层布式混杂纤维再生高强混凝土力学性能研究

金贤泽，裴长春

(延边大学工学院,吉林 延吉 133002)

为了降低建筑垃圾对环境的污染以及资源的循环利用，近年来将废弃混凝土加工成再生骨料应用于再生混凝土制备中。但再生骨料本身自带缺陷，加入再生骨料的混凝土的强度、延性以及抗拉、抗剪强度与抗压强度的比值均低于普通混凝土[1]。为提高再生混凝土的力学性能，刘小根等[2]研究表明，层布式钢纤维混凝土可提高混凝土的劈裂、抗折强度和弯曲韧性,对抗压强度影响不大；章文姣等[3]研究表明，在再生混凝土中掺入钢纤维后,其各项力学性能都有所提高并且加入纤维后,再生混凝土由脆性破坏变成塑性破坏。本文通过改变撒布纤维层数，研究分析了不同撒布纤维层数对层布式混杂纤维再生高强混凝土的基本力学性能和试块破坏形态的影响，为层布式混杂纤维再生高强混凝土的实际工程应用提供理论依据[4]。

1 试验概况

本试验以15%(总胶凝体中所占质量百分比)的粉煤灰替代部分水泥，以30%(总胶凝体中所占质量百分比)再生粗骨料代替天然粗骨料配制再生高强混凝土基准组(JC组)(见表1)。并对基准组混凝土改变混杂纤维撒布层数4个水准(见图1)，共设计5组再生高强混凝土进行测试。本试验采用的混凝土水胶比均为0.3，砂率均为0.48，减水剂掺率均为1.0%。并在28 d龄期测试层布式混杂纤维再生高强混凝土的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、拉压比与弹强比等基本力学性能以及试块破坏形态。具体实验方案设计及再生混凝土配合比见表2。

表1 实验方案设计

表2 再生混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

图2，图3为不同混杂纤维层数高强再生混凝土的立方体抗压强度和棱柱体抗压强度。由图2可以看出，再生高强混凝土的立方体抗压强度随混杂纤维撒布层数的增加而增加，C4组较基准组(JC组)提高了9.89%。这是因为纤维可以减小再生高强混凝土基体中微细裂缝端部的应力集中现象，并可在混凝土受荷过程中吸收大量能量，从而能够抑制裂缝的扩展，提高再生混凝土抗压强度[5]。由图3可以看出：C1组和C2组的棱柱体抗压强度均比JC组降低了0.14%；而C3组和C4组的棱柱体抗压强度均高于JC组，分别提高了3.1%和6.35%。这是因为当混杂纤维撒布层数较小时(1层～2层)，纤维掺入再生高强混凝土基体中的量较少，导致其增强再生高强混凝土的抗压强度的作用并不明显，且掺入混杂纤维会使混凝土基体内部的孔隙率增加，因此降低了C1组和C2组的抗压强度[6]。

2.2 劈裂抗拉强度

图4为不同混杂纤维层数高强再生混凝土劈裂抗拉强度。由图4可知，在试块中掺入纤维能够提高再生高强混凝土的劈裂抗拉强度，其中纤维层数为2层时的劈裂抗拉强度提高得最大。C2组较JC组提高了13.15%。这是因为纤维在再生高强混凝土基体中可以充当微细钢筋，并把基体内的裂缝和孔隙连接起来，一定程度地能够推迟初始混凝土裂缝的出现时间和限制裂缝的扩展，从而可以提高劈裂抗拉强度[7]。

2.3 弹性模量

图5为不同混杂纤维层数高强再生混凝土的弹性模量。由图5可知，随着纤维层数从1层增加到4层时，再生高强混凝土的弹性模量先呈现下降后提高的趋势。其中C1组和C2组的混凝土弹性模量均低于JC组，分别下降了2.35%和1.68%。而C3组和C4组的混凝土弹性模量均高于JC组，分别提高了4.12%和9.41%，该结果与本文中的棱柱体抗压强度分析结果相符。

2.4 拉压比

拉压比(劈裂抗拉与立方体抗压强度之比)是衡量混凝土脆性的指标之一，且拉压比越大表示混凝土脆性越低。由图6可知，撒布纤维层数后，再生高强混凝土的拉压比表现出先提高后下降的趋势，但均高于JC组。其中C2组的拉压比提高得最大，较JC组提高了10.61%。

这表明撒布纤维的再生高强混凝土与基准组再生高强混凝土相比，其脆性降低、延性增加。

2.5 弹强比

弹强比(弹性模量与棱柱体抗压强度之比)是衡量混凝土抗裂性的指标之一，弹强比越小，表明混凝土抗裂性越好。由图7可知，再生高强混凝土的弹强比随着撒布混杂纤维层数的增加呈现出先下降后提高的趋势。其中C1组和C2组分别比JC组下降2.41%和1.53%，而C3组和C4组比JC组分别提高了0.87%和2.82%。其原因可能是撒布混杂纤维层数较大(3层～4层)时,再生高强混凝土基体内部孔隙率有所增加，进而导致再生高强混凝土的抗裂性能较差。

2.6 试件破坏形态

图8，图9为不同混杂纤维层数的高强再生混凝土的立方体抗压破坏形态、棱柱体抗压破坏形态图。JC组高强再生混凝土试块在抗压试验中呈现的是突然爆裂破坏(爆裂声较大)，且破坏时无明显征兆，如图8(a)和图9(a)所示。撒布混杂纤维层的再生高强混凝土试块在破坏时其的爆裂破坏声小于JC组，且混凝土试块仅出现轻微外崩和剥落，如图8(b)～图8(e)，图9(b)～图9(e)所示。其原因是纤维增强层在试块受压时能够一定程度地限制其内部裂缝的增长和扩展，延缓试块受破坏的时间，且当试块的承载力到达极限荷载后，结构仍具有一定的承载能力，因此比JC组表现出更好的塑性[8]。

图10为不同混杂纤维层数的高强再生混凝土的劈裂抗拉破坏形态图。由图10(a)可以看出，普通再生高强混凝土试块受到破坏时，呈脆性破坏(其沿着劈裂面分为两部分)。由图10(b)～图10(e)可以看出，撒布混杂纤维层后的混凝土试块受到破坏时，破坏程度较小，仅沿着劈裂面产生1条裂缝，且随着撒布混杂纤维层数的增加，其裂缝长度和宽度均逐渐变小，即破坏具有一定的塑性。

3 结论

为了提高再生混凝土的力学性能，本文改变不同混杂纤维撒布层数，实验分析再生高强混凝土的基本力学性能，其研究结果如下：1)随着混杂纤维撒布层数的增加，高强再生混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均高于JC组，其中C4组强度提高得最大。而棱柱体抗压强度和弹性模量呈现出先下降后增长的趋势，其中C4组强度提高得最大。2)随着不同混杂纤维撒布层数的变化，当混杂纤维撒布层数为1层～2层时能有效改善高强再生混凝土的脆性，但层数超过2层时其抗裂性能会有所下降。