钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能

2023-07-31丁亚红邹成路张美香吕秀文

硅酸盐通报 2023年7期

丁亚红,邹成路,郭猛,张美香,吕秀文

(河南理工大学土木工程学院,焦作 454003)

0 引言

将废弃混凝土破碎、筛分制成再生骨料,将其按照一定比例或全部替代天然砂石材料制成再生混凝土(recycle aggregates concrete, RAC)。由于再生骨料性能劣于天然骨料[1-2],再生混凝土相较于天然混凝土往往表现出强度低、耐久性差等缺陷[3-5]。丁进炜[6]对再生混凝土的力学性能进行研究。结果表明试块的立方体抗压强度随着再生细骨料掺量的增加而减少。肖建庄等[7]通过改变再生细骨料掺量得出抗压强度的正态分布概率密度曲线,并指出再生细骨料的取代率不宜大于30%(质量分数)。为解决RAC的各种缺陷,国内外学者采用不同种类的纤维对RAC进行加强[8-11],纤维的桥接作用能够有效地限制其内部空隙与微裂缝的产生与扩展,能够明显改善RAC的韧性、延性与抗裂能力[12-15]。我国学者徐世烺与Reinhardt[16]提出的双K断裂模型,有效诠释了混凝土断裂行为机理。

在国内工程实践中,再生骨料运用于混凝土中的掺量普遍较低,通常只有30%左右,不利于“绿色建筑绿色生产”的开展,因此本文采取再生粗、细骨料配制大掺量再生骨料混凝土进行力学性能与断裂性能试验,研究再生粗、细骨料取代率对再生混凝土的影响,同时采用钢纤维对其进行加强,为钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土工程实践中的推广应用提供数据和理论支持。

1 实验

1.1 原材料

试验用的P·O 42.5级水泥来自河南省焦作市千业水泥厂,天然细骨料是细度模数为 2.9 的河砂,天然粗骨料选用连续级配的天然碎石,再生粗骨料取自河南理工大学废弃混凝土,经过破碎筛分制成,试验用水为焦作市自来水,骨料与钢纤维性能见表1、表2。减水剂为复合型高效聚羧酸减水剂,以上试验材料均来自同一批次。

表1 骨料性能Table 1 Aggregate properties

表2 钢纤维性能Table 2 Performance of steel fiber

1.2 试验方案以及配合比设计

本文主要探讨大掺量再生粗、细骨料质量取代率及钢纤维掺量对再生混凝土基本力学性能与断裂性能影响的规律。试验中再生细骨料采用50%、70%、100%三个质量取代率取代天然碎石,再生粗骨料采用50%、70%、100%三个质量取代率取代河砂,钢纤维体积掺量为0%和1.0%。设计19组试验组包括立方体抗压试块每组三个,劈裂抗拉试块每组三个,三点弯曲试块每组三个,试验分组见表3。

表3 试验分组Table 3 Test groups

再生粗骨料与再生细骨料分别判定为Ⅱ类再生粗骨料、Ⅱ类再生细骨料,根据陕西省工程建设标准中的《再生混凝土结构技术规程》(DBJ61/T 88—2014)中规定,Ⅱ类再生粗骨料宜配制强度等级为C40及以下强度等级的再生混凝土。混凝土的配合比按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)设计计算,设计强度等级为C30,水胶比为0.50,砂率为34.5%,所有试块坍落度控制在30～180 mm,基础配合比见表4。

表4 混凝土配合比设计Table 4 Mix proportion design of concrete

1.3 试块制作与养护

考虑再生骨料吸水率较高,用清水预浸泡24 h,再处理为饱和面干状态后再进行浇筑,在试块浇筑过程中采用统一的投料顺序以及搅拌时间,在模具内部涂抹疏水材料,保证脱模时试块的完整。试块浇筑完成后,静置24 h,然后脱模并书写编号以作记录。养护时间为28 d。

