掺钢纤维和矿渣的高性能再生混凝土性能研究

熊辉，刘洪辉 编译

(1.柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616； 2.西安公路研究院)

随着经济的发展，中国建筑垃圾及拆卸废弃物数量逐年增加，其中很大一部分废弃物来自于废弃混凝土结构。据统计，每年仅在欧盟各国就能产生3.2亿～3.8亿t建筑垃圾材料。采用再生混凝土骨料替代天然骨料，不仅可以节约资源，而且可以保护环境。

与天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土的性能较低，往往导致混凝土的物理、力学和耐久性能下降。然而，在再生骨料混凝土中掺入矿物掺合料，可使混凝土的性能与天然骨料混凝土(NAC)相当。近年来，由于环境保护意识的提高，矿物掺合料的使用大幅增加。较常见的矿物掺合料包括硅粉、粉煤灰和磨碎的粒状高炉炉渣(GGBS)等。将GGBS掺入到混凝土中可以降低混凝土的空隙率，改变混凝土的性能，进而改善混凝土的耐久性。

为此，该文针对掺钢纤维和矿渣的高性能再生混凝土性能进行研究，系统分析其对再生混凝土性能的影响规律，针对再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弯拉强度、吸水率、电阻率和收缩性能等进行评价。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料

水泥采用ASTM 1型硅酸盐水泥，比表面积300 m2/kg；矿渣比表面积474 m2/kg。两种胶凝材料的化学成分和物理性能见表1。

表1 胶凝材料的化学组成和物理性能

1.1.2 骨料

天然骨料由粗骨料和细骨料组成，质量比为1∶1，其中粗骨料为公称最大粒径19 mm的碎石，细骨料为细度模数为3.4的砂土。

再生混凝土粗骨料有两种，分别来自于抗压强度为40和80 MPa的混凝土，记为R40和R80。为了获得与天然粗骨料相似的级配曲线和最大骨料尺寸，碾碎后对再生粗骨料进行了筛选。

天然骨料和再生骨料的粒径分布见表2，其物理性能见表3。由表3可知：天然粗骨料比再生粗骨料密度高，吸水率低。其中，再生混凝土骨料附加砂浆的含量采用盐酸溶出法测定。

表2 集料级配

表3 天然和再生混凝土骨料的物理特性

1.1.3 减水剂

超增塑剂(减水剂)采用羧酸110M，其最高减水率达26%，推荐掺量为0.8%～1.2%。

1.1.4 钢纤维

钢纤维采用双钩端钢纤维，其技术指标见表4。

表4 钢纤维技术指标

1.2 配合比设计

共设计了20个试验方案，分为4个组：A、B、C、D，每组包括5种试验方案。针对B组和D组，用30%的磨细高炉矿渣(GGBS30)代替水泥胶结料，在C和D两组的高性能混凝土中掺加1%钢纤维。不同方案配合比中，胶结料掺量均为500 kg/m3，有效水胶比为0.3。具体试验方案见表5。

表5 试验方案设计

1.3 试验方法

1.3.1 强度

抗压强度试验参照标准ASTM C39进行，其试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，试件在标准条件下养生，利用万能试验机分别测试其7、28和90 d的抗压强度。

劈裂抗拉强度试验参照标准ASTM C496进行，试件尺寸为φ10 cm×20 cm的圆柱体，将试件养生至28 d后，利用万能试验机测试其劈裂抗拉强度。

弯曲强度试验参照标准BS EN 14651进行，试件尺寸为15 cm×15 cm×60 cm的长方体，将试件养生至28 d后，利用万能试验机测试其弯拉强度。

1.3.2 吸水率

吸水率试验参照标准ASTM C642进行，试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm的立方体，将试件养生7 d后，分别测试试件干燥前后的质量差，以此作为指标评价混凝土的吸水率。

1.3.3 比电阻率

采用交流阻抗法测定比电阻率，频率设定为1.0 kHz，电容设定为1.0 MΩ。试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm。首先将试件养生至规定龄期(7、28和90 d)，然后在试件表面干燥情况下对试样进行测试，求得其电阻率。

1.3.4 收缩

参照规范ASTM C157对棱柱试样进行自由收缩试验。试件尺寸为7.5 cm×7.5 cm×28.5 cm，首先将试件在相应模具内保湿24 h，用塑料板覆盖，之后进行脱模。将试件从模具内取出，并放入石灰饱和水中浸泡30 min，然后将试件从石灰水中取出，用湿布擦拭，并立即用比长仪测得其初始值。养生环境为相对湿度50%、温度为22 ℃，养生龄期为4、7、14、28、56、112、224和448 d后进行连续读数。

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

不同混合料的抗压强度结果如图1、2所示。

由图1、2可知：无论是再生骨料混凝土还是纤维增强再生骨料混凝土，其抗压强度均随着龄期的增长而增大；与天然骨料混凝土相比，采用抗压强度为80 MPa的混凝土做再生骨料后，其强度有所提高，而采用抗压强度为40 MPa的混凝土做再生骨料后，其抗压强度有所下降。与再生骨料混凝土相比，当掺加钢纤维后，再生混凝土的抗压强度显著提高。

图1 再生骨料混凝土抗压强度测试结果

由图1可知：当采用30%的矿渣等量替代水泥后，与对照组相比，其7、28 d的抗压强度有所下降，而90 d的抗压强度有所提高。由图2可知：对于纤维增强再生骨料混凝土，当采用30%的矿渣等量替代水泥后，与对照组相比，其7 d的抗压强度有所下降，而28、90 d的抗压强度基本不变。

