钢纤维再生混凝土劈拉和弯拉强度试验研究

蒋毓晋，安新正，王李鑫，刘浩楠，张翠霞

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

再生混凝土通常是指将建筑废物中的废弃混凝土块，经人工或者机器破碎、清洗和筛分等工艺后，以适当的比例用以部分或者全部替代天然骨料配制而成的混凝土。这种新型混凝土的开发利用不仅能够解决大量建筑废料管理困难的问题，而且还能减少对生态环境的破坏，具有显著的经济价值和社会效益[1-4]。但是由于再生粗骨料的表面孔隙和棱角多，吸水率大等原因，导致再生混凝土强度低、脆性大、抗拉强度低和弯曲韧性差，以至于在很大程度上限制了其应用范围[5-8]。钢纤维混凝土是将随机乱向分布的钢纤维掺入普通混凝土中形成的一种新型复合混凝土[9]，钢纤维的加入可以改善混凝土内部的缺陷，降低混凝土的脆性，显著提高其抗拉和抗弯性能[10-11]。周佳媚[12]等人为研究钢纤维混凝土的弯曲性能，通过对四种钢纤维掺量的切口梁进行三点弯曲试验，研究结果表明，钢纤维掺入后钢纤维混凝土切口梁的初裂荷载并无明显提升，但是开裂后的弯曲性能有着显著的提高。张阳[13]等人为了研究钢纤维含量对高强混凝土力学性能的影响，对不同钢纤维含量的试件进行了立方体抗压、轴心受压、弹性模量和四点弯曲试验研究，研究结果表明，随着钢纤维含量的增加，混凝土的立方体抗压、轴心受压弹性模量呈递增趋势，试件具有良好的受压变形性能，且弯拉强度也随着钢纤维含量的增加而显著提高。Jang[14]等人为了研究钢纤维含量和粗骨料粒度对钢纤维混凝土基本力学性能的影响规律，对不同钢纤维含量和粗骨料粒度的钢纤维混凝土试件进行了力学性能试验，研究结果表明，钢纤维含量和粗骨料粒度对抗压强度和弹性模量影响不大，但其弯曲和拉伸性能有显著提高。

目前国内外学者的研究大多针对钢纤维普通混凝土，对钢纤维再生混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC)的研究相对较少。故本文基于《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)[15]，对不同钢纤维体积率和再生粗骨料取代率的钢纤维再生混凝土试件开展劈裂抗拉和四点弯曲试验，研究钢纤维体积率和再生粗骨料取代率对其劈拉和弯拉强度的影响规律以及两者之间的相关关系，以期为钢纤维再生混凝土工程提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)水泥(C)：选用红旗牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；(2)粗骨料：包含天然粗骨料(NCA)和再生粗骨料(RCA)，其中天然粗骨料为具有良好级配的破碎卵石,如图1(a)所示，再生粗骨料选用学校结构试验室废弃混凝土梁经人工和机械破碎、筛分得到的级配良好的粗骨料，如图1(b)所示，两种粗骨料的粒径均为5～20 mm，其常用性能指标如表1所示；(3)细骨料：选用细度模数为1.8的天然河砂(S)，其含泥量为1.2%；(4)粉煤灰(FA)：选用邯峰电厂生产的Ι级粉煤灰，掺量为10%；(5)减水剂(WR)：减水率大于20%的ST-01聚羧酸高性能液体减水剂；(6)钢纤维(SF)：铣削波纹型，长度32 mm,长径比为34，抗拉强度为600 MPa；(7)水(W)：邯郸市政自来水。

图1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

表1 粗骨料物理性能指标Tab.1 Physical performance index of coarse aggregate

1.2 试验配合比与试件制作

试验基于相关规程[16-18]，以钢纤维体积率为0%、1%、2%和再生粗骨料取代率为0%、10%、20%、30%、40%作为设计变量共设计15组配合比(表2)。基于《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)[15]，每组配合比制作6个试件，其中3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块和3个100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件，放入养护室中标准养护28 d。

2 试验方法

2.1 劈拉强度试验

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB 50081—2002)[19]对标准养护28 d的钢纤维再生混凝土立方体试块开展劈裂抗拉强度试验，试验加载装置采用型号为YES-2000的数显式压力试验机，加载速率控制在0.05 MPa/s左右，其试验示意图，如图2所示。钢纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度值按公式(1)计算，每组试件的劈拉强度值为三个试件的算术平均值。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Recycled concrete mix ratio

(1)

