钢纤维再生混凝土劈拉强度试验研究

2013-08-28张丽娟高丹盈朱海堂楼志辉

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年1期

张丽娟，高丹盈，朱海堂，楼志辉

(郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州450002)

目前，我国对建筑物拆除和施工过程中产生的废弃混凝土采取的处理措施是简单的遗弃和填埋，需占用大量空地且污染环境［1］.再生混凝土是指使用经过破碎加工的废弃混凝土为骨料而配制的混凝土.该处理技术不仅可以从根本上解决废弃混凝土的处理问题，还可节约天然骨料资源，具有显著的社会、经济和环境效益［2］.但是再生混凝土骨料的棱角过多，针状物所占材料面积过大，而且在废弃混凝土的破碎过程中会产生大量的内部横向裂纹，再生骨料表面往往包裹着一层水泥砂浆，这些都影响再生混凝土的强度.

目前，国内外对再生混凝土的劈拉强度已做了大量的研究［3－5］.由于再生骨料比天然骨料有更多的先天缺陷，混凝土的受拉破坏源自材料内部的先天缺陷处发生裂纹扩展，受拉破坏对裂纹扩展的敏感程度较高，使得再生骨料混凝土的抗拉强度较天然混凝土有不同程度的降低.而在混凝土中加入钢纤维可提高其抗拉、抗弯、抗剪等性能.为提高再生混凝土的抗拉强度，笔者将钢纤维加入再生混凝土中，试验研究了钢纤维类型和体积分数、再生粗骨料处理方式及尺寸效应对混凝土劈拉强度的影响，验证了钢纤维再生混凝土抗拉强度的计算公式.

1 试验设计与试验方法

试验主要研究钢纤维体积分数和钢纤维类型、试件尺寸、再生骨料预处理方式对钢纤维再生混凝土劈拉强度的影响.再生粗骨料是将强度30～40 MPa的实验室废弃混凝土构件破碎筛分而成，连续级配，粒径5～20 mm，实测级配见表1.天然粗骨料为石灰石碎石，粒径5～20 mm连续级配;细骨料为天然河砂;FDN－1型高效减水剂，掺量为水泥用量的1.0%;试验采用铣削型(MF)、剪切波纹型(SF)、切断弓型(BF)3种类型钢纤维，其特征参数见表2.

表1 再生粗骨料级配

表2 钢纤维特征参数

再生骨料比天然骨料内部裂纹多，吸水率大，其品质好坏直接影响再生混凝土强度.目前关于改进再生骨料性能的研究很多［6－7］，再生骨料的预处理方式会对它的性能产生较大影响.结合前人方法，采用较为方便的3种处理方式，即预湿水再生粗骨料RⅠ(浇筑前预先吸水达到饱和面干状态)、未处理再生骨料RⅡ、水泥浆预包裹再生骨料RⅢ(搅拌前用设计水泥浆对再生粗骨料进行预裹浆).为了研究再生骨料处理方式对再生骨料混凝土劈拉强度的影响，采用 MF 钢纤维，体积分数 ρf为 1.0%，使用 RⅠ，RⅡ，RⅢ再生骨料，制作边长为150 mm的立方体试件.

研究纤维体积分数对钢纤维混凝土劈拉强度的影响时，采用再生骨料RⅠ和MF钢纤维，钢纤维体积分数 ρf分别取为 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，制作边长为150 mm的立方体试件.研究钢纤维类型对劈拉强度的影响时，采用再生骨料RⅠ，使用3种不同类型的纤维，体积分数都取1.0%，制作边长为150 mm的立方体试件.研究试件尺寸效应的影响时，同样采用再生骨料RⅠ和MF钢纤维，钢纤维体积分数ρf取为1.0%，制作边长为100 mm和200 mm的立方体非标准试件.试验方法参照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13∶2009)，每组3个试件，共38组，共计成型114个试件.

