钢纤维对再生混凝土抗冲击性能的影响

孔祥清,何文昌,邢丽丽,王学志

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院,锦州 辽宁 121001)

1 前 言

将既有建筑物拆除或维修产生的废弃混凝土制备成再生骨料并应用于再生混凝土(RAC)生产,不仅很好地解决了废弃混凝土造成的环境污染问题,还缓解了建筑行业对天然石材需求的压力,是实现绿色可持续建设的有效途径[1-2]。但与天然骨料相比,再生骨料的孔隙率和吸水率较高,其表面附着大量的旧水泥砂浆,界面过渡区较弱[3],导致RAC 的工作性能及强度较普通混凝土有不同程度的降低。

近年来,研究发现在RAC 中掺入适量钢纤维可配制成钢纤维再生混凝土(SFRAC)。由于钢纤维可以改变荷载的传递方式,有效抑制裂缝扩展,故可在一定程度上提高再生混凝土的强度和塑性变形能力[4]。Gao等[5]采用等效立方体抗压强度设计试验,研究了再生骨料取代率和钢纤维掺量对RAC 力学性能的影响,发现钢纤维对RAC 的增强效果较普通混凝土的更好,SFRAC的韧性指数随纤维掺量的增加而增大。Carneiro等[6]对SFRAC的压应力-应变特性进行了研究,结果表明钢纤维的掺入提高了RAC 的强度,并改善了混凝土的韧性和断裂失效过程。Xie等[7]完成了13组SFRAC的抗压强度和断裂性能试验,发现长径比较低的钢纤维与水泥基体之间的粘结性能较弱,对混凝土的抗压强度产生不利影响,但钢纤维与硅粉结合使用,产生良好的“耦合作用”,改善了RAC 的断裂韧性。Vahid等[8]通过对SFRAC 的耐久性能试验,发现利用高强度母材的再生骨料配合磨粒高炉渣和钢纤维,可以配制与天然骨料耐久性能相匹配的混凝土。张丽娟等[9]通过正交方法针对SFRAC 进行配合比设计,分析了水胶比、再生骨料取代率与纤维掺量对RAC坍落度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度的影响,发现再生骨料取代率对RAC 的抗压、抗拉强度的影响较小,钢纤维掺量对抗拉强度的影响最为显著。陈爱玖等[10]通过研究再生骨料的取代率、强化方式、钢纤维掺量对SFRAC 抗压和抗冻性能的影响规律,发现再生骨料强化方式对RAC 抗压强度的影响并不明显,钢纤维有效抑制了RAC 早期干缩裂缝和离析裂缝的产生和发展,从而缓解了冻融循环过程中产生的膨胀应力。

综上,目前国内外学者对SFRAC 在静力荷载作用下性能的研究较多,而对冲击荷载作用下SFRAC材料性能的试验及理论研究则关注较少。为了研究钢纤维对RAC 抗冲击性能的影响,本研究借鉴美国混凝土协会ACI544 推荐的混凝土落锤冲击试验方法(drop-weight impact method)对SFRAC 进行抗冲击性能试验,分析了再生骨料替代率、钢纤维体积掺量及类型等因素对SFRAC抗冲击性能的影响。在试验基础上引入Weibull分布函数模型对SFRAC 抗冲击次数的分布特征进行拟合检验和失效概率预测,并以冲击延性比和抗裂性能,定量评价了钢纤维对RAC 抗冲击性能的影响。

2 实 验

2.1 原材料

试验材料采用渤海牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其28d抗压强度为49.6 MPa;细骨料选用细度模数为2.46的中砂;粗骨料采用花岗岩碎石以及来源于实验室母体强度等级C30～C60的废旧混凝土试件,经破碎、筛分、级配得到的再生骨料,再生骨料基本成分为普通硅酸盐水泥、河砂和花岗岩碎石等,粗骨料性能参数详见表1;减水剂采用聚羧酸高效减水剂,减水率为23%～30%;拌合用水为自来水;选用两种类型钢纤维:端钩形钢纤维和波纹形钢纤维,其物理性能指标详见表2,纤维的外观如图1所示。

表1 试验用粗骨料性能参数Table 1 Performance parameters of coarse aggregates used in the study

表2 钢纤维物理性能指标Table 2 Physical property indicators of steel fibers

图1 试验用钢纤维:(a)端钩形钢纤维;(b)波纹形钢纤维Fig.1 Pictures of steel fibers used in this study,(a)end hooked;(b)corrugated

