钢纤维再生混凝土抗拉试验研究

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(太原太工天昊土木工程检测有限公司，山西 太原 030024)

引言

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)是指将废弃的混凝土经过机械破碎、清洗、分级后，按照一定的比例与级配混合，部分或者全部代替天然粗细骨料，再加入水泥、水等拌和而成的新型混凝土[1]。再生混凝土从根本上解决了废弃混凝土的处理问题，节约了天然骨料资源，具有显著的社会、经济和环境效益[2]。再生混凝土在破碎过程中，使得再生骨料棱角过多，针状再生骨料所占面积过大，并且破碎过程中产生大量的内部横向裂缝，使得再生混凝土强度降低[3]。

在再生混凝土中适量掺入钢纤维，可以增强其抗拉、抗折、抗弯和抗剪等性能。由于直接进行混凝土的轴心抗拉试验很繁琐，因此大多数的研究是采用劈裂抗拉试验取代轴心抗拉试验。由于现行的钢纤维再生混凝土(Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete，SFRAC)试验方法仍沿用劈裂抗拉强度来确定轴心抗拉强度，但并未说明如何将劈裂抗拉强度换算成钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度。因此，本文设计了一种新型的钢纤维再生混凝土轴心抗拉试件——哑铃型试件，在普通试验机上获得混凝土的轴心抗拉强度[4]。

1 试验简介

1.1 试件制作及配合比

钢纤维再生混凝土轴心抗拉试验采取简单易行的端部粘胶的办法。采用精确加工的钢板，使试件的受拉端在钢板几何中心并且垂直于钢板，试件和钢板尺寸如图1所示。试件端部尺寸为150 mm×150 mm，中间尺寸为100 mm×100 mm。由于钢板与试件接触面积较大，钢板和试件不至于当拉力过大时在粘胶面断裂，胶的粘结力大于混凝土抗拉力。劈裂抗拉试验和轴心抗拉试验每组3个试件，共5组，劈裂抗拉试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。试件在试模内成型，在振动台上振捣密实，1 d后拆模，标准养护28 d后进行试验。

图1 钢纤维再生混凝土轴心抗拉试件示意图

钢纤维再生混凝土配合比见表1。水泥采用山西文水生产的P·O 42.5水泥；砂为山西汾阳普通河砂，细度模数为2.92；再生粗骨料为太原市某小区拆迁废弃混凝土，粒径5～20 mm；天然粗骨料为太原某石场破碎的石子，粒径5～20 mm；减水剂为高性能聚羧酸减水剂；钢纤维为郑州禹建钢纤维有限公司生产的铣削型钢纤维，产品特性见表2；受拉端钢板和试件粘结所用胶为南京天力信粘钢胶。本试验的钢纤维掺量按钢纤维体积含量分别为0%、0.3%、0.5%、0.7%和1%，用再生粗骨料替代30%的天然粗骨料。

表1 钢纤维再生混凝土配合比1) kg/m3

表2 钢纤维特性参数

1.2 试验方法

轴心抗拉试验主要采用1台液压万能试验机进行。用试验机的上端紧紧夹住试件的上部受拉端，试验机下端调整至适当位置夹紧试件下部固定端，保证试件的上下受拉端和试验机的紧固端在一条直线上。为安全起见，试验机加载为位移控制，加载速度为0.01 mm/s。

2 试验结果分析

2.1 轴心抗拉强度计算

钢纤维再生混凝土的受拉试验结果见表3。

表3 钢纤维再生混凝土受拉试验结果

钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度与混凝土中钢纤维的含量有关。将表3中钢纤维再生混凝土轴心抗拉强度fft与钢纤维含量特征值λf的关系绘于图2。

图2 fft/ft与λf的关系

由图2可以看出，钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度与钢纤维含量的特征值呈较好的线性关系。通过试验数据的线性回归，得到钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度计算公式为：

fft=ft(1+0.46λf)

(1)

式中：fft——钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度，N/mm2；ft——基准组(对照组)混凝土轴心抗拉强度，N/mm2；λf——钢纤维的含量特征值。

混凝土的相关系数为0.961。

2.2 劈裂抗拉强度计算

将表3中的劈裂抗拉强度ffts与钢纤维含量特征值λf的关系绘于图3。

图3 ffts/fts与λf的关系

由图3可以看出，钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度与钢纤维含量特征值呈三段式关系。通过试验数据回归分析，得到钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度计算公式为：

ffts=fts(1+0.96λf)

(2)

式中：ffts——钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度，N/mm2；fts——普通混凝土的劈裂抗拉强度，N/mm2；λf——钢纤维的含量特征值。

混凝土的相关系数为0.887。

2.3 钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的分析

比较(1)式与(2)式不难看出，钢纤维的含量特征值的变化对钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的增强效果不同，钢纤维对劈裂抗拉强度的增强效果大于对轴心抗拉强度的增强作用。其原因可能是在劈裂抗拉时，受荷端的劈裂面上的钢纤维承受压剪两个方向的作用，相当于对劈拉区施加了约束，形成了边壁效应，随着钢纤维含量特征值的增大，边壁效应的约束作用也同时增大，使得钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度远大于轴心抗拉强度；而在钢纤维再生混凝土轴心受拉时，钢纤维只受拉力作用，因此轴心抗拉强度增长值没有劈裂抗拉强度增长值明显。

2.4 钢纤维体积分数对再生混凝土轴心抗拉强度的影响

由图2可见，随着再生混凝土中钢纤维掺量的增加，其轴心抗拉强度也随之增长，与钢纤维普通混凝土相比，钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度增长更为明显。这是由于再生混凝土中再生骨料裂缝和空隙对其抗拉强度有较大影响，掺入适量的钢纤维可以改善再生混凝土的这些缺陷，提高其轴心抗拉强度。

2.5 钢纤维体积分数对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响

由图3可见，随着再生混凝土中钢纤维掺量的增加，劈裂抗拉强度也随之增长，劈裂抗拉强度比基体混凝土增长得更多。其原因可能是在劈裂抗拉时，钢纤维受到竖向和横向两个方向的力，因此其劈裂抗拉强度远远大于普通混凝土的劈裂抗拉强度和钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度。

3 结论

3.1 本试验采用了一种新型的轴心抗拉试件，采用粘胶法固定受拉端与试件。试验表明，两端端头混凝土与钢板的胶结力大于试件的轴拉力。

3.2 钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度，均随着钢纤维体积分数的增大而提高。钢纤维对再生混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的增强效果显著。当钢纤维的体积分数从0%增加至1%时，轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度分别增长22%和70.8%。

3.3 钢纤维再生混凝土的轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值呈线性增长的关系，劈裂抗拉强度基本呈三段式线性增长的关系。钢纤维的含量特征值在0.2～0.4之间时，劈裂抗拉强度增长较快，含量特征值在0.5时达到顶峰。但是，钢纤维对再生混凝土轴心抗拉强度的影响系数远小于钢纤维对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响系数。

参考文献：

[1] 张丽娟，高丹盈，朱海堂，等.钢纤维再生混凝土劈拉强度试验研究[J].华北水利水电学院学报，2013，34(1)：27-31.

[2] 邓寿昌，王正平，张学兵，等.建筑固体废弃物的循环利用与再生资源的可持续发展[A].首届全国再生混凝土研究和应用学术交流会论文集[C].中国土木工程学会，2008.

[3] 肖建庄，李佳彬，兰阳.再生混凝土技术研究最新进展与评述[J].混凝土，2003(10)：17-20，57.

[4] GB/T 50081—2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.