钢纤维混凝土立方体劈裂拉强度计算公式为

式中:ffs为钢纤维混凝土劈裂抗拉强度，MPa;Fmax为最大荷载，N;A为试件劈裂面面积，mm2.

劈拉强度试验结果见表3和表4.

表3 标准试件劈拉强度试验结果

表4 非标准立方体试件劈拉强度的试验结果

2 劈拉强度的影响因素与分析

在研究钢纤维对混凝土劈拉强度的影响时，为了消除基体混凝土的影响，引入劈拉强度增强比，即钢纤维混凝土与对应配合比素混凝土的劈拉强度的比值.下面分析钢纤维体积分数及类型、再生粗骨料处理方式和试件尺寸对钢纤维再生混凝土劈拉强度及其增强比的影响.

2.1 钢纤维体积分数对劈拉强度的影响

MF钢纤维预湿水再生骨料混凝土(MFRⅠC)与MF钢纤维天然骨料混凝土(MFNC)的劈拉强度与纤维体积分数的关系如图1所示.由图1可知，两种混凝土的劈拉强度都随钢纤维体积分数ρf的增加而增大，且MFRⅠC劈拉强度增幅较大.当纤维体积分数ρf分别为0.0%和2.0%时，MFRⅠC的劈拉强度分别为3.11 MPa和 5.71 MPa，增幅为 84%;MFNC的劈拉强度为3.77 MPa和5.67 MPa，增幅为50%.当纤维体积分数ρf小于1.0%时，MFRⅠC的劈拉强度较MFNC要小，但是当钢纤维体积分数增加到1.5%，2.0%的时候，MFRⅠC的劈拉强度接近甚至超过MFNC的劈拉强度.数据表明，随着钢纤维体积分数的增加，钢纤维对再生混凝土劈拉强度的增强效果更好.

图1 劈拉强度与钢纤维体积分数的关系

劈拉强度增强比随纤维体积分数的变化规律如图2 所示.当纤维体积分数为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%时，MFRⅠC的劈拉强度增强比分别为1.02，1.28，1.50，1.68;同等条件下，MFNC 的劈拉强度增强比分别为 1.03，1.33，1.38，1.75.显然，随纤维体积分数增大，MFRⅠC和MFNC的劈拉强度增强比均呈明显上升趋势，且在相同的纤维体积分数时，两者值较为接近.

图2 劈拉强度增强比与钢纤维体积分数的关系

由图1和图2还可以看出，当 ρf较小(ρf=0.5% ～1.0%)时，MFRⅠC的劈拉强度及其增强比都低于 MFNC，而当 ρf较大(ρf=1.5% ～2.0%)时，MFRⅠC劈拉强度及其增强比与MFNC相近.

预湿水再生混凝土劈拉强度值低于天然混凝土劈拉强度，约为天然混凝土劈拉强度的82.5% ～94.2%.而对于钢纤维预湿水再生混凝土MFRⅠC，当纤维体积分数为 0.5%，1.0%，1.5%，2.0% 时，其劈拉强度分别为天然混凝土劈拉强度的86.1%，81.4%，100.2%，100.8%.随着纤维体积分数的增加，钢纤维再生混凝土的劈拉强度会逐渐接近甚至超过天然混凝土的劈拉强度.

纤维间距理论认为要想增强混凝土(尤其是再生混凝土)这样本身带有缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减小缺陷的尺寸，提高材料的韧性，减小裂缝尖端应力场强度因子.通过增加单位面积内的纤维数，即减小纤维间距，可以很好地提高抗拉强度.在钢纤维体积分数较小时，单位面积内的纤维数也较少，钢纤维不能有效缓和再生骨料先天缺陷处的应力集中和有效抑制裂缝的发展，使得钢纤维的增强效果小于因再生骨料先天缺陷而引起的强度降低，最终再生骨料混凝土的立方体劈拉强度低于钢纤维天然混凝土的劈拉强度.而钢纤维体积分数较大时，钢纤维的增强作用起主导地位，故钢纤维再生混凝土的立方体劈拉强度与钢纤维天然混凝土的相近.所以对于再生骨料混凝土，要想通过钢纤维的增强作用弥补再生骨料缺陷造成强度的降低，需要使用较大的纤维体积分数.由于试验数据所限，对于纤维体积分数大于2%以后的钢纤维再生骨料混凝土的劈拉强度未做研究，所以变化趋势还不能确定.

