基于超声检测的废弃纤维再生混凝土弹性模量试验研究

康天蓓， 金立伟， 周静海， 李松旭

(沈阳建筑大学土木工程学院， 沈阳 110168)

再生混凝土是一种环境友好型的绿色建筑材料，再生混凝土的推广应用可以有效地缓解土地资源侵占和自然资源匮乏等生态问题[1-2]，符合中国的基本国情。废弃地毯作为一种生活垃圾，也给环境带来了危害。将废弃地毯纤维作为增强纤维加入再生混凝土中，可以有效地改善再生粗骨料带来的力学性能、耐久性能劣化等问题[3-5]。

弹性模量是混凝土材料重要的力学性能之一，郝恩海等[6]、邓文博等[7]通过超声检测法得出混凝土和高温后陶瓷纤维混凝土的强度与弹性模量的关系，主要影响因素为水灰比和骨料性能。再生骨料由于表面附着老旧砂浆带来多重界面，降低了再生混凝土的弹性模量。常熤存等[8]、Duan等[9]、Tamanna等[10]通过建立预测模型和试验研究了再生混凝土和橡胶再生混凝土的弹性模量。在长期荷载作用下，随着损伤的累计，再生混凝土界面薄弱处产生微裂纹，损伤后再生混凝土的弹性模量较普通混凝土变化更明显，损伤后的弹性模量对评测再生混凝土长期力学行为和耐久性能具有重要意义。

为此，采用无损检测中的超声检测法，对再生骨料取代率为0、50%、100%的天然混凝土和再生混凝土试件、废弃纤维取代率为0.08%的废弃纤维再生混凝土试件进行检测。得到在应力水平分别为0、0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc、0.85fc时，以及0.85fc持荷0～60 d的弹性模量(fc为棱柱体抗压强度)，提出超声波随应力水平与时间的关系，以期为再生混凝土、废弃纤维再生混凝土的长期力学行为提供研究基础。

1 试验方案

1.1 试验材料

本试验采用的天然粗骨料购自采石场，再生粗骨料来自原始强度为C40、龄期为1年的混凝土梁，经过人工破碎和筛分制备而成。两种粗骨料的粒径均为5～25 mm，级配良好，再生粗骨料的物理力学性能列于表1中。细骨料为细度模数为2.7的天然河砂，表观密度2 620 kg/m3。水泥采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5。

废弃纤维来自废弃的丙纶地毯，化学成分为聚丙烯，经人工拆分制备成长度为19 mm的废弃纤维段。废弃纤维的吸水率小于0.1%，掺入混凝土中不会改变混凝土的配合比。废弃纤维的形态如图1所示。

表1 再生骨料物理力学性能Table 1 Technical index of recycled coarse aggregates

成分：聚丙烯；截面形状：圆形；纤维长度：19 mm图1 废弃纤维的制备及形态Fig.1 Preparation and morphology of waste fibers

1.2 废弃纤维再生混凝的制备与配合比

废弃纤维再生混凝土的配合比参照文献[3,5]进行设计。再生混凝土制备过程中的水分为自由水和附加水，附加水的目的是减小再生粗骨料高吸水率对有效水灰比的影响。当再生粗骨料取代率为50%时，附加用水量为10 kg/m3；当再生粗骨料取代率为100%时，附加用水量为20 kg/m3。废弃纤维再生混凝土的配合比为，m水泥∶m砂子∶m粗骨料∶m自由水=1∶1.82∶2.96∶0.5,其中m为质量。

废弃纤维再生混凝土的制备方法为首先将细骨料、水泥投入搅拌机中搅拌均匀，然后投入废弃纤维搅拌1 min，再加入水搅拌1 min，该步骤的目的是使废弃纤维均匀地分散在水泥基中。最后投入粗骨料搅拌2～3 min，使水泥砂浆均匀地包裹粗骨料。试件采用标准养护方式，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。

1.3 试验方法

抗压强度和弹性模量试验均按照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。立方体抗压强度fcu试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，棱柱体抗压强度fc和弹性模量E试验试件尺寸为150 mm×150 mm×400 mm，每个编号进行3次平行试验，取平均值作为试验结果，共制备试件36个。试件符号含义：S0为普通混凝土；S50、S100为再生骨料取代率分别为50%和100%的再生混凝土；S50-F为再生骨料取代率为50%，废弃纤维体积掺入量为0.08%的废弃纤维再生混凝土试件。