无论是再生骨料混凝土还是纤维增强再生骨料混凝土，当采用抗压强度为80 MPa的混凝土做再生骨料，并替代50%天然骨料后，其抗压强度值最大。

2.2 劈裂抗拉强度和弯拉强度

不同混合料的28 d劈裂抗拉强度和弯拉强度如图3、4所示。

由图3可知：无论是再生骨料混凝土还是纤维增强再生骨料混凝土，当采用30%的磨细高炉矿渣等量替代水泥后，其劈裂抗拉强度均会提高。与再生骨料混凝土相比，掺加1%钢纤维后，可显著提高混合料的劈裂抗拉强度。与天然骨料混凝土相比，掺加1%钢纤维后，其劈裂抗拉强度可提高46%左右，最高可提高50%以上。图4中弯拉强度亦表现出相似的规律。

2.3 吸水率

对再生骨料混凝土在掺加矿渣与钢纤维前后的吸水率进行测试，试验结果如图5所示。

由图5可知：在混凝土中加入矿渣，可以显著降低其吸水率。在天然骨料混凝土中掺加30%矿渣，可以使混合物的吸水率降低12%。这可能是由于矿渣能够改善水泥基体的微观结构，减小孔隙尺寸，并中断孔隙的连接。除了矿渣的火山灰活性外，由于矿渣粒径小，其填充效应也可能会降低吸水率。

图4 再生骨料混凝土的28 d弯拉强度

图5 再生骨料混凝土28 d吸水率

纤维增强再生骨料混凝土的研究结果表明：纤维的加入对混凝土的吸水率有显著影响，加入1%的钢纤维可使混凝土吸水率降低29%，含1%钢纤维的再生骨料混凝土的吸水率比不掺钢纤维的再生骨料混凝土的吸水率降低23%。结果表明：纤维的加入限制了混凝土结构裂缝的形成和扩展，从而可以降低了其渗透性。

2.4 比电阻率

对不同龄期下的再生骨料混凝土进行电阻率测试，以评价混合料内钢筋的抗腐蚀性能，试验结果如图6所示。

图6 不同龄期再生骨料混凝土的比电阻率

由图6可知：随着养护龄期的增加，再生骨料混凝土的比电阻率比天然骨料混凝土的电阻率略有提高，R40-50和R80-50的90 d龄期比电阻率分别比其在7 d龄期时的电阻率提高138%和151%；而天然骨料混凝土的增幅为128%。其原因可能是受养护水分的影响以及额外C-S-H的形成，改善了混凝土的微观结构，减少了毛细孔结构。

在混凝土中加入矿渣可以显著提高混合料的比电阻率，特别是在养护后期(28、90 d)。在养护龄期为7、28和90 d时，在普通混凝土中加入矿渣后，其比电阻率分别提高56%、115%和132%。在再生骨料混凝土中加入钢纤维后，其比电阻率显著下降。当养生龄期为7、28和90 d时，R40-100-S1混合物的比电阻率分别比天然骨料混凝土降低89%、86%和84%。这可能是由于钢纤维的导电性大大降低了混凝土的电阻。

2.5 干燥收缩性能

干燥条件下的收缩试验结果如图7、8所示。再生骨料混凝土在56和448 d的相对收缩率如图9所示。

由图7～9可知：与天然骨料混凝土相比，掺加再生骨料后混凝土的收缩应变均增大；再生骨料掺量越大，其收缩率越高。当采用30%矿渣取代水泥后，混凝土在养生56 d后，其收缩应变降低11%以上。在混凝土中掺加1%钢纤维后，混凝土的收缩应变显著减小，表明纤维能有效抑制干燥收缩引起的裂纹扩展。与天然再生骨料相比，钢纤维在再生骨料混凝土中的抑制抗裂能力更优，在养生龄期为448 d时，钢纤维增强天然骨料混凝土相对收缩率降低10%，而钢纤维再生骨料混凝土的收缩率可降低15%左右。

图7 再生骨料混凝土在干燥条件下的收缩率

图8 纤维增强再生骨料混凝土在干燥条件下的收缩率

3 结论

研究了钢纤维和矿渣对不同强度等级、不同再生料掺量的高性能混凝土的力学性能和耐久性能的影响，得出以下结论：

(1) 在高性能混凝土中掺加RCA，会对混凝土的耐久性能产生不利影响，采用R40的再生混凝土骨料100%取代天然骨料，可使混凝土的吸水率和收缩率分别提高57%和68%，混凝土比电阻率下降49%。

(2) 随着养护龄期的增加，与天然骨料混凝土(NAC)相比，掺加50%R40和R80的再生骨料混凝土比电阻率显著增大，在7～90 d内，其电阻率分别提高了138%和151%，而NAC混凝土的电阻率提高了128%。

(3) 在混凝土中用30%GGBS取代水泥对混凝土的强度影响不大，而GGBS的加入使混凝土的吸水率和收缩率降低，混凝土的比电阻率显著提高。

(4) 在再生骨料混凝土中加入1%钢纤维可使劈裂抗拉强度提高60%，28 d弯拉强度提高88%。

(5) 随着钢纤维的加入，NAC的吸水率、收缩率和比电阻率在28 d时分别下降了29%、10%和77%，而再生骨料混凝土的吸水率、收缩率和比电阻率分别下降了23%、15%和86%。