纤维增强再生混凝土抗压性能试验研究

林桂武　刘凯格　陈宇良　刘康

摘 要：为研究纤维增强再生混凝土的抗压性能，以纤维类型（钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维）和再生粗骨料取代率为变化参数，对75个标准立方体试件进行单轴受压试验。研究结果表明：钢纤维的掺入可有效提高再生混凝土抗压强度和耗能能力；掺入体积掺量为0.1%的聚丙烯纤维可改善再生混凝土的耗能能力；聚乙烯醇纤维体积掺量为0.1%时，再生混凝土的抗压强度改善效果最优；碳纤维为0.3%时，再生混凝土的抗压强度及耗能能力均得到提高；随着再生粗骨料取代率的增加，纤维增强再生混凝土的抗压强度和耗能能力呈减小趋势，当取代率为50%、70%时，掺入聚丙烯纤维的再生混凝土的抗压强度相较于取代率为0的聚丙烯纤维混凝土损失较大，分别降低了31.50%和18.60%。基于试验数据，建立了纤维增强再生混凝土单轴受压本构模型，且本构模型与试验曲线吻合程度良好。

关键词：纤维增强；再生混凝土；抗压性能；耗能；本构模型

中图分类号：TU528.58 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.009

0 引言

再生混凝土的利用不仅可以缓解工程建设中自然骨料资源短缺的状况，而且可以减少因旧建筑拆迁、自然灾害等原因造成的诸多环境问题。相较于普通混凝土，再生混凝土的力学性能略低，其应用局限于混凝土路面工程。由于再生粗骨料表面附着旧水泥砂浆及存在微裂缝等缺陷，导致再生混凝土内部水泥砂浆与粗骨料的薄弱界面较多[1-3]。

近年来，为了进一步提升再生粗骨料的实际利用价值，一些学者将不同类型纤维掺入再生混凝土中，纤维的增强、阻裂作用弥补了再生粗骨料的缺陷[4-7]。Shi等[8]根据研究得出体积掺量为1.0%的钢纤维能较好地抑制裂缝的开展，混凝土韧性达到最大值。高丹盈等[9-10]通过单轴受压试验对钢纤维再生混凝土进行研究，发现掺入钢纤维使再生混凝土发生剪切破坏，其应力-应变曲线更加饱满。尹俊红等[11]提出在混凝土中掺入不同长度和掺量的碳纤维来改善其力学性能，表明掺入碳纤维可有效提高混凝土的抗压强度及峰后延性。杜向琴等[12]发现掺入体积掺量为0.3%的碳纤维对混凝土的抗压强度和劈拉强度提高幅度最大。陆虓等[13-14]对聚丙烯纤维再生混凝土进行抗压试验研究，表明掺入体积掺量为0.1%的聚丙烯纤维对再生混凝土的抗压强度影响不明显。黄加圣等[15-16]对聚乙烯醇纤维增强混凝土进行试验研究，表明掺入聚乙烯醇纤维改善了混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度。

综上所述，关于纤维改性再生混凝土抗压力学性能的研究已取得了一定的成果，但不同纤维对再生混凝土力学性能方面的影响的研究仍不够完善。为进一步探究纤维对再生混凝土的改性作用，本文通过对钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维再生混凝土进行抗压力学性能试验，研究纤维类型对再生混凝土抗压性能的影响规律，提出不同纤维增强再生混凝土的单轴受压本构模型，以期为进一步研究纤维对再生混凝土的改性作用提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用的再生粗骨料是建筑拆除后的废弃混凝土梁、柱等经过鄂式破碎机破碎、清洗、筛分后得到的连续级配碎石，其粒径为5～20 mm；天然粗骨料粒径为5～20 mm的连续级配碎石，粗骨料的物理性能见表1。细骨料采用河砂，细度模数为2.38；外掺纤维采用波纹型钢纤维（SF）、碳纤维（CF）、聚丙烯纤维（PPF）、聚乙烯醇纤维（PVA）等4种纤维类型，其基本物理性能如表2所示。水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，拌合用水为城市自来水。

