纤维再生混凝土力学性能试验及破坏分析

陈爱玖，王 静，杨 粉

（华北水利水电学院 土木与交通学院，河南 郑州 450011）

再生混凝土就是将废弃混凝土作为粗骨料拌制的混凝土.面对自然资源日益缺乏的情况，研究开发再生混凝土材料具有极为重要的社会意义和广阔的发展前景.目前对与普通混凝土配合比相同的再生混凝土基本性能的研究比较普遍，但对同时掺入纤维的再生混凝土基本性能的研究较少.笔者查阅相关研究资料，结果表明，钢纤维的加入可以提高再生混凝土的抗压强度和抗折强度[1－5]；玻璃纤维增强塑料约束再生混凝土强度明显提高，变形性能有所改善[6]；掺入聚丙烯纤维后，再生混凝土的抗压、抗折、劈拉强度和抗渗、抗裂、抗冲击等性能均有较大幅度提高[7－9].

本文采用正交试验法研究再生粗骨料掺量1）文中涉及的掺量除纤维掺量为体积分数外，其余均为质量分数.、粉煤灰掺量、减水剂掺量以及纤维类别对再生混凝土抗压强度、劈拉强度和抗折强度的影响，得出满足纤维再生混凝土（设计强度C35）良好和易性和强度要求的最佳配合比.利用JSM－6610LV型扫描电镜和螺旋CT扫描技术分析纤维再生混凝土内部破坏，从而为进一步利用纤维改性再生混凝土提供有效依据.

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰.细骨料为普通河砂，细度模数为3.0.天然粗骨料为连续级配碎石；再生粗骨料由废弃钢筋混凝土梁（抗压强度为25～35MPa）破碎加工制成.粗骨料基本性能见表1.纤维包括聚丙烯纤维和钢纤维，其中聚丙烯纤维（PPF）为束状单丝纤维，自分散性良好；钢纤维为铣削波纹型钢纤维（MCSF）和剪切端钩型钢纤维（CHSF）.纤维性能见表2.减水剂为FN－H高效减水剂.水为自来水.

表1 粗骨料基本性能Table1 Basic performance of coarse aggregate

表2 纤维性能Table2 Performance of fiber

1.2 试验方案

纤维再生混凝土设计强度为C35.粉煤灰采用超量取代，超量取代系数为1.5.正交试验方案选择L9（34），正交因素－水平表如表3所示，其中减水剂掺量以其占水泥质量分数计；粉煤灰掺量以其占胶凝材料质量分数计；再生粗骨料掺量以其占粗骨料质量分数计；纤维掺量以其占混凝土体积分数计.9组纤维再生混凝土配合比见表4.混凝土拌和方法、混凝土坍落度及强度测试方法参照CECS 13：89《钢纤维混凝土试验方法》进行.

表3 正交因素－水平表Table3 Orthogonal factor－level table

表4 纤维再生混凝土配合比Table4 Mix proportion of fiber recycled concrete

2 试验结果

纤维再生混凝土性能试验结果见表5.

表5 纤维再生混凝土性能试验结果Table5 Test results of performance of fiber recycled concrete

3 分析

3.1 极差分析

根据正交理论，分别计算出再生粗骨料掺量（A）、粉煤灰掺量（B）、减水剂掺量（C）、纤维类别（D）对纤维再生混凝土坍落度、抗压强度、劈拉强度、抗折强度影响的极差值，见表6.

表6 极差分析Table6 Range analysis

由表6可以看出：减水剂掺量和纤维类别是影响纤维再生混凝土和易性的重要因素；再生粗骨料掺量是影响纤维再生混凝土28d和90d抗压强度的重要因素；纤维类别是影响纤维再生混凝土28d劈拉强度和抗折强度的重要因素.

为了更直观分析各因素水平变化对纤维再生混凝土和易性及力学性能的影响并获得混凝土最佳配合比，分别绘制混凝土坍落度、28d抗压强度、28d劈拉强度和28d抗折强度正交分析点图，如图1（a）（d）所示.根据图1（a）（d），选择同时满足再生粗骨料混凝土良好和易性和各项力学性能要求的最佳正交组合，为A2B3C2D1，即再生粗骨料掺量为50%、粉煤灰掺量为20%、减水剂掺量为0.5%、铣削波纹型钢纤维掺量为1.0%.

3.2 和易性分析

由表6可见，影响纤维再生混凝土和易性因素的主次顺序是C＞D＞A＞B，即减水剂掺量＞纤维类别＞再生骨料掺量＞粉煤灰掺量.

由图1（a）可看出：

（1）纤维再生混凝土坍落度随减水剂掺量的增加而增大.当减水剂掺量为0.5%和1.0%时，纤维再生混凝土坍落度较不掺减水剂的分别增大9mm和42mm.

（2）当再生粗骨料掺量为100%时，纤维再生混凝土坍落度大幅下降.这是因为，再生粗骨料表面较天然粗骨料粗糙，这增大了混凝土拌和与浇注时的摩擦阻力；同时，再生粗骨料孔隙多、吸水率大、用浆量高，这使混凝土保水性和黏聚性增强，坍落度降低.

