再生粗骨料玄武巖大纖維混凝土梁的抗彎性能試驗研究

李曉晶

(山西一建集團有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

近幾十年來，我國大規模城鎮化建設加劇了對天然砂石的需求，與此同時，隨著城市化進程步伐的加快，建筑廢棄物也在以驚人的速度增長[1]。因此，如何節約天然骨料以及建筑垃圾的資源化利用成為研究者越來越關注的課題。很多學者對再生混凝土骨料進行了大量的研究。朱青龍等[2]采用3 種類型溶液通過化學試劑浸泡法對再生混凝土骨料進行了改性，從而改善了再生混凝土的各項基本性能。高丹盈和朱倩[3]提出了考慮再生骨料取代率和纖維體積率影響的鋼筋與鋼纖維再生混凝土黏結-滑移本構模型，并對其黏結-滑移性能進行了研究。陳愛玖等[4]對預應力碳纖維布加固鋼筋再生混凝土梁受彎承載力進行了試驗研究，建立了預應力碳纖維布加固鋼筋再生混凝土梁的受彎承載力計算公式。曹萬林等[5]對6根再生混凝土足尺梁進行長達750 d 的長期穩定加載，研究了不同骨料取代率對梁撓度和徐變系數的影響，并進行了非線性擬合分析。摻加纖維可改善混凝土的力學性能，常用增強纖維包括玄武巖纖維(BF)，BF 是一種由火山噴發形成的玄武巖礦石經高溫熔融、拉絲而成的無機纖維材料，其顏色較深，與碳纖維顏色相近。BF 具有良好的物理性能，如耐腐蝕性、耐高溫性以及抗凍性，而且BF 的密度與混凝土密度接近，可以與混凝土更好地結合，具有良好的應用前景。

本文研究了玄武巖大纖維(BMF)體積摻量和再生粗骨料(RCA)取代率對鋼筋混凝土梁抗彎性能和極限承載力的影響，對裂縫的出現和發展進行了觀測記錄。

1 試 驗

1.1 試驗材料

(1)天然粗骨料(NCA)：為輝長巖，是一種火成巖，顏色較深；再生粗骨料(RCA)：取自拆除的混凝土結構。2 種粗骨料的粒徑均為5～25 mm，級配曲線見圖1，技術性能見表1，可以看出，RCA 的密度較NCA 小，吸水率和壓碎指標較NCA 高。

圖1 NCA 和RCA 的級配曲線

表1 天然粗骨料和再生粗骨料的技術性能

(2)其他材料：細度模數為3.2 的水洗砂；P·O42.5 水泥；自來水；縱向加固用鋼筋，直徑分別為8、16 mm，力學性能見表2。

表2 試驗用鋼筋的力學性能

(3)玄武巖大纖維(BMF)：安徽中企新材料有限公司研發，是由玄武巖石材制成的一種無腐蝕的離散細纖維，上面涂有適合混凝土使用的溶液，平均直徑0.65 mm，長度45 mm，抗拉強度達1080 MPa，彈性模量為44 GPa。

1.2 混凝土配合比

本試驗主要研究RCA 取代率(等質量取代NCA)和BMF體積摻量對普通混凝土梁彎曲性能的影響，RCA 取代率分別為 0、25%、50%、100%，BMF 體積摻量分別為 0、0.5%、1.0%、1.5%，共設計16 根試驗梁。此外，還進行了混凝土立方體抗壓強度和棱柱體抗彎強度測試，研究了RCA 取代率和BMF摻量對混凝土抗壓強度和抗彎強度的影響。

與NCA 相比，RCA 由于附著舊砂漿具有較高的吸水率，因此，混凝土混合料中游離水含量對混凝土硬化性能的發展起著重要的作用。所以，RCA 和NCA 在混合前先用水沖洗并浸泡24 h，然后用濕布將表面水分擦干。主要是為了確保2 種骨料在混凝土攪拌時都處于飽和面干狀態。骨料飽和吸水率不包括在水灰比計算中，目的是為了確保剩余的水量大致相同，并保證水泥顆粒在混凝土混合物中的水化作用。采用直接體積置換(DVR)配合比設計方法計算混凝土配合比，對于所有混凝土試件，每立方米混凝土中RCA 與NCA 的體積總和保持不變，混凝土配合比如表3 所示。