1.2 试验设计与制作

为揭示不同纤维增强再生混凝土的单轴受压破坏机理，本试验以纤维类型、再生粗骨料取代率（γ）为研究参数，共设计了75个150 mm×150 mm×150 mm立方体试件。再生混凝土内部的粗骨料以取代率大小等质量部分或全部取代天然粗骨料，再生粗骨料取代率分别为0、30%、50%、70%和100%；纤维类型考虑了钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维这4种纤维。根据JGJ/T 221—2010[17]，纤维体积掺量为纤维体积与每立方纤维混凝土体积的比值，这4种纤维对应的纤维体积掺量分别为1.0%、0.3%、0.1%、0.1%。参考JGJ 55—2011[18]，混凝土设计强度等级为C35，各组试件的设计参数如表3所示。试件编号以RAC-50为例，RAC-50表示取代率为50%的再生混凝土试件；以SF-50为例，SF-50表示取代率为50%的钢纤维增强再生混凝土；以此类推。

1.3 加载制度

试验采用RMT-301试验机对试件施加单轴受压荷载，加载装置如图1所示。试验采用位移控制的加载方式，加载时为保证试件稳定的变形，以0.02 mm/s的速率加载，当施加的荷载使得试件破坏后，停止加载。

2 试验结果

2.1 破坏形态

图2为纤维增强再生混凝土的单轴受压典型破坏形态。由图2可见，纤维增强再生混凝土呈正倒相接的四角錐破坏形态。在加载初期，纤维增强再生混凝土试件表面无明显裂缝，试件变形主要由骨料和水泥的结晶体产生；由于荷载作用使得短而细小的微裂缝出现在试件表面，且裂缝的发展与受力方向平行，掺入CF、PPF及PVA纤维可有效约束再生混凝土的横向变形，而由于混凝土中部分钢纤维与骨料边壁平行使得掺入SF纤维对试件横向变形的约束作用小。当荷载达到峰值时，试件表面的竖向裂缝不断增多、变宽，斜向细小裂缝逐渐沿竖向裂缝周围产生，试件中部混凝土向外鼓胀，此时跨越裂缝的SF纤维有效发挥其阻裂作用，使得裂缝开展速率减小；掺入CF、PPF及PVA纤维对混凝土的横向变形产生很好的约束效果。峰值荷载过后，试件表面的斜裂缝迅速发展，裂缝宽度不断加大，逐渐形成贯通裂缝且伴随部分混凝土脱落，纤维被拉断或拔出，此时掺入SF纤维的试件发生横向膨胀变形，相较于CF、PVA及PPF纤维试件，其变形程度较大，表面混凝土脱落较少。

2.2 纤维增强再生混凝土应力-应变曲线

图3为纤维增强再生混凝土的应力（σ）-应变（ε）曲线。从图3可以看出，纤维增强再生混凝土的应力-应变曲线经历4个阶段：

1）弹性变形阶段。纤维增强再生混凝土的应力-应变曲线呈线性增长，荷载主要由试件内部的胶结力及水泥基体包裹纤维之间的黏结力承担。

2）内部裂缝发展阶段。该阶段纤维增强再生混凝土的应力-应变曲线逐渐偏离直线、呈现微凸的趋势，该阶段由于SF纤维与骨料产生边壁效应使得桥接作用受到限制，而CF、PPF及PVA纤维可有效发挥其阻裂作用，荷载主要由试件内部的胶结力和跨越裂缝的纤维承担。

3）宏观裂缝发展阶段。这一阶段由于混凝土内部的裂缝不断加宽、延伸、相互连通成为宏观裂缝，使得纤维增强再生混凝土试件的应力-应变曲线斜率降低，荷载主要由水泥基体包裹纤维的黏结力和跨越裂缝的纤维承担。

