回收轮胎钢纤维再生骨料混凝土基本力学性能试验研究

范小春，张雯静，梁天福，陈凯风

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070；2.武汉地铁集团建设事业总部，武汉 430000)

0 引 言

资源节约型社会是我国贯彻落实科学发展观的战略部署之一。欧洲委员会统计数据表明：建筑垃圾占欧洲每年产生的全部废弃物的三分之一(10亿t)[1]。再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete， RAC)作为一种新型的混凝土材料，能够在一定程度上缓解因大量建筑垃圾而产生的环境污染及资源浪费问题。因此研究再生骨料混凝土的可替代性就变得极为重要。国外学者Amer等[2]研究了不同水灰比下干燥再生骨料与吸水饱和的再生骨料对混凝土可加工性能的影响。试验结果表明，在相同水灰比下，掺入干燥再生骨料的混凝土流动性最差，其坍落度较普通混凝土最大降低为76%，而加入吸水饱和的再生骨料后，其流动性与普通混凝土无明显差异。李琼等[3]探究了再生骨料的颗粒级配对混凝土抗压强度的影响。研究发现，RAC的后期抗压强度增幅较大，当再生骨料级配为5.0～20.0 mm时,RAC抗压强度在不同养护龄期下均低于普通混凝土。霍洪媛等[4]对不同强度等级的再生骨料对混凝土力学性能的影响展开了研究。试验发现，随着再生骨料取代率的升高，混凝土抗压强度整体呈现下降趋势，且再生骨料强度等级越低，降低幅度越明显。再生骨料较低的研磨强度与较强的吸水能力是造成RAC力学性能偏低的主要原因[5]。为了弥补因再生骨料引起的混凝土力学性能损失，国内外研究学者开展了大量且细致的研究。其中在RAC中添加纤维材料，利用纤维材料优越的桥接、增韧能力来增强RAC的力学性能被认为是较常见的方法[6]。Matar[7]、何文昌[8]等研究了聚丙烯纤维(polypropylene fiber， PPF)对RAC力学性能的影响。试验结果表明，PPF对RAC抗压强度的影响效果并不明显，但由再生骨料表面的残余砂浆引起的混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度的损失在很大程度上可以由PPF的加入得到补偿。姚运[9]、Ali[10]等发现玻璃纤维(glass fiber， GF)的加入能够在一定程度上提高RAC的力学性能，其中当再生骨料取代率为50%、GF的体积掺量为0.25%时，RAC的劈裂抗拉强度和抗折强度均要高于普通混凝土。黄伟等[11]发现再生骨料取代率不超过50%时，加入工业钢纤维(industrial steel fiber， ISF)后混凝土抗压与抗折强度均能得到较显著的改善。而当再生骨料取代率超过50%时，混凝土基体强度降幅明显，ISF的增强增韧效果得不到充分发挥。

然而，生产常规纤维耗能大且对环境会造成不同程度的污染。回收轮胎钢纤维(recycled tyre steel fiber， RTSF)作为一种回收再利用材料，具有和工业钢纤维相近的物理及化学性能，在近几年中被广泛研究。Aiello[12]、Hu[13]等发现RTSF能够在一定程度上增强混凝土抗压强度，随RTSF体积掺量的改变，其对混凝土抗压强度的提升幅度约在3%～25%。Zamanzadeh等[14]对RTSF增强混凝土梁进行三点弯曲试验，试验结果表明，RTSF对混凝土抗弯强度有显著的增强效果，且能起到限制裂缝开展及增韧的作用。Caggiano等[15]发现RTSF对混凝土劈裂抗拉强度的改善效果与工业钢纤维基本一致。总之，RTSF对普通混凝土的部分力学性能有较好的增强效果。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.10×103kg/m3，其主要化学成分见表1。细骨料采用最大粒径为4.75 mm的天然河砂，细度模数为2.89，密度为2.56×103kg/m3；粗骨料采用粒径为5～10 mm的花岗岩；再生骨料采用某路面的废弃混凝土，经碎石机破碎后，筛分粒径范围为5～10 mm且具有连续级配的再生骨料。骨料扫描电镜照片见图1。减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸高效减水剂。RTSF采用上海井涵橡塑制品有限公司的产品，其长度分布情况见图2。RTSF形貌、物理及力学性能见表2。

