钢纤维再生骨料混凝土力学性能研究

冯 霄，张腾元*，吴佳明，张浩原

（六盘水师范学院土木与规划学院，贵州 六盘水 553004）

引言

混凝土是人类使用最广泛的建筑材料，但其大量使用也对人类居住环境和生态系统产生了负面影响。如今我国每年产生的废弃混凝土已达到3 亿吨[1]。因此，开展再生骨料混凝土的性能研究具有重要的理论价值和现实意义[2-5]。

吴全强[6]等人也发现钢纤维过量会造成纤维的粘结作用降低，导致再生混凝土的强度及收缩性能下降。而李丹丹[7]等人研究发现，钢纤维的掺入可使再生骨料掺量在30%～40%之间配制的再生混凝土达到普通混凝土的收缩。主要针对废弃混凝土作为粗骨料后掺入钢纤维的再生骨料混凝土力学性能研究，并通过试验选取最优配合比。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：采用乌蒙山水泥，水泥型号为P.O42.5 普通硅酸盐水泥。细骨料：采取人工砂，细骨料细度模数为2.64，表观密度为2 532 kg/m3。减水剂：粉末状聚羧酸减水剂，掺量：0.8%。粗骨料：再生粗骨料、天然碎石。将废弃混凝土使用颚式破碎机进行破碎，按照《再生混凝土结构技术标准》[8]要求，利用振筛机筛选粒径在10 mm～20 mm 的连续级配再生骨料。再生骨料见图1，相关参数详见表1。采用铣削型钢纤维（MF）为外掺料。

表1 再生骨料技术参数

1.2 试验设计

抗压试件配合比见表2。试验步骤按照《纤维混凝土试验方法标准》[9]进行，钢纤维再生骨料混凝土的制备依据《纤维混凝土应用技术规程》[10]和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[11]，采用干拌法制备混凝土，强制式搅拌，振动台捣实、抹平，24 h 后脱模、编号，为了切合实际施工，本次试验采取自然养护。由抗压强度试验得知，再生骨料的替代率在30%时，最为经济且强度最为稳定，所以劈裂抗拉强度试验采再生骨料替代率30%制作试件。

表2 钢纤维再生骨料混凝土配合比

1.3 试验方法与设备

混凝土的力学性能试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》[12]和《纤维混凝土试验方法标准》[13]对钢纤维混凝土进行立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验。试验设备为DYE-2000 型电液式压力试验机。

2 试验结果与分析

2.1 变形破坏特征

在试验过程中发现，A-0-0 组试件上部和底部出现纵向裂缝，四面膨胀，周围混凝土大量脱落。A-0-0.6组试件混凝土脱落较少。A-0-0.9 组试件几乎没有混凝土脱落。A-0-1.2 组试件出现少许混凝土脱落，两侧膨胀较大。钢纤维普通混凝土试块受压后形态变化见图2。再生混凝土变形破坏特征与普通混凝形态变化相似，再生骨料混凝土内部破坏及外部破坏严重，裂缝较多。随着钢纤维掺量的增加再生骨料混凝土脱落程度越来越少。

2.2 抗压强度分析

(1) 抗压强度试验表明随着再生骨料替代率的增加，抗压强度依次降低0.27 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa。不加钢纤维的20%、30%、40%再生混凝土的抗压强度接近普通混凝土的抗压强度，所以再生骨料可以取代一部分的天然骨料制作混凝土。

(2) 根据抗压强度数据绘制图3。折线呈上升趋势，这以说明钢纤维的加入能提高普通混凝土的抗压强度，当钢纤维达掺量达到0.9%后会出现下降趋势。且由曲线斜率可以看出，钢纤维掺量为0.9%时对再生混凝土强度的提升最为明显。

(3) 将钢纤维掺量作为定量绘制成图4。抗压强度随着再生骨料替代率的增加而降低，当钢纤维掺量为0%时，普通混凝土与再生混凝土的抗压强度变化不足1%。在钢纤维掺量为0.9%和0.6%折线图中，20%与30%再生骨料混凝土两组抗压强度接近，经济角度思考选取30%再生骨料作为最佳。

(4) 劈裂抗拉强度试验结果发现。劈裂抗拉强度随着钢纤维掺量的增加而增大，当钢纤维掺量为0%时，再生混凝土的劈裂抗拉强度降低了4.1%，在加入钢纤维之后得到了明显的提升，钢纤维掺量为0.6%、0.9%、1.2%时劈裂抗拉强度各提升了6.61%、10.12%、14.01%。

2.3 成本分析

钢纤维掺量为0%的再生骨料混凝土的制作成本详见表3。

表3 钢纤维掺量为0%的再生骨料混凝土的制作成本

由抗压强度分析得到30%与20%再生骨料混凝土相比，添加0.9%的钢纤维时两者的抗压强度接近，0%钢纤维再生骨料混凝土强度上都能满足C30 强度要求，所以将选择30%的再生骨料替换率较为经济。

3 结论

(1) 再生骨料混凝土强度都能满足C30 强度，再生骨料混凝土的钢纤维掺量在0.6%时的抗压强度能满足C40 普通混凝土的抗压强度。随着再生骨料的增多，耐久性也随之减弱。为保证建筑物质量和使用寿命，建议使用30%的再生骨料。

(2) 随着钢纤维的掺量的增加，混凝土脱落程度以及裂缝宽度随之降低，钢纤维掺量为0.9%的再生混凝土受压时形态变化最小。钢纤维对再生混凝土形态变化程度有很好保护效果。

(3) 将再生骨料替代率作为定量，钢纤维掺量作为变量，钢纤维掺量为0.9%的再生混凝土抗压强度最高。

(4) 由劈裂抗拉强度试验可得，钢纤维的掺入量可以直接影响再生混凝土的劈裂抗拉强度，随着钢纤维的掺量增加，劈裂抗拉强度也随之增加。

(5) 对于建筑材料采取30%的再生骨料替代率可以节约30%左右的粗骨料费用。可降低成本，还可以抑制资源开发，达到节约资源效果。我国建筑垃圾已达到顶峰，可在废物利用环节上开发新项目。