1.4 试验装置及试验方法

试块在最高3 000 kN电液伺服万能材料试验机进行试验。立方体抗压试验与劈裂抗拉试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行。断裂试验采取三点弯曲试验,通过预埋钢片的方式预制裂缝。试验全程采用速率为 0.1 mm/min的位移控制模式,裂缝口张开位移采用夹式引伸计测量,跨中挠度采用千分表测量,试验装置示意图如图1所示,D为试件高度,l为试件长度,S为支座跨度,a0为初始裂缝长度,P为外荷载。

图1 三点弯曲梁试验Fig.1 Three-point bending beam test

2 双K断裂参数的确定

起裂断裂韧度按式(1)～(2)计算。

(1)

(2)

失稳断裂韧度按式(3)～(7)计算。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Pmax为峰值荷载,kN;CMODc为峰值荷载对应的裂缝张口位移,μm;ac为临界等效裂缝长度,mm;Pi与CMODi为试验P-CMOD曲线上线性上升段任找三点的对应值(P1,CMOD1),(P2,CMOD2),(P3,CMOD3);H0为试件高度加上刀口厚度;E为弹性模量。

由式(1)～式(4)可得：马赫数Ma=0.086 27；通过马赫数查气体动力函数表，用线性插值法计算得

3 结果与讨论

3.1 试验过程与破坏形态

立方体抗压试验中,未掺纤维试件最终的破坏形态往往呈沙漏状。掺入钢纤维的试件由于钢纤维的桥接作用,无大块剥落的现象,整体形状接近柱状,呈现出裂而不碎的形态,破坏形态如图2、图3所示。

图2 再生混凝土受压破坏形态Fig.2 Compression failure mode of recycled aggregate concrete

图3 钢纤维再生混凝土受压破坏形态Fig.3 Compression failure mode of steel fiber recycled aggregate concrete

再生混凝土劈裂抗拉试验过程中,未掺加纤维的试件表面形成一条垂直于受力面且贯穿试件的裂缝,试件迅速失去承载力。掺入钢纤维的试块的破坏面能够观察到跨越裂缝的钢纤维,且钢纤维的波纹形状出现了不同程度的拉直情况,破坏形态如图4、图5所示。

图4 再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.4 Splitting tension failure mode of recycled aggregate concrete

图5 钢纤维再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.5 Splitting tensile failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

三点弯曲试验过程中,在预制裂缝正上方施加荷载,随着荷载的增加,试块表面形成明显的宏观裂缝,承载力快速下降。未掺钢纤维试块承载力瞬间下降,裂缝快速扩大,夹式引伸计脱落。掺加钢纤维的试块表现出一定的韧度,多根钢纤维跨越裂缝面,破坏形态如图6、图7所示。

图6 再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.6 Three-point bending failure mode of recycled aggregate concrete

图7 钢纤维再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.7 Three-point bending failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.2 立方体抗压强度的影响因素

图8、图9分别为再生混凝土、钢纤维再生混凝土抗压强度,可以看出,再生粗骨料的加入为试块的立方体抗压强度带来了明显的负面影响,再生粗骨料(RCA)质量取代率为50%,再生细骨料(RFA)质量取代率为50%,掺加体积掺量1.0%钢纤维的试样抗压强度最高,达到了天然混凝土的77.17%。掺入钢纤维后,强度虽有所提高但依然随再生粗骨料的增多而降低,出现这种情况的原因主要是钢纤维自身性能较好,在混凝土内部能够提供一定的抗压能力;再生粗骨料表面附着老旧砂浆,随着再生粗骨料的增加,混凝土基体中的负面因素不断累积,混凝土基体更容易发生破坏,试件失去承载力。再生细骨料对试块的抗压强度有明显的抑制表现,再生细骨料相较于天然河砂具有均质性差、吸水率高、压碎值大等诸多缺陷,混凝土基体更容易产生微小裂缝,受到应力集中的影响,裂缝迅速扩大从而被破坏。

图8 再生混凝土抗压强度Fig.8 Compressive strength of recycled aggregate concrete

图9 钢纤维再生混凝土抗压强度Fig.9 Compressive strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.3 劈裂抗拉强度的影响因素