2.2 钢纤维类型对劈拉强度的影响

研究纤维类型对混凝土劈拉强度的影响时，3种类型钢纤维的体积分数都取为1.0%，再生粗骨料通过预湿水方式处理.表5和表6分别列出了不同钢纤维类型的再生混凝土和天然骨料混凝土的劈拉强度以及劈拉强度增强比的试验值.

表5 再生混凝土和天然骨料混凝土劈拉强度 MPa

表6 再生混凝土和天然骨料混凝土劈拉强度增强比

由表5可知:当纤维体积分数为1.0%时，由于纤维体积分数较低，3种类型的钢纤维预湿水再生混凝土的劈裂抗拉强度均低于同等条件下的钢纤维天然混凝土的劈裂抗拉强度;无论是对于再生混凝土还是普通混凝土来说，3种纤维对其强度影响趋势基本一致;以BF钢纤维对混凝土劈拉强度的增强效果最为显著，其次是MF钢纤维，增强效果最低的是SF钢纤维;对天然骨料混凝土掺加BF钢纤维，相比SF钢纤维，其劈拉强度增加了22%;对再生骨料混凝土掺加BF钢纤维，相比SF钢纤维，其劈拉强度增加了57%.由此可见，不同纤维类型对纤维混凝土劈拉强度影响较大，尤其是再生骨料混凝土，对纤维类型的影响更为敏感.

由表6可知，MF钢纤维和SF钢纤维对天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的增强效果较为相近，而BF钢纤维对再生骨料混凝土的增强效果远大于其对天然骨料混凝土的增强效果.这是因为BF钢纤维的两头存在端弯钩，在混凝土中起了锚固作用，使得BF钢纤维与混凝土之间的黏结力增加，共同工作的性能进一步增强.此外，对于内部存在更多缺陷的再生骨料混凝土，如果钢纤维与混凝土之间的黏结力增加，则在受力时钢纤维与混凝土之间能够更好地实现力的传递，在很大程度上减少了应力集中.在3种类型钢纤维中，BF钢纤维与混凝土之间黏结最好，所以它对再生骨料混凝土的增强效果要远远优于其他两种钢纤维，同时也优于对天然骨料混凝土的增强作用.

由此可见，钢纤维类型对钢纤维再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度影响较为敏感.所以，在选择钢纤维时要考虑钢纤维与混凝土之间的黏结作用.

2.3 再生粗骨料处理方式对劈拉强度的影响

研究3种再生骨料预处理方式对钢纤维再生混凝土劈拉强度的影响时，使用体积分数为1.0%的MF钢纤维，再生骨料分别使用 RⅠ，RⅡ，RⅢ再生骨料.

经研究发现，3种再生混凝土的劈拉强度均小于钢纤维天然骨料混凝土的劈拉强度，降低幅度分别为18.58%，16.07%，24.64%.由裹浆法处理的RⅢ再生骨料制备的混凝土的劈拉强度明显偏小.而有相关资料表明，经过水泥浆强化后的再生混凝土的劈拉强度要比前两种类型的再生混凝土略有增强［7－8］.这与本试验数据不太相符，可能是由于再生混凝土骨料的变异或者混凝土试验本身存在变异性所致.本试验中混凝土水灰比为0.48，由于再生骨料吸水率较大，而再生骨料RⅡ未经过处理，吸水性相对较大，可能在浇筑的过程中过多地吸收了拌和水，从而间接减少了水灰比，使得MFRⅡC1.0的劈拉强度最高.

