混雜鋼纖維對(duì)高強(qiáng)再生混凝土基本力學(xué)性能的影響

全 宇 裴長春

(延邊大學(xué)工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，各種高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，但對(duì)于原有建筑的拆除，必定會(huì)產(chǎn)生較多的建筑垃圾及工業(yè)廢料，且會(huì)消耗大量的建筑資源，如砂子、石子等[1,2]。因此為了解決這一問題，學(xué)者們都將建筑垃圾進(jìn)行加工利用，成為再生骨料，加入進(jìn)混凝土當(dāng)中，以解決資源面臨枯竭的問題。但是由于這些再生骨料在加工過程中，其內(nèi)部必然產(chǎn)生細(xì)微裂痕，因此其各項(xiàng)基本力學(xué)性能必將降低，這就阻礙了再生混凝土的應(yīng)用[3]。有大量資料表明，鋼纖維具有抗拉強(qiáng)度高、延性好、耐疲勞等優(yōu)秀的物理性能，因此國內(nèi)外學(xué)者將鋼纖維加入進(jìn)再生混凝土當(dāng)中進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維不僅能夠較強(qiáng)的提高混凝土的劈拉強(qiáng)度、延性，同時(shí)使混凝土試塊的壓碎的形態(tài)由在中部分裂成兩半，變?yōu)橹辉谥胁慨a(chǎn)生1條～2條平行于受力方向的兩條裂紋[4]。這就表明鋼纖維較好的保證了試塊的完整性，對(duì)于再生混凝土的力學(xué)性能提高效果較為顯著[5]。

本文通過改變鋼纖維單摻以及不同組合的混摻方式，研究不同鋼纖維以及不同的摻和方式對(duì)于高強(qiáng)再生混凝土基本力學(xué)性能的影響，為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土梁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的水膠比為0.25，砂率為0.44，減水劑摻量為2%，再生粗骨料以30%的取代率取代天然粗骨料，以工業(yè)廢氣粉煤灰、硅粉以2∶1的比例取代30%的水泥，單位用水量為160 kg/m3。鋼纖維摻入方式為單摻及混摻，共設(shè)計(jì)了7組不同的混凝土配合比，并規(guī)定的測試了混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及靜力受壓彈性模量，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)使用的水泥強(qiáng)度為42.5的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰及硅粉為長春司奧科技有限公司生產(chǎn)。再生骨料為廢棄混凝土經(jīng)過顎式破碎機(jī)破碎為5 mm～20 mm；天然骨料粒徑為5 mm～20 mm具有良好級(jí)配的石子，其密度為2 720 kg/m3，細(xì)骨料為天然砂。本文試驗(yàn)所用的鋼纖維分別為啞鈴型、鋼絲端鉤形、剪切波紋形鋼纖維，纖維的具體形狀見圖1，減水劑為聚羧酸高效減水劑，固含量為40%。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)混凝土的攪拌過程為:首先將水泥、粉煤灰、硅灰、天然粗骨料、再生粗骨料、砂進(jìn)行混合攪拌60 s，隨后加入鋼纖維，干拌60 s，隨后將減水劑及水加入到攪拌鍋中攪拌180 s。然后將裝好混凝土的試模放在振搗臺(tái)上振動(dòng)60 s。隨后于28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量的試驗(yàn)。試驗(yàn)操作均滿足GB/T 50152—2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，從圖2中可知，基準(zhǔn)組R的抗壓強(qiáng)度為76.02 MPa，在單一摻入啞鈴型鋼纖維，其抗壓強(qiáng)度較R組降低了5.8%，這主要是由于摻入啞鈴型鋼纖維后，混凝土內(nèi)部裂紋增多，當(dāng)荷載施加于試件時(shí)，混凝土內(nèi)部存在裂紋處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致混凝土較易被壓碎。而摻入鋼絲端鉤形及剪切波紋形鋼纖維時(shí)，其抗壓強(qiáng)度較R組提高了3.6%和0.7%，這是由于鋼絲端鉤形及剪切波紋形纖維與混凝土基體的粘結(jié)性能優(yōu)異，能夠有效的組織內(nèi)部裂紋的發(fā)展，使混凝土抗壓強(qiáng)度得到提高。而混摻鋼纖維BC時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高效果最為明顯，即較R組提高了3.5%，這是由于兩種纖維產(chǎn)生混雜效應(yīng)，從而較好的約束再生混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，有效提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。但從以上數(shù)據(jù)得出，摻入鋼纖維對(duì)于再生混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不太明顯。