图2 RTSF长度分布频率图Fig.2 Length distribution frequency of RTSF

表1 胶凝材料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cementing materials

表2 RTSF物理和力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of RTSF

试验设计时以RTSF体积掺量和再生骨料取代率为主要研究对象，RTSF体积掺量Vf分别为0%、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%；再生骨料以等质量取代天然骨料的方式加入，取代率ρr分别为0%、50%、75%和100%。普通混凝土(plain concrete, PC)试件按强度等级C50设计。试验设计了1组PC试件、3组再生骨料混凝土试件、4组RTSF再生骨料混凝土试件，共8组。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm。所有混凝土试件均在标准养护条件下养护7 d或28 d，待达到养护龄期后进行后续试验，混凝土试验配合比见表3。

表3 混凝土试验配合比Table 3 Mix proportion of concrete experiment /(kg·m-3)

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能测试依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)。坍落度桶上口直径100 mm、下口直径200 mm、桶高300 mm；含气量测定仪体积容量为7 L，型号为LC-615A。混凝土基本力学性能试验依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行。立方体抗压强度(7 d和28 d)和劈裂抗拉强度(28 d)试验采用100 t的WAW-1000B微机控制电液伺服万能试验机进行加载，加载速率分别为0.5 MPa/s与0.05 MPa/s；抗折强度(28 d)试验采用10 t自平衡反力平台进行加载，加载速率为0.05 MPa/s。

2 结果与讨论

2.1 混凝土拌合物性能

2.1.1 坍落度

不同再生骨料取代率的混凝土拌合物坍落度见图3。不同RTSF体积掺量的混凝土拌合物坍落度见图4。

按照RESTful风格将上述服务提供的接口和访问方法发布为Web资源，各服务对应的REST API见图6。

图3 再生骨料含量对混凝土坍落度的影响Fig.3 Effect of recycled aggregate content on slump of concrete

图4 纤维掺量对RAC50坍落度的影响Fig.4 Effect of fiber content on slump of RAC50

(1)再生骨料取代率的影响

混凝土拌合物坍落度随再生骨料取代率的增加而降低。PC的坍落度为162 mm，RAC50、RAC75和RAC100的坍落度分别比PC降低了25.3%、43.2%和63.6%。这主要是因为再生骨料表面残余的水泥砂浆吸水能力较强，且再生骨料破碎时内部会产生一定量的微裂纹，使得再生骨料的吸水率远高于天然骨料[16-17]。因此再生骨料含量越高，混凝土拌合物的粘聚性越强、流动性越差。

(2)RTSF体积掺量的影响

混凝土拌合物坍落度随RTSF体积掺量的增加而降低。RAC50的坍落度为121 mm，RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的坍落度较RAC50分别降低了6.6%、11.6%、15.7%和23.1%，较PC分别降低了30.2%、34.0%、37.0%和42.6%。这是因为RTSF在混凝土中易形成网状结构，增大混凝土内部流动的摩擦阻力，进而导致混凝土流动性变差、和易性降低[15]。此外在拌合过程中RTSF表面附着的残余橡胶颗粒会吸收一部分水，也对混凝土流动性能造成了不利影响。

2.1.2 含气量

不同混凝土拌合物实际含气量见图5。

图5 混凝土拌合物含气量Fig.5 Gas content of concrete mixture

(1)再生骨料取代率的影响

混凝土拌合物含气量随再生骨料取代率的升高而明显增大。PC含气量为1.43%，RAC50、RAC75和RAC100的含气量较PC分别提高了59.4%、74.1%和88.8%。这是因为再生骨料由水泥砂浆包裹的原始骨料组成，二者的接触面之间存在许多微小间隙，且通过SEM能够清楚的观察到再生骨料表面的水泥砂浆为多孔结构，孔隙率较大。因此，在加入再生骨料进行拌合时，更易引入空气，导致混凝土含气量增大[17]。

(2)RTSF体积掺量的影响

混凝土拌合物含气量随RTSF体积掺量的增加而增大。RAC50的含气量为2.28%，RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的含气量较RAC50分别升高3.9%、5.7%、7.9%和9.2%，较PC分别提高65.7%、68.5%、72.0%和74.1%。加入RTSF后混凝土中形成了纤维与砂浆的薄弱界面，产生更多可供气体进入的通道。另外RTSF上附有橡胶颗粒，橡胶颗粒表面较粗糙，有许多微小孔洞，在搅拌过程中更容易引入空气[18-19]。