2.2 试验配合比及试件设计

试验按照再生骨料取代率、钢纤维体积掺量和类型的不同,共分为15组,分组情况和试验混凝土配合比见表3。试件的制作顺序为先将粗、细骨料和水泥投入搅拌机干拌60～120 s,然后在搅拌机低速转动状态下加入钢纤维,搅拌30～60 s,以使纤维与其它混合料均匀混合,搅拌均匀后加入减水剂与拌合水混合物,继续搅拌90～120 s,最后入模、振捣成型,浇筑成型24 h后脱模,覆盖塑料膜,放置在温度为(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养护室中养护28d。参考已有研究成果[11-13],抗冲击试件制作尺寸设计为300 mm×300 mm×50 mm。其中测定NA0-0、RB0-0和RC0-0试件28d 的立方体抗压强度分别为47.2、45.3和43.5 MPa。

表3 钢纤维再生混凝土配合比Table 3 Mixture proportions of steel fibers reinforced RAC

2.3 试验方法

借鉴美国混凝土协会(ACI544)提出的混凝土落锤冲击试验方法,采用自行设计的落锤冲击试验装置对SFRAC试件进行冲击试验,试验装置尺寸与安装如图2所示。试件四边简支,净跨为290 mm;冲击锤为钢质球体,质量为3 kg,落锤高程为300 mm,每完成一次冲击即为一个循环;每次冲击加载完毕,仔细观察试件表面(顶面和底面)开裂和破坏的情况。记录试件出现第一条裂缝与完全破坏时的冲击次数分别为N1和N2;使用裂缝测宽仪、皮尺和便携式数显裂缝测深仪分别测量试件初裂和破坏裂缝的宽度、长度和深度。

图2 混凝土落锤冲击试验装置(尺寸:mm)Fig.2 Drop-weight impact test device of concrete(unit:mm)

3 结果与讨论

3.1 试件破坏形态

图3为素RAC(无钢纤维)和SFRAC试件冲击破坏形态的比较,可以观察到两种明显不同的破坏形态。从图3(a)和(b)可见,素RAC试件在冲击荷载作用下的损伤程度最为严重,完整性较差,呈现出典型的脆性破坏特征。从图3(c)～(f)可见,掺入钢纤维后,试件的破坏形态得到了显著改善,裂缝的发展由几何尺寸较大的裂缝转变为数条尺寸较长、较细的裂缝;在裂缝间可以观察到大量桥接的钢纤维,使得试件破坏时保持较好的完整性,呈现出明显的延性破坏特征。从图中还可以看出,端钩形钢纤维试件(图3(c)和(d))的裂缝较波纹形钢纤维试件(图3(e)和(f))的更长、更细。另外,在试验过程中发现,不同再生骨料取代率下素RAC试件的破坏形态基本相同,试件一旦出现开裂,迅速断裂成几部分。而钢纤维混凝土试件冲击初裂出现后仍能继续承受冲击荷载,裂缝的发展缓慢,裂缝呈“十”字形由试件中心并平行于边长向试件边缘发展、从试件的底部向上表面贯通。

图3 素RAC和钢纤维RAC试件冲击破坏形态的比较(a)RB0-0(front);(b)RB0-0(back);(c)RC1-0.5(front);(d)RC1-0.5(back);(e)RC2-0.5(front);(f)RC2-0.5(back)Fig.3 Comparison of impact failure modes of RAC and steel fiber reinforced RAC specimens (a)RB0-0(front);(b)RB0-0(back);(c)RC1-0.5(front);(d)RC1-0.5(back);(e)RC2-0.5(front);(f)RC2-0.5(back)

3.2 试验结果

试件冲击初裂和冲击破坏的耗能,依据式(1)计算。在冲击初裂后试件抵抗变形的能力可通过延性比μ反映[4,14],μ值按式(2)计算:

式中:Wi为冲击耗能(J);Ni为冲击次数;m为冲击锤质量(kg);g为重力加速度,9.8 m/s2;h为落锤高程(mm)。

钢纤维再生混凝土的抗冲击试验结果见表4。由表可知,随着再生骨料取代率的增加,SFRAC试件的抗冲击能力逐渐降低,其中素混凝土RC0-0与RB0-0试件冲击初裂的耗能比NA0-0分别降低了25%和33%,冲击破坏的耗能分别降低了15%和31%。

表4 钢纤维再生混凝土抗冲击试验结果Table 4 Impact resistance test results of steel fiber reinforced RAC

图4、图5分别为钢纤维掺量及纤维类型对RAC抗冲击能力提升和延性比的影响。

图4 钢纤维RAC抗冲击能力提升比较Fig.4 Comparison of impact resistance of steel fiber reinforced RAC

