废弃纤维再生混凝土黏结性能试验

周静海，刘 昱，康天蓓，刘爱霞

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168； 2. 沈阳城市建设学院 土木工程系，辽宁 沈阳 110168)

0 引 言

随着中国城镇化进程的加快，建筑行业飞速发展，建筑规模日益扩大，由此产生了大量的建筑固废，引起了严重的环境问题[1]。为实现资源的可持续利用，可将建筑固废进行破碎、清洗和筛分，处理成再生骨料，替代天然骨料，制备再生混凝土[2]。黏结性能是混凝土和钢筋二者协调工作的基础，再生骨料在回收处理过程中，常会受到损伤，降低了二者的黏结作用[3]。目前，国内外诸多学者针对二者的黏结性能展开研究，并取得了一定成果[4-7]。Seara-Paz等[8]通过中心拔出试验发现再生骨料替代率越大，再生混凝土与钢筋之间的黏结应力则越小。Pour等[9]指出，再生混凝土的黏结应力同钢筋锚固长度与直径的比值成反比。肖建庄等[10]研究了再生混凝土与钢筋黏结性能的影响因素，提出了不同再生骨料替代率和钢筋类型的黏结-滑移关系公式。曹万林等[11]通过试验发现钢筋种类、直径与锚固长度等参数对再生混凝土和钢筋的黏结-滑移性能有重要影响。研究表明，在混凝土中加入纤维可以有效改善再生混凝土的力学、耐久性能[12-14]。一般按纤维材料类型不同可分为碳纤维、钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维等。

聚丙烯纤维因具有良好的抗裂性能及低廉的成本，在实际工程中应用较为广泛[12]。Song等[15]研究表明聚丙烯纤维能够改善混凝土材料的内部结构，减少裂缝的产生。姚艳芳[16]通过试验得到聚丙烯纤维对再生混凝土的抗裂性能同样具有良好的提升效果，孔祥清等[17]则进一步地给出了聚丙烯纤维的掺加量建议控制范围0.90～1.2 kg·m-3。Zhou等[18-19]的研究表明，废弃的聚丙烯纤维对再生混凝土的抗裂性能同样可以起到良好的改善作用。目前针对废弃(聚丙烯)纤维，其对再生混凝土与钢筋黏结性能的影响尚不明确。

因此，本文设置不同的再生骨料替代率和废弃纤维体积掺量，制备7组共14个半梁式试件，进行单向拉拔试验，通过数据测量和理论分析，研究再生骨料替代率、废弃纤维体积掺量对再生混凝土与钢筋黏结性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥。砂子采用天然河砂，细度模数为2.8，表观密度为2 610 kg·m-3，含水率为4.12%。天然骨料为天然碎石，再生骨料源自沈阳建筑大学结构实验室的废弃混凝土试件，原始强度为C40，经人工、机械破碎，清洗、筛分得到，骨料级配符合规范《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JGJ 53—92)要求，各项性能指标见表1。

表1 骨料性能指标Table 1 Property Indexes of Concrete Aggregate

废弃纤维来自废旧丙纶地毯，经清洗后，人工拆分制备而成，如图1所示。废弃纤维的主要材质为聚丙烯，密度为0.91 kg·m-3，弹性模量为3.5×103MPa，吸水率小于0.1%。

1.2 配合比设计

再生骨料表面附着有大量的水泥砂浆，根据表 1 可知其吸水率为天然骨料混凝土的3.9倍，根据《再生混凝土应用技术规程》(DG/TJ 08-2018—2007)，在设计再生混凝土的配合比时，除考虑参与水化的自由用水量外，还应考虑附加用水量，其用量与再生骨料在自然干燥条件下吸水饱和参数有关。根据文献[10]，再生骨料替代率每增加25%，附加用水量约增加5 kg·m-3，废弃纤维吸水率小于0.1%，可忽略其对用水量的影响，具体配合比设计见表2，其中，NC表示天然骨料混凝土试件，RC表示再生骨料混凝土试件，RC50-0.12表示再生骨料替代率为50%，废弃纤维体积掺量为0.12%的废弃纤维再生混凝土试件。图2为废弃纤维再生混凝土的制备过程，搅拌设备为JW350强制式多功能搅拌机，转速为60 r·min-1。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete Mixes