2.2 立方体抗压强度

图6和图7分别为不同再生骨料取代率和不同RTSF体积掺量的混凝土试件在养护7 d与28 d时的立方体抗压强度。

图6 混凝土抗压强度随再生骨料取代率变化图Fig.6 Effect of recycled aggregate content on compressive strength of concrete

图7 混凝土抗压强度随纤维掺量变化图Fig.7 Effect of fiber content on compressive strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影响

试件立方体抗压强度随再生骨料取代率的升高而降低。当养护龄期为7 d时，PC的立方体抗压强度为42.9 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的立方体抗压强度较PC分别降低4.9%、8.6%和12.1%；当养护龄期为28 d时，PC的立方体抗压强度为51.6 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的立方体抗压强度较PC分别减小3.7%、6.6%和12.2%。这种变化趋势与国内外学者的研究结果基本一致[2-4,16]。这主要是因为再生骨料是一种非均质材料，由砂浆残渣包裹的原始骨料组成，而砂浆残渣与原始骨料之间的黏结作用较弱，导致再生骨料研磨强度较天然骨料有降低[2,4]。

(2)RTSF体积掺量的影响

试件立方体抗压强度随RTSF体积掺量的升高表现出先增大后减小的趋势。当RTSF体积掺量为0.25%时，混凝土立方体抗压强度达到最大值，其养护7 d和28 d的强度较PC分别提高了0.5%和4.3%。这与Aiello[12]以及Khallo[20]等的研究结果基本相吻合，即RTSF体积含量在20 kg/m3(Vf=0.25%)左右时，是混凝土抗压强度的最优体积掺量。原因是RTSF外形呈微弯曲状，掺入一定量的RTSF能在一定程度上减小混凝土孔隙率并增大混凝土密实度，且在混凝土受压过程中RTSF能够起到较好限制微裂缝开展的作用，进而能够增强混凝土抗压强度[19-21]。当RTSF体积掺量为0.5%时，混凝土抗压强度产生小幅降低，RAC50-0.5养护7 d和28 d时的抗压强度较PC降低2.8%和1.0%。而随着RTSF体积掺量的进一步升高，其对混凝土抗压强度产生的不利影响越显著，其中RAC50-1.0养护7 d和28 d时的抗压强度较PC最高降低了15.4%和13.4%。这可解释为当RTSF含量过高时，RTSF易在混凝土内部发生结团现象，混凝土整体均匀性被破坏，使得混凝土各部位收缩不一致，导致其抗压性能被削弱[12]。

图8为立方体试件的立方体抗压试件破坏图，可以看出再生骨料混凝土在受压破坏时表现为明显的脆性破坏，试件在破坏时表面有大量混凝土崩裂脱落。而RTSF的加入对混凝土的破坏裂缝有一定的抑制效果，当RTSF体积掺量为0.25%时，混凝土试件外部产生较宽的贯穿裂缝，且伴有少量混凝土脱落；当RTSF体积掺量为0.5%时，混凝土试件表面出现较多的竖向裂缝，而在RTSF的约束下，试件基本保持完整，仅有少部分砂浆剥落；当RTSF体积掺量提高至1.0%时，混凝土试件外观仅出现一条较宽的纵向裂缝和少许细而短的微裂缝，试件表现出更高的完整性。表明适量的RTSF能够提高混凝土韧性，使混凝土的破坏形态由明显的脆性破坏改为延性破坏。此外值得注意的是RAC50-0.25在7 d与28 d时的抗压强度较PC提高0.5%和4.3%。这表明掺入一定含量的RTSF后，能够弥补混凝土因再生骨料的加入而降低的抗压强度。

图8 立方体试件抗压破坏形态Fig.8 Compressive failure mode of concrete

2.3 劈裂抗拉强度

图9和图10分别为不同再生骨料取代率和不同RTSF体积掺量的混凝土的劈裂抗拉强度。

图9 混凝土劈裂抗拉强度随再生骨料取代率变化图Fig.9 Effect of recycled aggregate content on splitting tensile strength of concrete