在除去基体混凝土的影响后，3种预处理方式的再生混凝土的劈拉强度增强比差异并不明显.钢纤维对RⅠ，RⅡ，RⅢ，N等4种粗骨料混凝土的劈拉强度增强比分别为 1.28，1.28，1.24，1.33.可见，钢纤维体积分数仅为1.0%时，对再生混凝土的增强作用并不明显，钢纤维再生混凝土劈拉强度及其劈拉强度增强比要略低于同条件下的钢纤维天然骨料混凝土.

2.4 尺寸效应对再生混凝土劈拉强度的影响

由于混凝土材料内部缺陷较多，尺寸效应会对其强度产生一定的影响.我国标准规定，对于边长100 mm的立方非标准试件的劈拉强度，天然混凝土的尺寸效应系数为0.85，而天然钢纤维混凝土为0.80，这主要是因为存在“夹箍作用效应”的影响.劈拉试验时，垫条会对周围混凝土有接触性约束的作用，与垫条相接触的混凝土处于受压状态.随着离垫条端距离的增加，夹箍作用逐渐减弱，裂缝首先在试件中心出现.因此，试件尺寸越小，接触性约束的影响就大.通过与素混凝土对比发现，钢纤维混凝土受试件尺寸影响较大.这是由于在浇筑过程中，钢纤维在试模边壁的分布会产生平行边壁分布和取向的趋势，这样就提高了试件边壁附近的抗拉强度和对整个试件的约束作用，即产生所谓“边壁效应”.随着试件尺寸的减小，产生边壁效应的范围所占总体积的比例越大，抗拉强度提高越大，可以推断钢纤维混凝土劈拉强度的尺寸效应将比普通混凝土更大［8］.

在相同钢纤维体积分数下，MFNC1.0 和MFRⅠC1.0的劈拉强度随试件尺寸的变化规律如图3所示.再生素混凝土和普通素混凝土一样，劈拉强度随着试件尺寸的增大而减小.试件边长为100 mm时，MFNC1.0 尺寸效应系数为0.84，MFRⅠC1.0 尺寸效应系数为0.81;试件边长为200 mm时，MFNC1.0尺寸效应系数为1.19，MFRⅠC1.0尺寸效应系数为1.27.与钢纤维天然混凝土相比，尺寸效应对钢纤维再生混凝土的影响更为明显.因为再生混凝土内部空隙和缺陷等出现的几率随着试件尺寸的增大而增大.由于试验数据有限，本试验所得的尺寸效应系数与我国标准规定的换算系数有一定的出入.

图3 劈拉强度与试件尺寸的关系

3 钢纤维再生混凝土劈拉强度计算

我国的《钢纤维混凝土设计与施工规程》在复合力学理论计算模式的基础上，总结了普通钢纤维混凝土抗拉强度的试验结果和规律，运用数理统计方法，引入钢纤维对混凝土强度的影响系数，得到了钢纤维混凝土抗拉强度的计算公式为

式中:ffs为钢纤维混凝土劈拉强度，MPa;fs为混凝土劈拉强度，MPa;αs为钢纤维对混凝土劈拉强度的影响系数;λf为钢纤维含量特征参数.

当钢纤维的长径比、体积分数和基体混凝土强度等级已知，在再确定与钢纤维混凝土同强度等级普通混凝土的劈拉强度fs后，便可计算出钢纤维混凝土的抗拉强度.

利用式(2)对铣削型(MF)钢纤维混凝土劈拉强度增强系数αs进行统计分析.根据试验数据进行回归分析，MF钢纤维对再生混凝土的劈拉强度增强系数为0.936，对普通混凝土为0.944.将统计所得的αs值代入公式(2)中，计算出钢纤维天然混凝土和钢纤维再生混凝土的劈拉强度值，并与试验数据相比较.对于再生骨料混凝土，两者比值的均值为0.971，均方差为 0.058，变异系数为 0.060;对于天然混凝土，两者比值的均值为0.972，均方差为0.068，变异系数为0.070.可见，公式(2)可预测钢纤维再生混凝土的抗拉强度.