì)AAS-RAC抗壓強(qiáng)度的影響類似。混凝土在外部荷載作用下產(chǎn)生縱向和橫向變形，隨著外部荷載增加，試件中部的橫向變形達(dá)到混凝土的極限值產(chǎn)生縱向裂紋，當(dāng)試件中部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變混凝土發(fā)生破壞^[39]。而混凝土劈裂抗拉破壞同樣為試件劈裂中截面混凝土受拉破壞^[40]，因此，鋼纖維對(duì)AAS-RAC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有類似的影響。

2.3"AAS-RAC抗折強(qiáng)度

2.3.1"再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對(duì)AAS-RAC抗折強(qiáng)度的影響如圖6所示?？梢钥闯觯偕橇先〈实脑黾訒?huì)使AAS-RAC抗折強(qiáng)度降低。再生骨料取代率為25%、50%、75%、100%時(shí)，AAS-RAC抗折強(qiáng)度分別降低了6.7%、9.7%、11.7%、15.3%。這是因?yàn)樵偕橇系膹?qiáng)度遠(yuǎn)低于天然骨料，這與再生骨料對(duì)AAS-RAC抗壓強(qiáng)度的影響相似。秦紅杰 ^[41]研究指出，再生混凝土試件的破壞裂縫通常穿過(guò)再生骨料發(fā)展，再生骨料的初始損傷使再生骨料強(qiáng)度較天然骨料低，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫會(huì)貫穿再生骨料，導(dǎo)致再生混凝土抗折強(qiáng)度降低。

2.3.2"鋼纖維體積取代率的影響

鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC抗折強(qiáng)度的影響如圖7所示?？梢杂^察到，隨著鋼纖維體積取代率的增加，AAS-RAC抗折強(qiáng)度增加。當(dāng)鋼纖維體積取代率為0.9%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大為5.16 MPa，比無(wú)纖維AAS-RAC提高22.9%。霍俊芳等^[42]研究發(fā)現(xiàn)，RAC的抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維體積取代率的增加而增加，當(dāng)鋼纖維體積取代率分別為0.5%、1.5%、2%時(shí)，抗折強(qiáng)度分別增加17.0%、26.4%、34.0%。鋼纖維可以有效抑制堿礦渣再生骨料混凝土試件內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)鋼纖維可橋接于AAS-RAC材料內(nèi)部微裂縫兩側(cè)，進(jìn)而限制了微裂縫的發(fā)展和延伸，提高AAS-RAC抗折強(qiáng)度^[43-44]。

2.4"機(jī)理分析

2.4.1"再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對(duì)AAS-RAC基本力學(xué)性能的影響如圖8所示，其中，f為試件的強(qiáng)度，f_N0為再生骨料取代率為0時(shí)試件的強(qiáng)度。從圖8可以看出，3條曲線的趨勢(shì)較為一致，立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著再生骨料取代率的增加而降低。這是由于AAS-RAC與普通混凝土的破壞形態(tài)存在一定差異，普通混凝土的破壞為界面過(guò)渡區(qū)微裂縫開(kāi)展及延伸導(dǎo)致的最終破壞。而再生粗骨料力學(xué)性能弱于天然粗骨料，導(dǎo)致堿礦渣再生混凝土除界面過(guò)渡區(qū)微裂縫破壞，還存在大量貫穿粗骨料材料內(nèi)部的破壞。同時(shí)可以看出，再生粗骨料取代率對(duì)AAS-RAC抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響最小，當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了30.3%和9.7%。