图5 钢纤维RAC延性比Fig.5 Ductility ratio of steel fiber reinforced RAC

从图4可见,素RAC冲击初裂的次数N1与破坏次数N2基本相等。随着钢纤维体积掺量的增加,不同再生骨料取代率RAC 的抗冲击性能均有不同程度地提高。当钢纤维掺量为1.5%时,RAC 的抗冲击性能的改善效果最显著,SFRAC试件N1和N2的平均值分别为相应再生骨料取代率素RAC的4.3～7.1倍和9.8～30.1倍。同等钢纤维掺量的情况下,端钩形钢纤维RC1-j系列试件N1和N2的平均值分别为波纹形钢纤维RC2-j试件的1.2～1.7 倍和1.5～2.4倍,这表明端钩形钢纤维对RAC 抗冲击性能的改善效果要优于波纹形钢纤维。分析原因是:①端钩钢纤维的端部与混凝土基体具有更好的机械锚固效果,纤维拔出过程中除需要克服界面的粘结力与摩擦力外,还要克服纤维与混凝土的锚固作用[15];②端钩形钢纤维的尺寸比波纹形钢纤维小,在同等掺量下,尺寸小的端钩形钢纤维数目更多,纤维在基体中分散更均匀,缓解微裂缝的应力集中[16]。

从图5可见,掺入钢纤维显著提高了RAC 基体的延性比,且基体的延性随钢纤维掺量的增加而增大。分析原因是钢纤维为RAC 基体提供了微加筋系统,有效降低了RAC 的脆性特性,在承受冲击荷载作用时产生类似弹簧的缓冲效应[4],阻滞了裂缝的形成与扩展,使得混凝土由脆性破坏变为塑性破坏。

3.3 抗冲击次数分布拟合

SFRAC 的抗冲击次数是一个随机变量,具有较大的离散性(由表4可见)。已有研究成果[16-19]表明纤维混凝土抗冲击次数的概率分布服从于Weibull分布,因此采用两参数Weibull分布函数模型对SFRAC的冲击试验结果进行统计分析。

依据Weibull分布函数定义,试件抗冲击次数Nx的概率密度函数f(Nx)和分布函数F(Nx)可表示为:

式中:α为Weibull分布函数的形状参数;Na为尺度参数(或特征寿命参数);N0为位置参数。

累计分布函数F(Nx)表示冲击次数小于某一观测值Nx的概率,相当于构件的破坏概率函数,则试件冲击次数大于某一观测值Nx的存活概率P(Nx)可表示为[20]:

从安全、可靠角度及计算简便考虑,可设N0=0,从而Weibull分布函数简化为两参数Weibull分布函数,式(3)和(5)分别简化为:

对式(7)进行等价变换,并同时取两次自然对数得:

可得:

将试件冲击次数的观测值按顺序统计量由小到大排序,其存活概率P(Nx)函数可表示为[17-18]:

式中:i为冲击次数观测值按递增排序后的秩序数,i=1,2,…,k;k为每种配合比的样本总数,本试验k为3。

利用式(8)～(10),对表4中的冲击试验数据进行两 参 数 Weibull 分 布 拟 合。 图 6 给 出 了ln[ln(1/(P(N2))]与ln(N2)之间的最佳拟合曲线。拟合得到相应的回归参数α、β和相关系数R2见表5。从表可见,Weibull分布拟合相关系数R2的最小值为0.806,绝大多数达到0.9以上,说明ln[ln(1/(P(N1))]与ln(N1)、ln[ln(1/(P(N2))]与ln(N2)之间存在显著相关性。同时,从图6可见,各组配合比RAC 试件抗冲击破坏次数N2的数据点近似呈直线分布。因此,可以证明SFRAC 试件的抗冲击次数服从于两参数Weibull分布。

图6 钢纤维RAC冲击破坏次数N 2 的Weibull分布线性拟合Fig.6 Linear regression of N 2 in Weibull distribution for steel fiber reinforced RAC

表5 冲击次数的Weibull分布线性拟合分析结果Table 5 Result of linear regression in Weibull distribution of impact times

由上述分析可知,SFRAC 试件冲击初裂次数N1和破坏冲击次数N2均服从两参数Weibull分布。根据式(8)和(9)可获得SFRAC 试件在不同失效概率Pr(Pr=1-P(Nx))下的冲击次数表达式为:

利用式(11),结合表5的回归参数,获得不同失效概率下,各组试件抗冲击次数N1和N2的计算值,如表6所示。从表可见,素RAC 的冲击次数较低,不同失效概率下的抗冲击次数计算值相差不明显。掺入钢纤维之后的SFRAC试件抗冲击次数的计算值随失效概率的提高而逐渐增大,这符合混凝土材料的物理特性。对给定失效概率下的冲击破坏次数N2进行回归计算,可得到SFRAC的Pr-lnN2-Vf方程。根据该结果绘制了各组试件不同失效概率下的Pr-lnN2-Vf关系曲线,如图7所示。

图7 P r-N 2-V f 曲线 (a)NA1-j;(b)RB1-j;(c)RC1-j;(d)RC2-jFig.7 Curves of P r-N 2-V f (a)NA1-j;(b)RB1-j;(c)RC1-j;(d)RC2-j

表6 不同可靠性概率下钢纤维再生混凝土的抗冲击次数Table 6 Impact resistance times of SFRAC under different probabilities of failure

3.4 SFRAC冲击抗裂性能

纤维主要通过阻裂作用来提高混凝土基体的断裂能和韧性。Azilul和Murali等[12,21]对纤维混凝土的抗裂性能作了理论研究,提出根据混凝土试件抗冲击吸收的能量、冲击裂缝总长度、最大裂缝宽度及最大裂缝的深度即可计算出混凝土的抗裂能力。其中,试件冲击初裂(SCR)和冲击破坏(UCR)的抗裂性能分别按照式(12)和(13)计算:

式中:W1和W2分别为冲击初裂、破坏的耗能;L为裂缝的总长度;B为最大裂缝的宽度;D为裂缝的深度;T为试件的厚度。

表7列出了SFRAC冲击抗裂性能的结果。钢纤维掺量对RAC 冲击抗裂性能的影响,如图8 所示。由表7和图8可见,RAC的冲击抗裂性能随再生骨料取代率增多逐渐降低,但随钢纤维掺量的增加逐渐提高。SFRAC 试件冲击破坏裂缝的长度明显变短、宽度变细(素RAC 的裂缝宽度过大)、裂缝的深度逐渐变浅,说明钢纤维很好地抑制了裂缝的扩展,使得破坏时裂缝的发展更加充分,从而保证试件在承受冲击荷载时以裂缝发展的方式消耗更多的冲击动能,这对推迟RAC冲击破坏具有重要意义。另外,由图8可见,钢纤维体积掺量为1.5%时,RAC 试件冲击阻裂的效果最为显著。在同等再生骨料取代率下,端钩形钢纤维RC1-j系列试件的抗冲击初裂和破坏的阻裂性能分别为波纹形钢纤维RC2-j系列试件的2.6～5.3倍和1.5～2.5倍,端钩形钢纤维对RAC 抗冲击阻裂的改善效果比波纹形钢纤维的更为显著。

图8 钢纤维RAC冲击抗裂性能对比:(a)初裂;(b)破坏Fig.8 Comparison of impact crack resistance of steel fiber reinforced RAC:(a)initial crack;(b)failure

表7 钢纤维再生混凝土冲击抗裂性能结果Table 7 Result of impact crack resistance of SFRAC

4 结 论

1.掺入一定量的钢纤维后,RAC 试件的抗冲击性能明显提高。并且发现SFRAC的抗冲击性能随着再生骨料取代率的增加逐渐下降,但随着钢纤维体积掺量的增加,不同再生骨料取代率SFRAC 的抗冲击性能均有不同程度地提高。当钢纤维掺量为1.5%时,SFRAC抗冲击性能的改善效果最显著,该掺量下的SFRAC试件N1和N2的平均值分别为相应再生骨料取代率素RAC的4.3～7.1倍和9.8～30.1倍。

2.SFRAC 初裂和破坏冲击次数Weibull分布拟合得到的相关系数均大于0.806,说明SFRAC冲击次数的分布特征很好地服从于两参数Weibull分布。SFRAC试件冲击破坏次数的计算值随失效概率的提高而逐渐增大,符合材料本身物理特性。

3.钢纤维很好地抑制了裂缝的扩展,使得破坏时裂缝的发展更加充分,从而保证试件在承受冲击荷载时以裂缝发展的方式消耗更多的冲击动能;同等再生骨料取代率下,端钩形钢纤维RAC 试件冲击初裂和冲击破坏的阻裂性能分别是波纹形钢纤维RAC 试件的2.6～5.3倍和1.5～2.5倍,端钩形钢纤维对RAC抗冲击阻裂的改善效果比波纹形钢纤维的更为显著。