钢纤维再生粗骨料混凝土的力学性能试验研究①

张相凯

(河南交投中原高速郑洛建设有限公司，河南 郑州 450000;河南中原高速公路股份有限公司，河南 郑州 450000)

0 引 言

近年来，我国城镇化的进一步推进造成建筑类垃圾问题更加严重。因此对建筑垃圾进行合理的回收利用非常符合可持续发展的要求和时代发展的大趋势[1-2]。在混凝土中均匀的分布适量的钢纤维能增加结构物的延性，对提高其耐久性也有很大帮助[3]。把建筑垃圾通过合理回收利用到钢纤维再生混凝土中，为合理处理建筑垃圾提供了新的重要的研究思路。

1 实验设计

1.1 原材料

(1)水泥：32.5R 级普通硅酸盐水泥。

(2)粗集料：a、天然碎石；b、再生粗骨料，取自废弃混凝土块，粒径在5～30mm之间(见表1)。

表1 粗骨料基本物理性质

(3)细集料：采用优质天然河沙和中沙。

(4)水：来自实验室的自来水。

(5)钢纤维：使用来自上海贝卡尔特公司的端钩型冷拔钢丝钢纤维(参数见表2)。

表2 钢纤维机械性能表

1.2 试件准备

依据最新规范中C30混凝土配比要求进行试块制作。按照试验研究的三个变量对试块进行编号。将钢纤维体积率分别为 0～2%的试块用A1～A5表示。将置换率分别为0～100%的试块用B1～B5表示。将水灰比分别为0.35、0.38、0.41、0.44、0.47的试块用C1～C5表示。然后分别对抗压、抗拉分别用Y、L进行编号。如A3-Y表示钢纤维体积率为1%的抗压试块，以此类推。

1.3 试验设备和试验方法

由于试验采用非标准试块，其抗压强度按式(1)计算：

(1)

式中R为抗压强度(MPa)；P为试件极限荷载(kN)；A为试件承压面积(mm2)。

抗拉试验采用200kN液压式万能试验机和一套抗劈裂夹具，如图1所示。混凝土试件块劈裂面上应力分布如图2所示。

图2 混凝土试件块劈裂面上应力分布

抗拉强度应力值可按式2计算：

(2)

式中Rt为劈裂抗拉强度(MPa)；P为最大荷载(N)；a为劈裂抗拉试件的边长(mm)。

1.4 钢纤维再生混凝土的力学性能试验结果

钢纤维再生混凝土和未掺钢纤维混凝土试块抗压如图3-4所示；素混凝土劈裂和钢纤维混凝土劈裂试验现象如图5-6所示。

图3 钢纤维再生混凝土试块抗压

图4 普通混凝土图试块抗压

图5 素混凝土劈裂

图6 钢纤维混凝土劈裂

表4 不同再生粗骨料置换率抗压强度

表5 不同水灰比抗压强度试验结果

表6 不同钢纤维掺入量抗拉强度试验结果

表7 不同再生粗骨料置换率抗拉强度

表8 不同水灰比抗拉强度试验结果

图8 再生粗骨料置换率与试块强度的关系

图9 水灰比与试块强度的关系

从表3-8及图7-9可以看出：

表3 不同钢纤维掺入量抗压强度试验结果

图7 钢纤维体积率与试块强度的关系

(1)再生混凝土的强度随着钢纤维体积率增加均先逐渐增加后趋于稳定或减小。

(2)与普通钢纤维混凝土相比，加入一定量再生骨料的钢纤维混凝土强度均减少，再生粗骨料置换率与试块强度呈负相关。

(3)水灰比与钢纤维再生混凝土的强度呈负相关。由折线图可以看出，水灰比为0.41时是抗压强度减少幅度的转折点，水灰比大于0.41以后混凝土的抗压强度小于30MPa,不符合C30混凝土的设计要求，因此在实际应用中水灰比必须控制在0.41以下。

2 再生骨料影响下钢纤维再生混凝土强度之间的关系

加入钢纤维可以改变再生混凝土的抗拉性质，但由于混凝土材料的变化规范中普通混凝土抗压、抗拉之间的比例公式不能再用于再生混凝土中。对下述模型(式3)利用回归分析方法对再生混凝土强度的关系进行分析,并给出了再生粗骨料置换率影响下再生混凝土劈裂抗拉强度fs与抗压强度fcu两者的代换关系(如图10)。

图10 再生粗骨料置换率影响下拉压强度关系

(3)

式中a,b为待定常数。

回归公式如式(4)所示。

再生骨料置换率影响下拉压强度回归公式：

(4)

其中R2=0.9449。

3 结 论

(1)钢纤维的掺入能在一定程度上提高混凝土的力学性能，但过量的钢纤维反而会使强度降低。钢纤维对再生混凝土的劈裂抗拉强度影响较大。

(2)掺入再生粗骨料置换率和水灰比的增加，再生混凝土的拉压强度随之降低。当再生粗骨料的置换率高于70%以及水灰比大于0.41时混凝土的力学性能明显下降，混凝土强度明显偏低，不能满足C30混凝土的设计要求，因此在实际应用中必须控制混凝土的水灰比在0.41以下以及再生骨料置换率在70%以内。

(3)得出再生骨料置换率影响下钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度之间的代换关系，做出拟合曲线，并得出数据模型。