图10为再生混凝土劈裂抗拉强度,可以看出,随着再生粗骨料的增多,试件劈裂抗拉强度逐渐下降。再生粗骨料自身缺陷导致试件强度下降,更容易发生破坏。当再生粗骨料质量掺量为70%时,劈裂抗拉强度受再生细骨料影响最为明显,当再生粗骨料完全取代碎石材料时,劈裂抗拉强度受变化幅度最小。再生粗骨料质量取代率越高,劈裂抗拉强度受再生细骨料质量取代率的影响越明显。在纤维混凝土材料中,砂浆与钢纤维的黏结占据了主导地位。再生细骨料大大减弱了砂浆的强度进而导致钢纤维在混凝土基体内的黏结程度降低[17],试块在受力过程中更容易发生钢纤维的拔出破坏,从而失去承载力。钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度试验结果如图11所示。

图10 再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.10 Splitting tensile strength of recycled aggregate concrete

图11 钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.11 Splitting tensile strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.4 荷载-裂缝开口位移曲线

图12、图13分别为再生混凝土和钢纤维再生混凝土的P-CMOD曲线,可以非常明显地看出三点弯曲下的试块中,试块的峰值荷载因再生粗、细骨料的增加而逐渐下降,再生粗、细骨料分别50%质量替换碎石与河砂,掺加体积掺量1.0%钢纤维,再生混凝土峰值荷载达到最高,峰值荷载达到天然混凝土的84.40%。相较于素再生混凝土P-CMOD曲线,钢纤维再生混凝土具有更高的峰值荷载,下降段的残余强度更高,有效提高了再生混凝土的韧性。

图12 再生混凝土P-CMOD曲线Fig.12 P-CMOD curves of recycled aggregate concrete

图13 钢纤维再生混凝土P-CMOD线Fig.13 P-CMOD curves of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

3.5 起裂断裂韧度与失稳断裂韧度

再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度如图14所示,试块的起裂断裂韧度随着再生粗、细骨料增加呈负增长的趋势,再生粗、细骨料分别50%质量替换碎石与河砂材料,钢纤维体积掺量为1.0%时,起裂断裂韧度达到最高,为0.645 MPa·m1/2。

图14 素再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度Fig.14 Fracture toughness of plain recycled aggregate concrete and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料质量取代率为50%,再生细骨料质量取代率为50%、70%、100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的99.29%、91.80%、75.92%;掺入钢纤维后,失稳断裂韧度大幅提高,甚至超过天然混凝土,分别达到天然混凝土的124.41%、116.33%、101.29%。钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料质量取代率为70%,再生细骨料质量取代率为50%、70%、100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的95.34%、87.91%、67.51%;加入钢纤维后,失稳断裂韧度分别达到天然混凝土的106.17%、102.17%、95.66%。钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料完全取代天然骨料后,失稳断裂韧度水平较低,分别只达到天然混凝土的76.99%、75.78%、71.13%;掺加钢纤维后,失稳断裂韧度达到天然混凝土的100.02%、93.3%、83.39%。根据图14中的数据,试块的失稳断裂韧度受再生粗、细骨料增加而产生负面影响,再生粗、细骨料分别50%质量取代天然砂石,钢纤维体积掺量为1.0%时,失稳断裂韧度达到最高,为1.096 MPa·m1/2。

试件预制裂缝端口处在应力集中作用下发生开裂后,荷载达到峰值后,试块的承载能力快速下降,在极短时间内失去承载能力。掺加1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料质量掺量为50%时均超过了天然混凝土,这是因为钢纤维在混凝土基体中的“桥接作用”,将裂缝两侧受到的拉力转化为沿钢纤维分布的拉力以及异形钢纤维与新砂浆的黏结力与机械咬合,阻碍了宏观裂缝的进一步延伸扩展。当再生粗骨料质量取代率为70%,再生细骨料全部取代天然河砂时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,较未掺钢纤维试件提升了41.70%。