钢纤维增强再生混凝土力学及收缩性能试验研究

吴全强1， 肖泽林， 李 舵

(1.湖南强邦土木技术有限公司， 湖南 长沙 410000; 2.长沙市公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 长沙 410205)

随着国民经济高速发展及基础建设行业的革新，使得越来越多的旧建筑物需要拆除改建，随之产生了大量的废旧建筑垃圾，以往建筑垃圾采取自然堆放的处理方式，不仅占用了大量土地资源，还带来严重的环境污染[1-3]。再生混凝土是目前废旧建筑垃圾处理的最有效途径之一，世界各国都比较重视再生混凝土的研发及推广应用，但由于普通再生混凝土存在强度低、脆性大等缺陷，从而限制了其在部分建筑工程的应用[4-5]。大量研究表明：钢纤维掺入混凝土能够显著提升其力学强度，但研究对象多为普通混凝土、轻骨料混凝土与UHPC混凝土，而关于钢纤维增强不同再生粗骨料取代率的再生混凝土性能方面的研究相对较少[6-8]。基于此，本研究以钢纤维和再生粗骨料取代率为变量，通过配比试验系统研究了钢纤维掺量对不同取代率的再生粗骨料混凝土力学性能及干燥收缩性能的影响规律，旨为废弃混凝土再生利用工程提供一定参考与借鉴。

1 试验材料及配合比设计

1.1 原材料

试验选用某水泥公司生产的海螺牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其各项性能指标均满足现行规范要求；粗骨料选用粒径均为5～25 mm的天然粗骨料和再生粗骨料，级配良好，其主要力学性质如表1所示；细骨料为中粗河砂，细度模数为2.46，表观密度为2 610 kg/m3；钢纤维为铣削型波浪状钢纤维；减水剂采用高效聚羧酸系减水剂，减水率达26%；拌合水为市政生活用水。

表1 粗骨料主要力学性质粗骨料表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)吸水性/%压碎值/%天然粗骨料2 7201 6100.858.4再生粗骨料2 5201 4605.2914.3

1.2 试验配合比设计

试验以C60普通高强度混凝土为基础，配合比为:m(C)∶m(W)∶m(S)∶m(G)=1∶0.33∶1.45∶2.37，水灰比为0.33，砂率为38%。混凝土中再生粗骨料取代率分别为0、30%、40%和50%，为了便于描述，将各试件分为NN0、RN30、RN40和RN50这4组，试验所用混凝土的配合比如表2所示。

表2 再生混凝土配合比组号水泥/kg·m-3 粗骨料/(kg·m-3)天然再生砂/kg·m-3 水灰比砂率/%水/kg·m-3 NN0 4701 11406810.3338155RN304707803346810.3338155RN404706684466810.3338155RN504705575576810.3338155

2 试验方案及方法

将钢纤维掺入各组混凝土中制备成钢纤维再生混凝土，其中钢纤维掺量分别为0.5%、1%、1.5%、2%，通过正交方式共设计了20种钢纤维再生混凝土组合方案,如表3所示。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中规程分别进行再生混凝土试件的立方体抗压、劈裂抗拉、抗折强度试验及干燥收缩试验，其中强度试验测试龄期均为28 d，干燥收缩试验测试龄期分别为7、14、28、60、90 d，干燥收缩试验中根据各试件的千分表读数，采用公式ε=(L0-Lt)/Lb(ε为试件在龄期t时的干燥收缩变化率；L0、Lt分别为试件的初始与龄期t时的长度读数，mm；Lb为试件的测量标距，mm)计算出各试件的干燥收缩率。各试验养护条件及试件尺寸如表4所示。

表3 钢纤维再生混凝土正交组合方案编号再生粗骨料取代率/%钢纤维掺量/%编号再生粗骨料取代率/%钢纤维掺量/%NN0SF000RN40SF0400NN0SF0.500.5RN40SF0.5400.5NN0SF101RN40SF1401NN0SF1.501.5RN40SF1.5401.5NN0SF202RN40SF2402RN30SF0300RN50SF0500RN30SF0.5300.5RN50SF0.5500.5RN30SF1301RN50SF1501RN30SF1.5301.5RN50SF1.5501.5RN30SF2302RN50SF2502

表4 再生混凝土养护条件及试件尺寸测试项目养护条件试件尺寸/mm抗压强度20 ℃+RH95%100×100×100抗拉强度20 ℃+RH95%100×100×100抗折强度20 ℃+RH95%100×100×400干燥收缩20 ℃+RH60%100×100×515