1.3 试件制作

本次试验共制作试件7组，每组进行 2 个平行试验，合计14个半梁式试件，试件尺寸为150 mm×250 mm×360 mm，配筋及拔出试件如图3所示。有效锚固长度la=160 mm(10d,d为钢筋直径)，加载端和自由端分别用长为100 mm的PVC塑料管套住，形成无黏结段，以降低对试验结果产生的影响。

1.4 加载试验

试验开始前，用钢梁将试件固定于平整的地面上，防止试件在加载过程中发生扭动，影响数据的准确性，试验装置见图4。半梁式拉拔试验采用人工控制穿心千斤顶，单调均匀加载，参考规范《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)，单向加载，荷载P可由千斤顶表盘直接读出，假设黏结应力在钢筋锚固范围内均匀分布，具体按式(1)计算。

τ=P/(πdla)

(1)

式中：τ为混凝土与钢筋之间的黏结应力。

2 破坏形式与试验现象

各组试件在加载后，均发生劈裂-拔出破坏：试验初期，试件表面尚未开裂，自由端无明显滑移；随着拉拔力的增加，试件表面出现微小裂缝并缓慢发展，相对滑移逐步增加；达到极限荷载时，裂缝迅速发展，贯穿整个试件，试件破坏。如图5所示，NC和RC50-0.12组只出现1条明显主裂缝，RC50-0.24组在加载端方向产生了部分微裂缝，其余未掺加废弃纤维的再生混凝土试件在主裂缝周围产生了不同程度的次生裂缝，裂缝的数量与再生骨料的替代率有关。

试验表明，再生骨料替代率的多少不会改变试件的破坏方式，但再生骨料的加入使混凝土结构在荷载作用下更容易出现变形、开裂等现象，进而影响混凝土与钢筋之间的黏结性能。再生骨料替代率越大，试件的破坏程度就越大。

废弃纤维的加入增强了再生混凝土的抗裂性能，抑制了裂缝的产生、发展，提升了再生混凝土和钢筋之间的黏结力。然而，废弃纤维的掺量也并非越多越好，掺量过大，在试件制作过程中纤维容易发生“结团”、混合不均等现象，对混凝土试件的均质性产生影响。因此，RC50-0.12组只出现1条主裂缝，而RC50-0.24组还产生有次生裂缝。

3 试验结果分析

3.1 极限黏结应力

为消除试验误差造成的影响，若2组数据相差超过15%，则增加1组试件，该方法与文献[20]～[22]一致。本研究中，黏结应力差值均满足要求，故均取2个试件的平均值作为试验值，各试件的极限黏结应力如图6所示。图6(a)可以看出，随着再生骨料替代率的增加，极限黏结应力呈下降趋势，再生骨料替代率达到75%时，变化速率开始显著增加。相比NC组，RC100组的极限黏结应力降低28.36%，这是由于天然骨料被再生骨料取代后，材料内部的界面过渡区面积显著增加，而该部分是混凝土材料性能最为薄弱的区域，在承受外荷载时，试件更容易被破坏，再生骨料替代率越多，影响越显著，试件的破坏形态也能说明这一点。