图10 纤维掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.10 Effect of fiber content on splitting tensile strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影响

PC在养护龄期为28 d时的劈裂抗拉强度为3.54 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的劈裂抗拉强度较PC分别降低7.6%、12.4%和22.3%。同抗压强度的变化规律一致，劈裂抗拉强度也随再生骨料取代率的升高而降低[4,7,10,22]。通过观察劈裂后试件的破坏面可以发现，PC在劈裂时大多是在粗骨料与水泥砂浆的黏结面处发生破坏，仅有极少数粗骨料被劈裂。而与PC破坏形态不同的是，RAC在劈裂时有许多粗骨料发生劈裂，且多数为再生骨料。这主要是因为再生骨料是由废弃混凝土经过破碎后得到的，因此部分再生骨料内部会存在一些裂缝，这些裂缝导致再生骨料在劈裂过程中较天然骨料而言更容易发生破坏[9-10]。再生骨料取代率越高，混凝土在劈裂过程中发生破坏的区域越多，劈裂抗拉强度降低幅度越明显。

(2)RTSF体积掺量的影响

RAC50的劈裂抗拉强度为3.27 MPa。RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的劈裂抗拉强度较RAC50分别提高10.4%、18.7%、16.5%和14.1%，RTSF对混凝土的劈裂抗拉强度有显著的增强效果。这可归功于RTSF具有较高的抗拉强度(抗拉强度约为2 165 MPa)，在混凝土劈裂过程中RTSF能够吸收一部分拉应力，且RTSF外形呈弯曲状，故在劈裂时可以起到较好限制微裂缝开展的作用[15]。此外加入RTSF的四组RAC50的劈裂抗拉强度均要高于PC，其中RAC50-0.5的劈裂抗拉强度较PC增大9.6%。这表明RAC中掺入一定体积的RTSF后，能够在不同程度上改善RAC较低的力学性能。图11为混凝土试件的劈裂抗拉破坏图。未掺入RTSF时，再生骨料混凝土从试件中间被劈裂成两半，为典型的混凝土脆性破坏特征。加入RTSF后，混凝土试件表面虽然产生贯穿裂缝，但由于RTSF优越的桥接裂缝能力，试件未从中间断裂，整体性依旧保持完好。

图11 立方体试件劈裂抗拉破坏形态Fig.11 Splitting tensile failure mode of concrete

2.4 抗折强度

图12和图13分别为不同再生骨料取代率和不同RTSF体积掺量的混凝土的抗折强度。

图12 混凝土抗折强度随再生骨料取代率变化图Fig.12 Effect of recycled aggregate content on flexural strength of concrete

图13 混凝土抗折强度随纤维掺量变化图Fig.13 Effect of fiber content on flexural strength of concrete

(1)再生骨料取代率的影响

PC的抗折强度为4.8 MPa，RAC50、RAC75和RAC100的抗折强度较PC分别降低8.3%、12.5%和18.8%。同劈裂抗拉强度的变化规律一致，抗折强度也随再生骨料取代率的升高而降低[4,7,10,22]。原始骨料与残余水泥砂浆间较弱的粘接强度、再生骨料较低的研磨强度与较高的吸水性是导致混凝土抗折强度随再生骨料取代率升高而降低的主要因素。