图2 加载装置Fig.2 Loading equipment

(1)

2 试验结果与分析

2.1 超声波检测结果分析

试件的立方体抗压强度fcu、棱柱体抗压强度fc如图3、图4所示。随着再生骨料取代率的增加，抗压强度和棱柱体抗压强度均降低，加入废弃纤维后，再生混凝土的立方体抗压强度和棱柱体抗压强度分别增加0.5%和5.6%。

()中数值为3个试件的标准差图3 立方体抗压强度Fig.3 Compression strength of cube

()中数值为3个试件的标准差图4 棱柱体抗压强度Fig.4 Compression strength of prism

在每组试件荷载分别达到0、0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc、0.85fc时停止加载，测试超声波速，测试完毕后进行下一应力等级的加载，重复试验过程至全部试件测试完毕，各组应力水平与波速的关系如图5所示。0.85fc应力水平持载过程中时间与波速的关系如图6所示。

由图5可以看出，S0、S50、S50-F和S100的应力水平—波速曲线变化趋势相似。在试件加载前，普通混凝土S0内的声波传播速度最快，其次是掺入0.08%废弃纤维的再生混凝土S50-F、S50，而当再生骨料取代率为100%的试件S100内超声波传播速度最慢。根据波速可以判断出混凝土在加载前内部缺陷程度依次为：S100、S50、S50-F、S0。随着应力水平的增加，超声波在S100和S0中的传递速度的差异在增大。由图6可知，超声波速随着时间的增加而不断衰减，在9、30、60 d，再生骨料取代率0～50%的试件超声波速下降率分别为4.17%、4.73%、5.38%；再生骨料取代率50%～100%，超声波速下降率分别为6.95%、8.54%、8.40%。

图5 应力水平和波速的关系Fig.5 Relationship between stress and wave velocity

图6 0.85fc持载时间和波速关系Fig.6 Relationship between time and wave velocity under 0.85fc

再生粗骨料存在初始损伤，超声波在再生混凝土传播过程中遇到微裂缝的概率更大，需要通过散射和绕射穿越内部缺陷，传播路程较普通混凝土长，因此测得的超声波波速减小。随着再生骨料取代率的增大，材料内部初始损伤增多，初始超声波速越慢。随着应力水平的增加，微裂缝在应力作用下扩展，增加了超声波的传播路径，超声波速减小。随着持荷时间的增加，再生骨料取代率越高，损伤逐渐扩展为裂纹，超声波速不断衰减。在再生混凝土中掺入废弃纤维的试件S50-F超声波速较再生混凝土S50有所提高，废弃纤维的加入阻止了微裂缝扩展，缩短了超声波在混凝土中的传播路程。

2.2 废弃纤维再生混凝土弹性模量

根据静力受压弹性模量试验，和式(1)计算得到的弹性模量如图7所示。弹性模量与超声波速的关系如图8所示，弹性模量与超声波速呈线性关系，相关性系数R值为0.939，普通混凝土(S0)、再生混凝土(S50、S100)和废弃纤维再生混凝土(S50-F)均可采用超声波检测法初步测定弹性模量。不同损伤时间弹性模量较未加载时的下降率如表2所示。

图7 弹性模量Fig.7 Elastic modulus

图8 弹性模量和波速关系 Fig.8 Relationship between elastic modulus and wave velocity

表2 弹性模量下降率Table 2 The decrease rate of elastic modulus

由图7和表2可知，所有试件的弹性模量均随着损伤的演化而降低，在宏观尺度上表现为抵抗弹性变能力在减小，在细观尺度上表现为混凝土和再生混凝土中界面黏结强度的降低。0～30 d试件弹性模量下降率是30～60 d下降率的3.1～7.7倍，这是由于在85%fc水平应力作用下，试件内部前期损伤程度较高，随着损伤的发展逐渐趋于稳定，因此30～60 d的弹性模量下降程度变低。随着再生骨料取代率的增加，同一时间水平的弹性模量和不同时间水平的弹性模量下降率均增大，主要原因在于：①再生粗骨料的制备过程会产生初始损伤；②再生混凝土的多界面性[3-4]为损伤的演化提供了新的路径和空间[图9(a)、图9(b)]。