3 试验结果及分析

3.1 立方体抗压强度

不同钢纤维掺量条件下再生混凝土的立方体抗压强度试验实测结果如图1所示。

图1 再生混凝土抗压强度实测结果

由图1可知，再生混凝土的抗压强度大致均随着再生粗骨料取代率的增大呈逐渐减小变化趋势，其中在未掺钢纤维情形下，NN0、RN30、RN40、RN50组混凝土的抗压强度分别为62、57.8、57.3、54.3 MPa，说明再生粗骨料对混凝土抗压强度影响较为明显，原因是再生粗骨料自身存在界面结构及微细裂纹，导致再生混凝土的抗压强度降低。再生混凝土的抗压强度随着钢纤维掺量的增加能够达到甚至超过基准混凝土的水平，在钢纤维掺量为1.5%时，NN0、RN30、RN40、RN50组混凝土的抗压强度较未掺情形分别增长了7.4%、11.9%、7.3%、14.5%，说明钢纤维的掺入在一定程度上可以有效提升再生混凝土的抗压强度，原因是钢纤维表面呈波浪形状，使得纤维与再生混凝土结构间的粘结效应得到了充分发挥，同时钢纤维的弹性模量较高，能够很好地抵抗外界压力，故有利于提升再生混凝土的抗压强度。

3.2 劈裂抗拉强度

不同钢纤维掺量条件下再生混凝土的劈裂抗拉强度试验实测结果如图2所示。

图2 再生混凝土劈裂抗拉强度实测结果

由图2可知，随着再生粗骨料的增加，钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度大致呈逐渐下降变化趋势，在未掺钢纤维情形下NN0、RN30、RN40、RN50组混凝土的劈裂抗拉强度分别为3.81、3.69、3.68、3.36 MPa，其中RN30和RN40组混凝土的劈裂抗拉强度较NN0组降低了3.5%左右，而RN50组混凝土较NN0组则降低了11.8%，说明再生粗骨料取代率低于40%时能够得到大致与基准混凝土相似的劈裂抗拉强度。随着钢纤维掺量的增加，RN30、RN40、RN50组混凝土的劈裂抗拉强度均逐渐增大，当钢纤维掺量达1.5%时，再生混凝土的劈裂抗拉强度能够达到甚至超过基准混凝土的水平，NN0、RN30、RN40、RN50组混凝土的劈裂抗拉强度较未掺情形分别增长了24.7%、17.1%、8.2%、17%，说明钢纤维在一定程度上能够提升再生混凝土的劈裂抗拉强度，原因是钢纤维杂乱分布于混凝土结构内，不仅可以抑制裂纹的扩展，还能削弱界面过渡区的应力集中，从而增强了再生混凝土的劈裂抗拉强度。

3.3 抗折强度

不同钢纤维掺量条件下再生混凝土的抗折强度试验实测结果如图3所示。

图3 再生混凝土抗折强度实测结果

由图3可知，随着再生骨料取代更多的天然骨料，混凝土的抗折强度大致呈降低变化趋势，在未掺钢纤维情形下RN30、RN40、RN50组混凝土的抗折强度分别为5.38、5.58、4.73 MPa，较NN0组分别降低了17.2%、14.2%、27.2%。随着钢纤维掺量的增加，各组再生混凝土的抗折强度均出现明显增大，在钢纤维掺入后再生混凝土的抗折强度均超过了基准混凝土的水平，说明钢纤维可以有效提升再生混凝土的抗折强度，原因是钢纤维的高粘结、高牵拉和高弹模特性得到充分发挥，使再生混凝土的抗折强度得到提高。

3.4 干燥收缩

不同钢纤维掺量条件下再生混凝土在7～180 d龄期时的干燥收缩率试验结果如图4所示。

由图4可知，在相同钢纤维掺量情况下，再生混凝土的干燥收缩率随着再生骨料或龄期的增大逐渐增大，而相同再生骨料和龄期情形下，混凝土的干燥收缩率随着钢纤维掺量的增大呈先减小后增大变化，其中钢纤维掺量低于1.5%时，不同龄期再生混凝土的干燥收缩率均逐渐下降；当钢纤维掺量为1.5%时，再生混凝土的干燥收缩率均降到最小值，NN0、RN30、RN40、RN50组90 d龄期的干燥收缩率分别为2.23×10-4、4.05×10-4、5.17×10-4、7.11×10-4；当钢纤维掺量超过1.5%后，干燥收缩率反而有所增大。由干燥收缩试验结果可知，合理的钢纤维掺量可以有效抑制再生混凝土的干燥收缩，原因是钢纤维随机分散于混凝土的内部，能在一定程度上削弱毛细孔道内的收缩应力，导致其干燥收缩率下降；但钢纤维过量会形成大量的界面结构，使得纤维粘结效果出现明显降低，故混凝土的干燥收缩率反而增大。

图4 再生混凝土干燥收缩率实测结果

4 结语

1) 再生混凝土的力学强度整体上随着再生粗骨料的增加逐渐降低，而干燥收缩则随之逐渐增大。

2) 钢纤维具有高粘结、高牵拉和高弹模等特性，掺入适量的钢纤维可有效提升再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，同时还能抑制再生混凝土的干燥收缩。

3) 钢纤维过量会造成纤维的粘结作用降低，导致再生混凝土的强度及收缩性能下降。

4) 综合再生混凝土的力学性能和收缩性能考虑，钢纤维的合理掺量为1.5%左右；将钢纤维掺入再生粗骨料取代率低于40%的再生混凝土中，能够得到大致与普通混凝土相似的强度及收缩水平。