(2)RTSF体积掺量的影响

RAC50的抗折强度为4.4 MPa。RAC50-0.25、RAC50-0.5、RAC50-0.75和RAC50-1.0的抗折强度较RAC50分别增大11.4%、22.7%、18.2%和13.6%。这与Ali等[20]的研究结果一致，当RTSF体积含量达到39 kg/m3(Vf=0.5%)时，RTSF对混凝土抗折强度的提升效果最显著。这是因为RTSF几何外形微微弯曲，具有较好桥接裂缝的能力，且在抗折过程中RTSF从混凝土基体中被拔出会消耗部分能量，因此加入一定量的RTSF能够明显改善混凝土较低的抗折性能[14]。而随RTSF体积掺量的进一步升高，混凝土抗折强度却发生不同程度的降低。这可解释为含量过高的RTSF易在混凝土内部发生结团现象，对混凝土力学性能造成不利影响[12]。此外RTSF表面残余的橡胶颗粒与混凝土之间形成的黏结处抗弯拉性能较弱，因此RTSF含量越高，混凝土中的薄弱界面越多，抗折强度有一定程度的降低[20]。值得在意的是,掺入体积分数为0.25%、0.5%、0.75%和1.0%的四组RAC50抗折强度均要高于PC，其中RAC50-0.5的抗折强度较PC最大提高了12.5%。这表明由再生骨料表面的残余砂浆引起的混凝土抗折强度的降低在很大程度上由RTSF的加入得到补偿。图14为混凝土试件的抗折破坏图。RAC50在抗折过程中从试件跨中处发生断裂，具有明显的脆性破坏特征；RTSF体积掺量为0.5%时，混凝土试件下部受拉区域出现裂缝，裂缝逐渐延伸至试件上表面处，试件变形较大，但保持不断，从试件断裂面能够看到有RTSF从混凝土基体中被拔出；RTSF体积掺量为1.0%时，混凝土试件表面裂缝开展程度降低，且裂缝宽度有显著减小，试件基本保持完整，变形较小。充分体现出RTSF对混凝土试件抗折裂缝扩展的抑制效果。

图14 试件抗折破坏形态Fig.14 Flexural failure mode of concrete

2.5 弯曲韧性

试件荷载位移曲线见图15。PC与RAC的韧性曲线基本没有下降段，而掺入RTSF的四组混凝土韧性曲线具有明显的下降段，RTSF体积掺量越高，其韧性曲线下降段越平缓。依据ASTM C1018计算出的混凝土弯曲韧度指数见图16。PC弯曲韧度指数(I5、I10、I20)为1.62，RAC50、RAC75和RAC100的弯曲韧度指数(I5、I10、I20)较PC分别降低了3.7%、11.7%和23.5%，弯曲韧度指数随再生骨料取代率的升高而降低，RAC较PC表现出更明显的脆性特征。RTSF的加入能在极大程度上改善RAC本身具有的脆性，在一定纤维掺量范围内，RAC的弯曲韧度指数随RTSF体积含量的升高而增大。这是因为RTSF桥接裂缝的能力较强，延缓了混凝土弯曲断裂过程，从而起到明显的增韧效果[23]。其中RAC50-0.5的弯曲韧度指数I5、I10和I20分别是PC的2.7倍、3.8倍和4.8倍。

图15 混凝土荷载位移曲线Fig.15 Load-displacement curves of concrete

图16 混凝土弯曲韧度指数Fig.16 Bending toughness index of concrete

3 结 论

(1)再生骨料的加入对混凝土的工作性能与力学性能均产生较大的不利影响。当再生骨料取代率为100%时，混凝土含气量较PC升高88.8%，坍落度、抗压强度(28 d)、劈裂抗拉强度和抗折强度分别降低63.6%、12.2%、22.3%和18.8%，体现出再生骨料的物理及力学性能较天然骨料有所缺陷。

(2)RTSF再生骨料混凝土满足普通混凝土的基本要求，当再生骨料取代率为50%时，RTSF最佳体积掺量为0.5%。由于再生粗骨料对混凝土工作性能的影响远大于RTSF，导致RAC50-0.5的坍落度较PC降低34.0%，含气量增大68.5%。但依旧满足《混凝土质量控制标准》(GB 50164—2011)中对混凝土拌合物流动性与含气量的要求。RAC50-0.5的抗压强度与PC无明显差异，养护7 d与28 d时的抗压强度较PC仅降低2.8%和1.0%。RTSF体积掺量为0.5%时，对混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度的改善效果最显著，RAC50-0.5的劈裂抗拉强度和抗折强度较PC分别增大9.6%与12.5%，弯曲韧度指数I5、I10和I20分别提高2.7倍、3.8倍和4.8倍。

(3)RTSF再生骨料混凝土的破坏特征表现为明显的延性破坏。立方体抗压破坏时，混凝土试件表面仅产生裂缝，无大块混凝土脱落；劈裂抗拉与抗折破坏时，混凝土试件呈现裂而不断的失效形态，试件整体性基本保持完好。

(4)一定体积分数的RTSF能够弥补用再生骨料替代天然骨料时混凝土损失的力学性能，且对再生骨料混凝土的韧性有显著的增强效果。