图6(b)反映了废弃纤维掺量对极限黏结应力的影响，NC为对照组，RC50-0.12，RC50-0.24组的极限黏结应力较未掺加废弃纤维的RC50组分别提升1.18%和下降7.93%，即少量的废弃纤维可以使试件极限黏结应力略有提升，但提升效果不明显，而过量的废弃纤维则会显著降低试件的极限黏结应力。当荷载作用于混凝土结构时，再生骨料替代率是影响混凝土结构性能的主要因素，废弃纤维主要用于改善再生混凝土内部结构，优化骨料与砂浆的结合，对因受力而产生的能量起到一定的耗散作用，减缓裂缝的产生、发展。因此，相较于再生骨料替代率，废弃纤维对试件极限黏结应力的提升多是间接的，效果亦不明显，而过量的废弃纤维对试件的均质性会产生负面作用，影响试件的结构性能，进而降低试件的极限黏结应力。

3.2 极限滑移量

图7(a)为不同再生骨料替代率对应的极限滑移量，除RC100组外，再生骨料的加入均显著降低了试件的极限滑移量，其中，RC25，RC50，RC75组较NC组分别降低了40.00%，45.71%，54.29%，而RC100则提升了11.43%，因为再生骨料自身强度较低，当天然骨料完全被再生骨料替代后，试件内部性能出现明显差异，在试件加载过程中，肋间的混凝土更容易被压碎，混凝土与钢筋的摩阻力有所降低，滑移量增加。

图7(b)为不同废弃纤维掺量对极限滑移量的影响作用，NC为对照组，RC50-0.12，RC50-0.24的极限滑移量较RC50组分别提升105.26%，78.95%，RC50-0.12组极限滑移量高于天然骨料NC组。在相同应力条件下，废弃纤维的加入使再生混凝土试件在受力拔出阶段可以更好地抵抗拉拔力，即废弃纤维在试件的破坏过程中可以起到抗拉阻裂、能量消耗的作用。

3.3 黏结应力-滑移(τ-S)曲线

根据试验结果，绘制各组试件的τ-S曲线，如图8所示，其中，τs为初始滑移应力，τu为极限黏结应力，τr为残余黏结应力，Ss为微滑移量，Su为极限滑移量，Sr为残余滑移量。天然混凝土、再生混凝土、废弃纤维再生混凝土的τ-S曲线在变化趋势上相似，符合王传志等[23]提出的4阶段模型，如图 8(a)所示。再生混凝土的τ-S曲线低于天然混凝土，表明再生骨料的加入降低了混凝土的黏结性能，这与文献[10]的研究结论一致。

对比不同再生骨料替代率的黏结应力-滑移曲线[图 8(b)]可知：在微滑移阶段，再生混凝土与天然混凝土的τ-S曲线几乎重合，均呈线性变化，这是因为在加载初期，荷载很小，此时滑移作用尚未传递到自由端，黏结力主要由化学胶结力提供，混凝土与钢筋之间的黏结作用不受骨料类型的影响。在劈裂-滑移阶段，再生混凝土替代率越高，进入滑移阶段越早，对应的极限黏结应力越小，相比天然混凝土，再生混凝土的弹性模量呈先增加后减小的趋势，较NC组分别提升了60.22%，65.02%，72.57%，-35.71%，弹性模量越高，材料发生弹性变形相对越小，更容易发生脆性破坏，黏结性能越差，RC100组因全部采用再生骨料，在较小荷载的情况下，试件已经产生了滑移，因此弹性模量有所下降。此阶段的τ-S曲线为非线性增长，黏结力主要由摩阻力和机械咬合力共同提供。在下降和残余阶段，再生骨料替代率未超过50%时，曲线可见明显的过渡区域，随着再生骨料替代率的增加，过渡趋近模糊，这是由于再生骨料在制备过程中会产生大量的微小裂缝，在承受外部荷载时更容易发生破坏，因此再生骨料替代率过大时，其对应的残余阶段有所减少。

