钢纤维再生粗集料混凝土的力学性能和抗冻性研究

汪振双,谭晓倩

(1.东北财经大学投资工程管理学院,大连　116025；2.国家知识产权局专利局,北京　100088)



钢纤维再生粗集料混凝土的力学性能和抗冻性研究

汪振双1,谭晓倩2

(1.东北财经大学投资工程管理学院,大连116025；2.国家知识产权局专利局,北京100088)

为了研究钢纤维对再生混凝土抗冻性的影响，试验以钢纤维的体积掺量为1%，2%和3%，研究钢纤维再生混凝土的力学性能和抗冻性，并对再生混凝土的孔结构特征进行了分析。研究结果表明，钢纤维的掺入对再生混凝土抗压强度的提高不明显，对再生混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度提高比较显著。钢纤维的掺入改善了混凝土的抗冻性能，降低了再生混凝土的孔隙率。

钢纤维； 再生混凝土； 强度； 抗冻性

1　引　言

混凝土材料是当前土木工程领域消耗量最大的建筑材料。混凝土消耗大量的砂石资源和能源，产生大量的建筑垃圾，给经济社会发展带来沉重负担。据不完全统计，我国每年因建筑物的改建、扩建和旧建筑物拆就产生0.3～0.4亿吨混凝土固体废弃物[1,2]。此外，地震等突发自然灾害等会带了庞大的建筑垃圾[3]，资源和环境问题日益突出。近年来，再生混凝土技术逐渐得到了人们的青睐，混凝土的再生利用是建筑垃圾资源化的一种重要途径和解决方法，能有效解决建筑业与环境的协调问题，符合可持续发展[4]。关于再生混凝土的性能，国内外学者已进行了大量的研究[4-7]。与普通混凝土相比，再生混凝土的力学性能和耐久性还存在一定的差距，本文将钢纤维和再生混凝土相结合起来制备钢纤维再生混凝土,改善再生混凝土的力学性能和耐久性，为再生混凝土的进一步深入研究提供科学依据。

2　试　验

2.1原材料

水泥为唐山盾牌P·Ⅱ42·5R型水泥，物理力学性能如表1所示。砂子为天然河砂，细度模数2.4，表观密度为2675 kg/m3。再生粗集料是实验室浇注强度等级为C40混凝土自然养护6个月后，经破碎、研磨、筛分和组配后得到，最大粒径控制在25 mm，再生粗集料表观密度为2560 kg/m3，质量吸水率为2.87%，压碎指标8.58%。钢纤维为剪切波浪型, 长度30 mm。水为普通饮用水，外加剂采用的是羧酸系高性能 AE 减水剂，减水率15%～25%。

表1　水泥的物理力学性能

2.2钢纤维再生混凝土配合比设计

试验配制C40强度等级再生混凝土，钢纤维按体积掺量1%，2%和3%掺入到再生混凝土中，减水剂掺量为胶凝材料用量的5.2%，钢纤维再生混凝土的配合比如表2所示。

表2　钢纤维再生混凝土配合比

2.3试验方法

钢纤维再生混凝土抗压强度检测方法按中国工程建设标准化协会标准《钢纤维混凝土结构设计与施工规范》规定的方法进行。钢纤维再生混凝土的抗冻性按GBJ 82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的快冻法进行测试，压汞试验采用AUTO-PORE 9500压汞仪。

3　结果与讨论

3.1钢纤维再生混凝土的力学性能

钢纤维再生混凝土力学性能的试验结果如表3所示。再生混凝土28 d抗压强度，28 d劈拉抗裂强度和28 d抗折强度分别为45.5 MPa，4.2 MPa和4.8 MPa。可以看出，随着钢纤维体积掺量的增加，再生混凝土28 d抗压强度，28 d劈裂抗拉强度和28 d抗折强度也随之增加。钢纤维的掺入改变了再生混凝土抗压破坏的形式，提高了混凝土的韧性和抗裂性，混凝土在破坏后裂而不散。

表3　钢纤维再生混凝土力学性能试验结果

再生粗集料对钢纤维存在着边壁效应，混凝土内部的钢纤维与再生粗集料和砂浆之间的界面裂缝平行，致使在裂缝发展初期, 钢纤维起不到增强阻裂作用，钢纤维对再生混凝土的增强作用不明显。当裂缝扩展至水泥石时, 此时跨越裂缝的钢纤维开始起增强作用, 减缓裂缝扩展速度，纤维有效地阻止了再生混凝土裂缝的发展, 使再生混凝土试件韧性增加。随着荷载进一步增大, 钢纤维逐渐被拔出，钢纤维改善了再生混凝土的脆性特征，这也是钢纤维加入后对再生混凝土抗压强度提高幅度小, 而再生混凝土的抗压韧性有很大改善的缘故[7,8]。

图1　钢纤维再生混凝土冻融破坏时形貌(a)C;(b)R1;(c)R2;(d)R3Fig.1　Destroyed appearance of steel fiber recycled aggregate concrete

当再生混凝土钢纤维体积掺量从0增至3%时, 再生混凝土28 d劈裂抗拉强度由4.2 MPa 增至6.1 MPa,再生混凝土强度提高幅度为47.36%, 拉压比从0.091增至0.119;再生混凝土28 d 抗折强度由4.8 MPa 增至7.8 MPa, 再生混凝土强度提高幅度为70.95%, 再生混凝土折压比从0.104增至0.152。

3.2钢纤维再生混凝土的抗冻性试验

从掺钢纤维再生混凝土快冻法试验可以观察到，经过200次冻融循环后再生混凝土R1尺寸完整性最差，掺入橡胶颗粒的再生混凝土表面破坏状况均好于R1再生混凝土。随着橡胶颗粒掺量的增加，再生混凝土粗集料外露少，表面剥落量少，混凝土的完整性好，如图1所示。