2.4.2"鋼纖維體積取代率的影響

鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC基本力學(xué)性能的影響如圖9所示，其中f為試件的強(qiáng)度，f_S0為未摻鋼纖維試件的強(qiáng)度。從圖9可以看出，鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響效果較為一致，均為先增加后降低。適量的鋼纖維可橋接于裂縫兩側(cè)，有效抑制AAS-RAC試件內(nèi)部微裂縫發(fā)展延伸，進(jìn)而增加了混凝土強(qiáng)度^[45]。當(dāng)摻入過(guò)多的鋼纖維時(shí)，鋼纖維在AAS-RAC內(nèi)部出現(xiàn)成團(tuán)的現(xiàn)象，成團(tuán)的鋼纖維使得混凝土中孔洞的數(shù)量和大小增加，進(jìn)而降低了AAS-RAC的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度隨鋼纖維體積取代率的增加而增加。主要原因是鋼纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土，而抗折破壞的實(shí)質(zhì)為試件受拉區(qū)混凝土受拉破壞導(dǎo)致，高強(qiáng)度、高彈模的鋼纖維搭接于開(kāi)裂混凝土兩側(cè)，混凝土開(kāi)裂后可繼續(xù)承擔(dān)拉應(yīng)力，進(jìn)而增加了AAS-LWAC抗折強(qiáng)度。同時(shí)可以看出，鋼纖維體積取代率對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，對(duì)抗折強(qiáng)度的影響最小，雖然纖維的摻入會(huì)使AAS-RAC的抗折強(qiáng)度不斷增加，但在鋼纖維體積取代率為0.9%時(shí)，抗折強(qiáng)度的增加幅度小于劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度。

3nbsp;結(jié)論

研究了堿礦渣再生粗骨料混凝土抗壓性能、劈裂抗拉性能和抗折性能，考慮了再生粗骨料取代率和鋼纖維體積取代率對(duì)其力學(xué)性能影響，主要結(jié)論如下：

1）AAS-RAC抗壓強(qiáng)度f_cu、劈裂抗拉強(qiáng)度f_t和抗折強(qiáng)度f_w均隨再生粗骨料取代率增加而降低。這是由于再生粗骨料內(nèi)部存在原始界面過(guò)渡區(qū)，表面存在大量微裂縫，這使得再生粗骨料力學(xué)性能較弱，進(jìn)而降低了AAS-RAC力學(xué)性能。

2）適量鋼纖維會(huì)提高AAS-RAC抗壓強(qiáng)度f_cu和劈裂抗拉強(qiáng)度f_t，但過(guò)量鋼纖維反而會(huì)降低AAS-RAC的f_cu和f_t。這是由于適量鋼纖維可橋接于荷載作用下產(chǎn)生的微裂縫兩側(cè)，進(jìn)而抑制了微裂縫發(fā)展及延伸，提高了AAS-RAC強(qiáng)度。過(guò)量鋼纖維易在混凝土材料內(nèi)部產(chǎn)生團(tuán)簇效應(yīng)，進(jìn)而降低了AAS-RAC強(qiáng)度。

3）與鋼纖維對(duì)AAS-RAC抗壓強(qiáng)度f_cu和劈裂抗拉強(qiáng)度f_t影響不同，鋼纖維體積取代率小于0.9%時(shí)，AAS-RAC抗折強(qiáng)度f_w隨鋼纖維體積取代率的增加而提高。這是由于AAS-RAC抗折破壞為試件受拉區(qū)混凝土受拉失效破壞，發(fā)展較為迅速，而受拉區(qū)鋼纖維橋接于裂縫兩側(cè)，抑制受拉區(qū)裂縫開(kāi)展，同時(shí)可替代受拉區(qū)開(kāi)裂混凝土承受部分拉應(yīng)力，進(jìn)而提高了AAS-RAC的抗折強(qiáng)度f_w。

4）再生粗骨料取代率對(duì)AAS-RAC的抗壓強(qiáng)度f_cu的影響最為顯著，而對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度f_t的影響最弱。鋼纖維體積取代率對(duì)AAS-RAC抗壓強(qiáng)度f_cu的影響最為顯著，其次為劈裂抗拉強(qiáng)度f_t，而對(duì)抗折強(qiáng)度f_w影響最弱。

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