式中：F—试件竖向破坏荷载；A—试件劈裂面截面面积。

图2 试验示意图Fig.2 Experimental schematic graph

2.2 抗弯强度试验

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(CECS 13—2009)[15]进行抗弯强度试验，本试验加载设备为微机控制WAW-1000型电液伺服试验机，采用四点弯曲加载和位移控制的加载方式，早期加载速率为0.15 mm/s,试件开裂后加载速率为0.1 mm/s。试验加载示意图和现场图如图3所示。钢纤维再生混凝土试件梁的弯拉强度值按公式(2)计算，每组试件的弯拉强度值为三个试件的算术平均值。

(2)

式中：ffs—梁试件的弯拉强度；Fpl—试件的峰值荷载；L—支座之间跨度；b—梁试件截面宽度；h—梁试件截面高度。

图3 试验示意图(单位：mm)Fig.3 Experimental schematic graph (unit: mm)

3 试验结果与分析

3.1 劈拉强度试验结果及分析

3.1.1 钢纤维体积率对SFRC劈拉强度的影响

图4给出了SFRC的劈拉强度fts随钢纤维体积率V的变化关系柱状图。由图4可以看出，当SFRC的再生粗骨料取代率r一定时，SFRC的fts随V的增大而增大。当r分别为0%，10%，20%，30%和40%时，V=1%和2%的SFRC试件相比于V=0%时的SRCF试件，fts分别提升了46.2%和58.3%，37.1%和53.3%，30.0%和48.2%，25.1%和39.8%，39.9%和47.1%，由此我们可以看出，含钢纤维的破碎卵石再生混凝土试件(V>0%)相比不含钢纤维的(V=0%)破碎卵石再生混凝土试件，劈裂强度明显提高，这是由于在SRCF劈裂受拉过程中的裂缝扩展阶段，随机乱向掺入的钢纤维中有部分钢纤维横跨于裂缝两端，这起到了很好的裂缝搭接作用，对裂缝有拉结作用。在裂缝的扩展过程中，这些钢纤维改善了SFRC的裂缝扩展的形态，阻碍了裂缝的发展。从而使SFRC的劈拉强度fts显著提高，并且钢纤维体积率V越大，劈拉强度fts增加的越显著。

图4 劈拉强度fts随钢纤维体积率V的变化关系柱状图Fig.4 Histogram of splitting tensile strength fts with steel fiber volume ratio V

3.1.2 再生粗骨料取代率对SFRC劈拉强度的影响

图5给出了SFRC的劈拉强度fts随再生粗骨料取代率r的变化关系图。由图5可以看出，当SFRC的体积率V一定时，SFRC的劈拉强度fts随再生粗骨料取代率r的增大，表现出先增大后减小的变化情况，在再生粗骨料取代率r=30%时，fts达到最大值。相比于r=0%时的SFRC试件，r=10%，20%，30%，40%时SRCF试件劈拉强度fts分别增长了7.0%，18.2%，26.3%，6.1%。在r=30%时，SFRC的fts增幅最大，劈裂抗拉强度最高。原因再于再生骨料的表面较为粗糙，且附着较多的老旧砂浆块，适量的再生粗骨料掺入可以增强骨料与水泥砂浆的界面粘结强度，增大了与混凝土基体之间的机械咬合力，从而使SFRC的劈裂抗拉强度有所提升。但由于再生骨料的强度较低，掺入过多又会劣化界面粘结强度。所以在r>30%时，SFRC的劈拉强度fts变化趋势开始下降。

图5 劈拉强度fts随再生粗骨料取代率r的变化关系图Fig.5 Relationship between splitting tensile strength fts and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.2 弯拉强度试验结果及分析

3.2.1 钢纤维体积率对SFRC弯拉强度的影响

图6给出了SFRC的弯拉强度ffs随钢纤维体积率V的变化关系图。由图6可知，当SFRC的再生粗骨料取代率r一定时，SFRC试件的弯拉强度ffs随钢纤维体积率V的增大而增大。当r分别为0%，10%，20%，30%和40%时，钢纤维体积率V=1%的SFRC试件相比于V=0%的SRCF试件，其弯拉强度ffs分别提高了42.9%、39.5%、40.5%、51.1%和44.4%；钢纤维体积率V=2%的SFRC试件相比于V=0%的SFRC试件，其弯拉强度ffs分别提高了97.1%、94.7%、97.6%、95.5%和94.4%。由此可以看出，含钢纤维的SFRC试件相比不含钢纤维的SFRC试件，其弯拉强度ffs显著提高，且随着V的增加而增加。这是由于钢纤维自身抗拉强度高，当SFRC试件中掺入随机乱向分布的钢纤维后，在试件受弯过程中钢纤维随机乱向横跨分布于裂缝两边，对裂缝两边的基体起到了很好的连结和锚固作用，从而抑制了裂缝的扩展，所以，SFRC试件的弯拉强度ffs显著提高，且随着钢纤维体积率V的增大，钢纤维分布于裂缝两边的数量越多，在裂缝上形成了片状钢纤维网，进一步增强了与基体之间的粘结锚固力，增强了它们的整体性能，从而抑制裂缝发展的作用越大，所以SFRC试件的延性有了很大的提高，随之其弯拉强度ffs也显著提高。