4）残余强度阶段。该阶段随着应变的持续增长，应力下降速率减慢，试件承载力主要由裂缝间残余的黏结力及摩阻力提供。

2.3 特征点参数

各组试件的峰值应力（σc）、峰值應变（εc）、实际耗能（Q）等特征点参数如表4所示，表中特征点值为同组试件实测数据的平均值。

3 试验分析

3.1 纤维增强再生混凝土抗压强度

3.1.1 纤维类型对抗压强度的影响

图4为纤维类型对纤维增强再生混凝土抗压强度（fc）的影响。由图4可见，掺入SF、CF及PVA纤维可有效提高再生混凝土的抗压强度。当取代率为50%时，掺入SF、CF、PVA纤维再生混凝土试件的抗压强度相较于再生混凝土分别增加了9.82%、20.00%、40.60%；当取代率为70%时，掺入SF、CF、PVA纤维再生混凝土试件的抗压强度相较于再生混凝土分别增加了13.80%、30.00%、50.70%；当取代率为100%时，掺入SF、CF及PVA纤维试件的抗压强度相较于再生混凝土分别增加了8.17%、44.90%和17.10%。主要原因是SF对再生混凝土阻裂和横向约束作用增强使得掺入SF的试件抗压强度提高；由于CF、PVA纤维均匀分散在再生混凝土试件中，纤维彼此交错、乱向分布，容易在混凝土内部裂缝发展阶段形成三维网状，使得试件的内部结构更加紧密；从图4还可发现，当取代率为50%、70%时，掺入PPF纤维试件的抗压强度相较于再生混凝土分别降低了25.70%、4.68%，其原因可能是混凝土在搅拌过程中会产生气泡，纤维易成团，阻碍气泡上浮，导致混凝土内部不密实，使PPF纤维试件的抗压强度降低。

3.1.2 取代率对抗压强度的影响

图5为再生粗骨料取代率对纤维增强再生混凝土抗压强度（fc）的影响。由图5可见，当取代率由0增加到100%时，掺入SF纤维试件的抗压强度整体呈降低趋势；当取代率由30%增加到100%时，掺入PVA纤维的试件抗压强度相较于取代率为0的PVA纤维混凝土试件的抗压强度分别降低了30.00%、4.18%、4.89%、10.80%；当取代率为50%、70%时，掺入PPF纤维的试件抗压强度相较于取代率为0的PPF纤维混凝土试件的抗压强度分别降低了31.50%、18.60%。主要是由于再生骨料本身缺陷随着再生粗骨料数量的增加而逐渐增多，随着再生粗骨料数量的增多，再生粗骨料表面的微裂缝及旧水泥砂浆也不断增多，则再生粗骨料的负面作用强于纤维对再生混凝土的强化作用。

3.2 耗能

峰值应力下降至85%时，将其对应的应力-应变曲线积分面积作为试件破坏的实际耗能，其耗能计算示意图如图6所示，并利用式（1）计算出试件的耗能，耗能计算结果见表4。

式中：ε0.85表示峰值应力下降85%时试件对应的应变；σ表示试件的应力；ε表示试件的应变。

3.2.1 纤维类型对耗能的影响

纤维增强再生混凝土实际耗能与不同纤维类型的关系如图7所示，掺入纤维可有效提高再生混凝土的耗能能力。当取代率为30%时，掺入SF、CF、PPF及PVA纤维的试件耗能值相较于再生混凝土分别增大了82.80%、8.34%、27.00%、31.00%，这主要是跨越裂缝的纤维发挥了阻裂作用，使得试件耗能增加。当取代率为50%时，掺入SF及PVA纤维的试件耗能相较于再生混凝土，分别增大了63.60%和42.70%，而掺入CF及PPF纤维的试件耗能相较于再生混凝土，分别减小了4.32%和16.34%，这主要是纤维分散不均匀，使得纤维与水泥砂浆包裹不紧密，导致试件的耗能降低。相较于取代率为70%、100%再生混凝土，掺有SF纤维试件的耗能分别提高了93.70%、93.40%，这主要是粗骨料内部吸收水量增多，再生混凝土水灰比降低，SF与基体间的黏结更为紧密且强度提高，使得试件的耗能显著增强。

3.2.2 取代率对耗能的影响

纤维增强再生混凝土实际耗能与再生粗骨料取代率的变化关系如图8所示。由图8可见，当取代率由30%增加到100%时，掺入SF纤维的试件耗能值相较于取代率为0的SF纤维混凝土试块的耗能值分别降低了7.82%、19.40%、9.86%、14.50%；当取代率由30%增加到100%时，掺入PPF纤维试件的耗能值相较于取代率为0的PPF纤维混凝土试件的耗能值分别降低了3.06%、37.60%、24.30%、11.20%。这是因为再生粗骨料孔隙率较大，内部存在一定的微裂缝，以及再生粗骨料在二次破碎时产生损伤，再生粗骨料的弱化作用高于纤维对再生混凝土的强化作用，试件耗能能力减小。相较于取代率为0的PVA纤维混凝土试件，取代率为30%的PVA纤维试件的耗能值增加了6.38%，其原因是再生粗骨料较少，其弱化作用小于纤维对再生混凝土的强化作用。