钢纤维再生混凝土质量损失率和相对动弹模量随冻融循环次数变化试验结果如图2和图3所示。可以看出，再生混凝土C1经过100次冻融循环后质量损失率增加的比较明显，125次冻融循环质量损失率达到5.3%。从试验结果中可以看出，掺入钢纤维后明显改善了再生混凝土的抗冻性，R1，R2和R3再生混凝土经过200次冻融循环质量损失率分别为5.41%、3.92%和3.01%。混凝土冻融劣化作用是一个由致密到疏松的物理作用过程，动弹性模量下降便是这种疏松过程的外在反映。由于再生混凝土在制备过程中，内部不可避免的存在一定的原始缺陷和微裂缝，在冻融循环疲劳荷载作用下，这些原始缺陷和微裂缝逐渐发育生长，同时伴有心得缺陷和裂缝不断产生[9,10]。从图3再生混凝土冻融循环作用下相对动弹模的变化过程中可以看出，经150次冻融循环后，再生混凝土C的相对动弹性模量下降到85.1%。钢纤维的掺入能明显的抑制再生混凝土的相对动弹性模量的下降，经150次冻融循环后，钢纤维再生混凝土的相对动弹模均大于93%。200次冻融循环后，钢纤维再生混凝土R1、R2和R3的相对动弹性模量分别为85.8%、91.7%和94.1%。由此可知，钢纤维的体积掺入量为3%时，再生混凝土的抗冻性最好。

图2　钢纤维再生混凝土冻融循环质量损失率Fig.2　Mass loss of steel fiber recycled aggregate concrete after freezing-thawing cycles

图3　钢纤维再生混凝土相对动弹性模量变化Fig.3　Relative dynamic modulus of steel fiber recycled aggregate concrete after freezing-thawing cycles

再生混凝土的抗冻性与其内部的孔结构特征和分布密切相关，利用压汞试验，对钢纤维再生混凝土的孔结构进行分析，试验结果如图4所示。可以看出，再生混凝土C的孔隙率为17.12%，这可能是由于再生粗集料表面附着砂浆在混凝土成型过程中吸水性造成的。随着钢纤维体积掺量的增加，再生粗集料混凝土的孔隙率逐渐降低，分别降低了20.4%、29.5%和44.67%。钢纤维的掺入，在再生混凝土的界面处形成大量封闭孔，改善了混凝土内部的孔结构。

图4　再生混凝土孔结构分布Fig.4　Pore size distribution of steel fiber recycled aggregate concrete

4　结　论

钢纤维的加入对再生混凝土抗压强度的贡献不大，但改善了再生混凝土的变形和破坏特征，提高了再生混凝土的韧性。此外，钢纤维的掺入降低了再生混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗冻性。钢纤维的体积掺量存在一个最佳值，当体积掺量为3%时，再生混凝土的抗冻性最好。

[1] 崔正龙,北辻政文,田中礼治.固体废弃物再生骨料混凝土的耐久性试验研究[J].硅酸盐通报,2009,28(5):1042-1045．

[2] 崔正龙,庄宇,汪振双.关于再生骨料混凝土干燥收缩裂缝的试验研究[J].四川大学学报(工程科学版) ,2010,42(5):160-164.

[3] 汪振双,崔正龙.再生粗集料混凝土双变量强度公式研究[J].沈阳大学学报(自然科学版),2013,2:69-71.

[4] 朋改非,黄艳竹,张九峰.骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响[J].建筑材料学报,2012,15(1):80-84.

[5] 陈永刚,曹贝贝.再生混凝土国内外发展动态[J].国外建材科技,2004,25(3):4-6.

[6] Ozturan T,Cecen C.Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of concrete with different strengths[J].CementandConcreteResearch,1997,27(2):165-170.

[7] Xiao J Z,Li J B,Zhang C.Mechanical properties of recycled aggregate concrete under uniaxial loading[J].CementandConcreteResearch,2005,35(6):1187-1194.

[8] Wang Z S,Wang L J,Cui Z L,et al.Recycled coarse aggregate on concrete compressive strength[J].TransactionsofTianjinUniversity,2011,17(3):229-234.

[9] 李秋义,李云霞,朱崇绩,等.再生混凝土骨料强化技术研究[J].混凝土,2006,(1):74-77.

[10] 汪振双,王宝民,苏昊林,等.橡胶颗粒对再生混凝土耐久性影响[J].哈尔滨工业大学学报,2015,(6):109-112.

Frost Resistant and Mechanical Properties of Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete

WANGZhen-shuang1,TANXiao-qian2

(1.School of Investment & Construction Management,Dongbei University of Finance and Economics,Dalian 116025,China;2.State Intellectual Property Office,Beijing 100088,China)

In order to research the influence of steel fiber on recycled aggregate concrete, this research investigate the mechanical properties and frost resistant of recycled concrete with different steel fiber volume replacement level 1%, 2% and 3%, respectively. The results indicated that incorporation of steel fibers on compressive strength of recycled concrete increase is not obvious, the recycled concrete splitting tensile strength and flexural strength increased significantly. Steel fiber added to improve the durability of the concrete, reduces the porosity of recycled concrete.

steel fiber;recycled aggregate concrete;strength;frost resistant

第八批博士后特别资助项目(2015T80259)；辽宁省教育厅基金一般项目(W2015130)；东北财经大学青年科技人才培育项目(DUFE2015Q15)

汪振双(1982-)，男，博士，讲师.主要从事建筑垃圾资源化方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1184-04