图6 弯拉强度 ffs随钢纤维体积率V的变化关系图Fig.6 Relationship between bending tensile strength ffs and steel fiber volume ratio V

3.2.2 再生粗骨料取代率对SFRC弯拉强度的影响

图7给出了SFRC的弯拉强度ffs随再生粗骨料取代率r的变化关系图。由图7可以看出，当SFRC的钢纤维体积率V一定时，SFRC的弯拉强度ffs随再生粗骨料取代率r的增大表现为先增大后减小的趋势，在r为30%时达到最大值。当钢纤维体积率V=0%时(即不掺钢纤维时)，SFRC的弯拉强度ffs相比于V=1%和V=2%时较小，并且再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%时的SFRC试件与r=0%的SFRC试件，其弯拉强度ffs分别提高了8.6%、20%、28.6%和2.85%。当钢纤维体积率V=1%时，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比较r=0%时的SFRC试件，其弯拉强度ffs分别提高了6%、18%、36%和4%；当钢纤维体积率V=2%时，再生粗骨料取代率r=10%、20%、30%和40%相比较r=0%时的SFRC试件，其弯拉强度ffs分别提高了7.2%、20.3%、27.5%和1.5%。由此可以看出，当再生粗骨料取代率r=30%时，SFRC试件的弯拉强度ffs增幅最大且其值达到最大值。当钢纤维体积率V=0%和再生粗骨料取代率r<30%时，一方面由于再生粗骨料表面粗糙且棱角多，其加入可以增强水泥砂浆和再生粗骨料的界面粘结性能[20-21]；另一方面再生粗骨料的吸水率比天然粗骨料大，从而在混凝土搅拌时吸走了部分拌和水，导致实际水灰比变小，所以使SFRC试件的弯拉强度ffs提高。但是当再生粗骨料取代率r>30%时，SFRC试件的弯拉强度ffs下降，原因是再生粗骨料本身的强度较低，掺入过多会使试件的强度变低而脆性增大，同时又会影响到浆体与骨料界面的粘结强度，所以其弯拉强度ffs下降。当钢纤维体积率V=1%和2%时，SFRC试件的弯拉强度ffs的变化规律跟V=0%时相同，也是随再生粗骨料取代率r的增大而先增大后减小，并都在r=30%时SFRC试件的弯拉强度ffs达到最大值，同时随着钢纤维体积率的增大而增大。原因是，再生粗骨料表面空隙多，随着钢纤维的掺加，使得再生粗骨料与钢纤维之间的粘结锚固作用增强，摩擦阻力增大，增强了再生粗骨料、钢纤维和浆体之间的整体性，从而有效提升了SFRC试件的抗弯强度，但是再生粗骨料掺量过多以及钢纤维的加入会增大试件内部的空隙，减弱钢纤维和浆体与骨料之间的连接作用，降低了试件的整体性，对SFRC试件的弯拉强度ffs产生不利影响。由此可以看出，再生粗骨料取代率为30%时为最佳掺量。

图7 弯拉强度ffs随再生粗骨料取代率r的变化关系图Fig.7 Relationship between flexural tensile strength ffs and replacement rate r of recycled coarse aggregate

3.3 SFRC劈拉强度和弯拉强度的关系

图8给出了SFRC的弯拉强度ffs和劈拉强度fts的关系图。

图8 弯拉强度ffs与劈拉强度fts的关系图Fig.8 Relationship between bending tensile strength ffs and splitting tensile strength fts

根据试验数据，对SFRC试件的ffs与fts进行拟合回归，得出两者的函数计算关系式为(拟合优度R2=0.96)：

4 结论

1)当再生粗骨料取代率一定时，随着钢纤维体积率的提高，钢纤维再生混凝土的劈拉强度和弯拉强度也随之提高，且受其影响显著。

2)当钢纤维体积率一定时，钢纤维再生混凝土的劈拉强度和弯拉强度则随再生粗骨料取代率的增加表现为先增大而后降低，且在再生粗骨料取代率为30%时增幅最大并达到最大值。

3)基于劈拉和弯拉强度试验数据，给出了钢纤维再生混凝土的弯拉强度和劈拉强度的函数计算关系式，且计算关系式与实际试验值吻合度较好，可为钢纤维再生混凝土的弯拉强度和劈拉强度的计算提供参考。