4 纤维增强再生混凝土单轴受压本构模型

基于纤维增强再生混凝土自身特点，本文考虑再生粗骨料取代率，对过镇海模型[19]相关参数进行修正，得到纤维增强再生混凝土的单轴受压本构模型。

式中：x =ε/εc；y =σ/σc；a和b分别为曲线上升段和下降段的参数，a值和b值由实测纤维增强再生混凝土应力-应变曲线（图3）的数据拟合得到，a值和b值如表5所示。

由表5可知，从a、b的平均值来看，掺入SF纤维再生混凝土曲线相较于再生混凝土，上升段参数增大，下降段参数减小；掺入CF、PPF纤维再生混凝土相较于再生混凝土，上升段参数减小，下降段参数增大；掺入PVA纤维再生混凝土曲线相较于再生混凝土，上升段及下降段参数均减小。

将上述有关参数a和b的平均值代入式（2）—式（3），得到纤维增强再生混凝土的应力-应变曲线单轴受压本构模型。为验证该应力-应变曲线模型及参数计算的精确性，将拟合结果与实验结果进行对比，如图9所示，拟合结果与试验结果曲线拟合较好。

5 结论

1）纤维增强再生混凝土的破坏形态与普通混凝土相似，均呈正倒相接的四角锥形；掺入钢纤维对再生混凝土横向变形约束作用强。

2）聚乙烯醇纤维对再生混凝土的抗压强度改性效果最优，当取代率为50%、70%时，掺入聚乙烯醇纤维使再生混凝土的抗压强度分别提高了40.60%、50.70%；掺入钢纤维对再生混凝土的耗能能力改性效果最优，当取代率为70%、100%时，掺有钢纤维试件的耗能值相较于再生混凝土的耗能值分别提高了93.70%、93.40%。

3）纤维增强再生混凝土的抗压强度随着再生粗骨料取代率的增加而减小。掺入钢纤维增强再生混凝土试件的耗能能力相较于取代率为0的钢纤维混凝土试件的耗能能力均减小。

4）基于试验结果，建立了考虑再生粗骨料影响的分段式应力-应变曲线单轴受压本构模型，且本构模型与试验曲线符合程度良好。

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Experimental study on compressive properties of

fiber reinforced recycled concrete

LIN Guiwu1， LIU Kaige1， CHEN Yuliang*1， 2， LIU Kang1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Liuzhou Key Laboratory of Green Advanced Civil Engineering Materials Application（Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the compressive properties of fiber reinforced recycled concrete， uniaxial compression tests are carried out on 75 standard cube specimens with fiber types （steel fiber， carbon fiber， polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber） and regenerated coarse aggregate replacement rate as parameters. Test results show that the incorporation of steel fibers can effectively increase the compressive strength and energy dissipation capacity of recycled aggregate concrete. The incorporation of polypropylene fiber with a volume content of 0.1% can improve the energy dissipation capacity of recycled concrete. When the volume content of polyvinyl alcohol fiber is 0.1%， the improvement effect of compressive strength of recycled concrete is the best. When the volume content of carbon fiber is 0.3%， the compressive strength and energy dissipation capacity of recycled concrete are improved. The compressive strength and energy dissipation capacity of fiber reinforced recycled aggregate concrete show a decreasing trend as the replacement ratio increases. When the replacement ratio is 50% and 70%， the loss of compressive strength of the recycled concrete mixed with polypropylene fiber is larger compared with the polypropylene fiber concrete with a replacement ratio of 0， which is reduced by 31.50% and 18.60% respectively. Based on the experimental data， the stress-strain model for fiber reinforced recycled aggregate concrete is developed， and the intrinsic models are in close agreement with the test curves.

Key words： fiber reinforced; recycled concrete; compressive properties; energy dissipation; constitutive model

（責任编辑：罗小芬）

收稿日期：2022-11-22

基金项目：中国博士后科学基金项目（2021M693854）；柳州欧维姆机械股份有限公司博士后科研工作站科研项目（202123）；广西科技大学研究生教育创新计划项目（GKYC202231）资助

第一作者：林桂武，硕士，教授，研究方向：土木工程建造，E-mail：723633592@qq.com

*通信作者：陈宇良，博士，副教授，研究方向：绿色建材资源化再生利用，E-mail：ylchen@gxust.edu.cn