对比不同废弃纤维掺量对黏结应力-滑移曲线的影响，如图8(c)所示，RC50-0.12组曲线最高，甚至超出NC组，而RC50-0.24组最低，即RC50-0.12组黏结性能最好，RC50-0.24组最差，可见废弃纤维的掺量对再生混凝土的黏结性能确有影响，随着废弃纤维掺量的增加，黏结应力先提升后下降。在初始滑移阶段，各曲线倾斜程度亦无显著差别，呈线性变化，表明该阶段的黏结作用不受纤维掺量的影响。在劈裂-滑移阶段，废弃纤维的加入，降低了再生混凝土的弹性模量，RC50-0.12，RC50-0.24组较NC组分别降低18.66%，15.10%，较RC50组降低50.71%，48.55%，弹性模量越低，承受荷载时，相对变形越大，越不容易发生脆性破坏。黏结应力在达到极值后迅速降低，各曲线的下降段变化趋势相差不大，RC50和RC50-0.24组曲线出现交叉，RC50，RC50-0.12，RC50-0.24组的残余应力依次为2.41，4.74，3.78 MPa，对应各自极限应力的19.13%，33.75%，35.76%，即废弃纤维的加入提升了再生混凝土的残余黏结应力，废弃纤维改善了混凝土内部结构，增加了水泥与钢筋的接触面积，增大了水泥与钢筋的摩擦因数，进而提升了黏结性能。

4 废弃纤维再生混凝土黏结性能预测

根据试验数据，拟合得到再生骨料替代率ω与极限黏结应力τu,r的关系曲线，计算公式为

τu,r=14.278 6-0.024 3ω-1.771 4×10-4ω2

(2)

(3)

考虑再生骨料替代率ω时，废弃纤维体积掺量α的混凝土极限黏结应力τu的计算公式为

τu=(14.278 6-0.024 3ω-1.771 4×10-4ω2)·

(1+0.005 3α-3.573 1×10-4α2)

(4)

将极限黏结力拟合预测值与文献[24]～[26]中不同再生骨料替代率、纤维体积掺量下的极限黏结力进行对比，图9为再生混凝土的极限黏结应力(未考虑纤维对黏结应力作用)。可以看出，杨海峰等[24]试验得到的再生混凝土带肋钢筋极限黏结应力与由公式(4)拟合得到的预测值十分接近(试验值分别为13.00，12.31，11.61 MPa，预测值分别为14.28，12.62，10.08 MPa)。受到钢筋类型影响，光圆钢筋极限黏结应力较小，公式(4)是基于带肋钢筋建立，不适用于该种类型的钢筋。图10为纤维混凝土极限黏结应力对比，按照文献[26]考虑钢纤维对黏结应力的影响，徐礼华等[25]采用不同比例的钢-聚丙烯混杂纤维，因此极限黏结应力相对较高，陕亮等[26]采用固定比例的钢-聚丙烯混杂纤维，试验结果与预测结果相差不大。这些试验的强度等级为C50，由于本试验(强度等级C40)未考虑混凝土强度等级对黏结应力的影响，因此预测值较C50低，拟合结果具有一定的参考性。虽然公式(4)是针对废弃纤维再生混凝土建立的，但对于再生混凝土、纤维混凝土黏结应力的预测同样具有一定的参考价值。

5 结 语

(1)再生混凝土相较于天然混凝土在拔出试验过程中，并未改变试件原有的破坏方式，随着再生骨料替代率的增加，再生混凝土与钢筋的黏结性能有所下降，其中RC100极限黏结应力较NC下降了28.36%。

(2)废弃纤维的加入可以改善混凝土的内部结构，延缓裂缝的产生、发展，在相同荷载水平下，RC50-0.12的极限滑移量较RC50提升了105.26%。

(3)试验证明，废弃纤维的确有助于提升再生混凝土与钢筋的黏结性能，本文得到的废弃纤维最优体积掺量为0.12%，在实际使用时，可能还需要根据情况进行调整，建议控制在0.12%～0.24%。

(4)对半梁式拔出试验数据进行拟合，回归得到废弃纤维再生混凝土的极限黏结应力预测公式，并加以验证，证明了该公式的合理性，为废弃纤维再生混凝土黏结性能的深入研究奠定基础。