2.2 軸心抗壓強(qiáng)度

圖3為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。從圖3中可知，基準(zhǔn)組R的軸心抗壓強(qiáng)度為40.2 MPa，摻加啞鈴型的鋼纖維會(huì)降低混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，即較R組降低7.6%，而摻入鋼絲端鉤形、剪切波紋形鋼纖維相較R組提高了4.3%,0.2%，這是由于鋼纖維的摻入，會(huì)使混凝土內(nèi)部承受的應(yīng)力重新分布，由混凝土與鋼纖維共同承擔(dān)內(nèi)部應(yīng)力?；鞊戒摾w維AB與BC時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度提高1.8%與2.6%，而混摻鋼纖維AC時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度降低7.3%。這是由于鋼纖維雖然彈性模量高于高強(qiáng)再生混凝土，但會(huì)增加混凝土內(nèi)部裂紋，使混凝土在承受應(yīng)力時(shí)，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，從而使混凝土壓碎。從以上數(shù)據(jù)可以得出，在單摻鋼纖維B時(shí)，能夠有效提高混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。而當(dāng)混摻鋼纖維BC時(shí)，鋼纖維的混雜效應(yīng)最好。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，從圖4中可知，基準(zhǔn)組R的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.56。當(dāng)單摻及混摻鋼纖維后，混凝土的劈拉強(qiáng)度均有不同程度的提升。即單摻A，B，C鋼纖維時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度較R分別提高29.5%，37.9%，35.4%。這是由于單摻入鋼纖維時(shí)，由于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度大于基體混凝土，這就使當(dāng)荷載作用時(shí)，鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)作用，使裂縫不容易產(chǎn)生與發(fā)展。而混摻鋼纖維AB，AC，BC時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度較R分別提高29.8%，20.5%，64.1%。即當(dāng)混摻鋼纖維BC時(shí)，其劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最為明顯，這是由于鋼纖維BC具有良好的混雜效應(yīng)，混雜纖維產(chǎn)生1+1>2的正雜化效應(yīng)。

2.4 拉壓比

拉壓比是反映混凝土脆性的一個(gè)指標(biāo)，拉壓比越大，表示混凝土的塑性越強(qiáng)。從圖5中可以看出，無論是單摻鋼纖維A,B,C還是混摻鋼纖維AB,AC,BC，高強(qiáng)再生混凝土的拉壓比均有提高作用。即單摻鋼纖維A,B,C時(shí)，拉壓比較R組提高36.2%,31.9%,34.0%，而混摻鋼纖維AB,AC,BC時(shí)，拉壓比較R組提高27.7%,27.8%,57.4%。可知，當(dāng)混摻鋼纖維BC時(shí)，混凝土的拉壓比最大，這表明混雜鋼纖維BC能夠有效的增強(qiáng)高強(qiáng)再生混凝土的韌性，使混凝土的破壞由脆性破壞變成延性破壞。

2.5 彈性模量

圖6為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的彈性模量。由圖6可知，R組的彈性模量為41.19 GPa，當(dāng)在高強(qiáng)再生混凝土中單摻鋼纖維時(shí)，混凝土的彈性模量有不同程度的提高，即分別較R組提高11.7%,60.0%,28.7%，可見當(dāng)單摻鋼纖維B時(shí)，混凝土抵抗變形的能力有所增強(qiáng)。而混雜摻入鋼纖維AB,AC,BC時(shí)，較R組分別提高5%,0.6%,10.7%。由以上數(shù)據(jù)可知，鋼纖維對(duì)于高強(qiáng)再生混凝土有明顯的提高作用，其中單摻的效果明顯優(yōu)于混摻，當(dāng)單摻鋼纖維B時(shí)，其對(duì)于彈性模量的增強(qiáng)效果最為明顯。

2.6 彈強(qiáng)比

彈強(qiáng)比為反映混凝土延性的一種指標(biāo)，本文利用彈強(qiáng)比來反映出鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的抗裂性能。圖7為混雜鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土的彈強(qiáng)比，從圖7中可知，未摻入鋼纖維的再生混凝土彈強(qiáng)比為102.7，而摻入鋼纖維的各組再生混凝土的彈強(qiáng)比均有不同程度的提高，即較R組提高20.9%,53.4%,28.4%,2.7%,8.7%,7.9%，其中當(dāng)單摻鋼纖維B時(shí)，對(duì)彈強(qiáng)比的提高作用最為明顯，說明鋼纖維B能夠有效提高混凝土梁的延性。

3 結(jié)語

本文通過在高強(qiáng)再生混凝土中單摻及混摻鋼纖維，分析高強(qiáng)再生混凝土的基本力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

1)摻入鋼纖維對(duì)于再生混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不太明顯。其中混摻鋼纖維BC時(shí)，其抗壓強(qiáng)度較R組提高了3.5%。

2)摻入鋼纖維能有效的提高高強(qiáng)再生混凝土的劈拉強(qiáng)度、拉壓比及彈強(qiáng)比。當(dāng)混摻鋼纖維BC時(shí)，其劈拉強(qiáng)度較R組提高64.1%。

3)單摻鋼纖維B時(shí)，能夠有效的提高高強(qiáng)再生混凝土的彈性模量，其較R組提高60.0%。