试件S50-F的弹性模量较S50高，废弃纤维的加入虽然无法改变再生混凝土的初始损伤和多界面性，但可以通过改变水泥基体的孔隙率，将大孔划分为小孔，密实水泥基体，并且纤维的桥接作用可以阻断微裂缝的开展抑制纤维再生混凝土内部损伤的演化[图9(c)]，从而提高了再生混凝土的弹性模量[11-13]。

2.3 中国、美国、欧洲规范计算废弃纤维再生混凝土弹性模量

中国规范《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和欧洲规范《混凝土结构设计》(BS EN 1992-1-1—2004)均采用棱柱体试件确定抗压强度，美国规范采用圆柱体试件，按照美国规范《美国混凝土结构设计规范》(ACI 308-05)将圆柱体测试结果转换成棱柱体测试结果。

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)采用混凝土受压弹性模量，对标准棱柱体试件加载至0.5fc，反复5～10次取应力-应变曲线割线斜率得到。混凝土受压弹性模量Ec与抗压强度的关系为

(2)

式(2)中:fcu,k为立方体抗压强度。

《美国混凝土结构设计规范》(ACI 308-05)将混凝土受压弹性模量定义为受压应力—应变曲线0～0.45fc割线的斜率。普通混凝土弹性模量计算公式为

(3)

图9 细观特征SEM图Fig.9 SEM micrograph of microscopic characteristics

欧洲规范《混凝土结构设计》(BS EN 1992-1-1—2004)取受压应力-应变曲线上0～0.4fcm割线的斜率作为混凝土受压弹性模量，其表达式为

(4)

式(4)中：fcm为混凝土强度平均值。

按照式(2)～式(4)计算各试件的弹性模量，并与超声波速实测值按式(1)计算的弹性模量结果进行对比，结果如表3所示。

由表3可知，中国规范《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和欧洲规范《混凝土结构设计》(BS EN 1992-1-1—2004)计算值与超声检测实测值差值分别为0.9%～8.4%和0.3%～12%。而美国

表3 中国、美国、欧洲规范弹性模量计算值与实测值Table 3 Calculated and measured values of elastic modulus in Chinese, American and European codes

规范《美国混凝土结构设计规范》(ACI 308-05)的计算值与超声检测实测值差值为18%～25.8%。美国规范《美国混凝土结构设计规范》(ACI 308-05)计算值偏大的原因为规范中的标准试件为圆柱体，说明尺寸效应对再生混凝土和废弃纤维再生混凝土的弹性模量具有一定的影响。超声检测实测值与中国规范《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和欧洲规范《混凝土结构设计》(BS EN 1992-1-1—2004)计算值吻合程度较好，因此在实际工程中，可采用超声检测法预测已产生损伤的再生混凝土和废弃纤维再生混凝土的弹性模量。

3 结论

(1)随着再生骨料取代率的增加，立方体抗压强度和轴心抗压强度均降低，加入废弃纤维后，强度值增加；在长期无损检测中，声波在混凝土、再生混凝土、废弃纤维再生混凝土中的传播速度与弹性模量呈正比。

(2)超声波速随着持荷的增加而衰减，再生混凝土与废弃纤维再生混凝土随着持荷时间的增长，前期损伤增长速度较快，后期趋于稳定，该结论与弹性模量随时间的变化一致。随着应力水平的提高，再生混凝土的多界面性为损伤的演化提供了新的路径和空间。废弃纤维的桥接作用可以阻断微裂缝的开展抑制废弃纤维再生混凝土内部损伤的演化。

(4)采用中国、美国、欧洲规范计算废弃纤维再生混凝土弹性模量，并与超声检测值进行对比，中国规范《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和欧洲规范《混凝土结构设计》(BS EN 1992-1-1—2004)均适用于再生混凝土和废弃纤维再生混凝土弹性模量计算。超声波无损检测法可以检测长期损伤后再生混凝土和废弃纤维再生混凝土弹性模量。