（3）纤维类别不同，纤维再生混凝土坍落度各不相同.铣削波纹型钢纤维再生混凝土坍落度大于剪切端钩型钢纤维再生混凝土.

图1 正交分析点图Fig.1 Point diagram of orthogonal analysis

3.3 抗压强度分析

由表6可见，影响钢纤维再生混凝土28d抗压强度因素的主次顺序是A＞D＞C＞B，即再生骨料掺量＞纤维类别＞减水剂掺量＞粉煤灰掺量；影响钢纤维再生混凝土90d抗压强度因素的主次顺序是A＞B＞D＞C，即再生骨料掺量＞粉煤灰掺量＞纤维类别＞减水剂掺量.

由图1（b）可看出：当再生粗骨料掺量为50%，100%时，纤维再生混凝土28d抗压强度较普通纤维混凝土分别降低约11%，17%.

采用扫描电镜对纤维再生混凝土磨光断面形貌进行分析，结果见图2（a）（d）.由图2（a）可见，再生粗骨料与旧砂浆间有较大裂缝，其宽度为30－40μm；由图2（b）可见，再生粗骨料与旧砂浆界面靠近砂浆的部位出现一孔洞；由图2（c）可见，再生粗骨料和新、旧砂浆界面之间存在较多裂缝，且裂缝间相互贯穿；从图2（d）可见，新、旧砂浆界面处的裂缝宽度为58μm.

在纤维再生混凝土中，再生粗骨料与新、旧砂浆界面之间存在裂缝，再加上再生粗骨料密度低、孔隙率高、压碎指标大、骨料本身强度低，因此纤维再生混凝土抗压强度较低.

由图1（b）还可看出：（1）铣削波纹型钢纤维再生混凝土28d抗压强度较剪切端钩型钢纤维再生混凝土高约12%.（2）粉煤灰超量取代后，纤维再生混凝土28d抗压强度低于未掺粉煤灰混凝土；减水剂掺量为0.5%时，纤维再生混凝土28d抗压强度最大.

3.4 劈拉、抗折强度分析

由表6可见，影响纤维再生混凝土28d劈拉强度因素的主次顺序是D＞A＞C＞B，即纤维类别＞再生骨料掺量＞减水剂掺量＞粉煤灰掺量；影响纤维再生混凝土28d抗折强度因素的主次顺序是D＞C＞A＞B，即纤维类别＞减水剂掺量＞再生骨料掺量＞粉煤灰掺量.

由表6和图1（c），（d）可见：（1）铣削波纹型钢纤维对再生混凝土28d劈拉和抗折强度的增强效果优于剪切端钩型钢纤维和混杂纤维.混杂纤维中含有聚丙烯纤维，因此聚丙烯纤维对再生混凝土28d劈拉和抗折强度的增强效果不明显.（2）当再生粗骨料掺量为50%，100%时，纤维再生混凝土28d劈拉强度较普通纤维混凝土分别降低约5%，8%，28d抗折强度分别降低约2%，5%.（3）铣削波纹型钢纤维再生混凝土28d劈拉强度较剪切端钩型钢纤维再生混凝土增加约4%，28d抗折强度增加约10%.

图2 纤维再生混凝土磨光断面SEM照片Fig.2 SEM photos of polished fracture surface of fiber recycled concrete

纤维再生混凝土试件经过抗折强度试验后，采用螺旋CT扫描技术对试件内部进行CT扫描，结果如图3（a）～（c）所示.由图3（a）可以看出，在S3试件中，裂缝贯穿碎石内部，即碎石受荷后发生破坏断裂，而贯穿裂缝的钢纤维完好，没有折断现象.由图3（b），（a）可以看出，S4试件中的裂缝宽度大于S3试件；S4试件不仅发生再生粗骨料断裂破坏，还发生再生粗骨料和新、旧砂浆之间的黏结破坏.这是由于再生混凝土强度低于普通混凝土强度，以及再生粗骨料本身断裂强度高于骨料和砂浆间黏结强度的缘故.由图3（a）～（c）可以看出，S7试件中再生粗骨料与砂浆间的裂缝宽度最大.

图3 纤维再生混凝土破坏形态截面图Fig.3 Failure pattern section of fiber recycled concrete

由图3还可以看到，纤维在混凝土中呈乱向分布状态，这阻碍了混凝土内部裂缝的扩展，有效提高了基体的抗拉、抗裂能力.

4 结论

（1）减水剂掺量和纤维类别是影响纤维再生混凝土和易性的重要因素.

（2）再生粗骨料掺量是影响纤维再生混凝土28d和90d抗压强度的重要因素.当再生粗骨料掺量为50%和100%时，纤维再生混凝土28d抗压强度较普通纤维混凝土分别降低11%和17%.

（3）纤维类别是影响纤维再生混凝土28d劈拉强度和抗折强度的重要因素.铣削波纹型钢纤维再生混凝土28d劈拉强度和抗折强度优于剪切端钩型钢纤维再生混凝土和混杂纤维再生混凝土.

（4）同时满足纤维再生混凝土良好和易性和各项力学性能要求的最佳正交组合为A2B3C2D1，即再生粗骨料掺量为50%、粉煤灰掺量为20%、减水剂掺量为0.5%、铣削波纹型钢纤维掺量为1.0%.

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