表3 混凝土配合比

1.3 試件制作

16 根試件梁的尺寸均相同，長度為2700 mm、有效跨度2300 mm、寬150 mm、高250 mm、箍筋的直徑為8 mm、縱向底部鋼筋的直徑為16 mm、混凝土保護層厚度為25 mm，試件尺寸及配筋如圖2 所示。試驗裝置及LVDT 位移傳感器布置如圖3 所示。對攪拌后的混凝土進行取樣檢測，測試中發現，試件A13 由于攪拌機故障使得和易性不符合GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》的要求，因此未對該試件進行后續試驗。其余所有混凝土試件的和易性均符合GB 50164—2011的要求。

圖2 混凝土梁的尺寸與配筋

圖3 試驗裝置簡圖及LVDT 布置

2 試驗結果與分析

2.1 RCA 取代率和BMF 摻量對混凝土抗壓強度的影響(見表4)

表4 RCA 取代率和BMF 摻量對混凝土抗壓強度的影響

由表4 可以看出，用RCA 取代NCA 對混凝土抗壓強度的影響較小，主要是因為混凝土配合比采用了DVR 混合設計方法。此外，BMF 摻量對混凝土抗壓強度的影響也較小。

2.2 RCA 取代率和BMF 摻量對混凝土梁抗彎強度的影響

混凝土梁抗彎強度試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，采用四點加載試驗在彎曲試驗機對試件進行抗彎強度測試，結果見圖4。

由圖4 可以看出：

圖4 RCA 取代率和BMF 摻量對混凝土抗彎強度的影響

(1)隨著BMF 摻量的增加，各組混凝土梁的抗彎強度都呈逐漸提高的趨勢，說明混凝土的抗彎性能有了顯著的改善。由于BMF 作為混凝土梁中的主動受力筋，因此，當梁中出現微裂縫時，BMF 可以提供即時的承載力，從而在一定程度上限制裂縫的進一步發展。當RCA 取代率為100%時，BMF 體積摻量為0.5%、1.0%的混凝土梁抗彎強度較未摻加BMF 的混凝土梁分別提高了17.01%、33.78%。當RCA 取代率為50%時，BMF 體積摻量為0.5%、1.0%、1.5%的混凝土梁抗彎強度較未摻加 BMF 的混凝土梁分別提高了 5.9%、25.73%、36.34%。

(2)RCA 取代率對混凝土梁的抗彎強度影響不大，二者沒有明顯的相關性。

2.3 試驗梁的破壞形態及參數分析

在試驗過程中，對梁逐漸均勻加載，直至試件破壞。對每根混凝土梁的裂縫發展進行記錄，表5 為各組混凝土梁的開荷載Pc、屈服荷載Py、極限荷載Pu以及開裂彎矩Mc、屈服彎Mcy、極限彎矩Mcu、最大跨中撓度△max和延性系數(DI)。

表5 各組混凝土梁的參數

2.3.1 BMF體積摻量對混凝土梁性能的影響

表5 結果表明，在混凝土中加入BMF 會提高混凝土梁的極限抗彎承載力，與未摻纖維的梁相比，BMF 增強混凝土梁具有更高的開裂和極限彎矩。不同BMF 體積摻量梁的延性系數為2.17～3.62，摻加BMF 可顯著提高試驗梁的吸能能力和延性。此外，隨著BMF 纖維體積摻量的增加，混凝土梁在破壞時會產生較大的撓度，圖5 對比了不同BMF 摻量混凝土梁的荷載-撓度、荷載-應變曲線。

圖5 不同BMF 摻量混凝土梁的試驗結果

由圖5(a)可見，對于RCA 取代率為100%的混凝土梁，當BMF 體積摻量分別增加到0.5%、1.0%、1.5%時，梁破壞時的最大撓度較未摻BMF 纖維的分別增加了11.76%、34.78%、44.44%。由圖5(b)可見，對于RCA 取代率為0 的混凝土梁，當BMF 體積摻量為0.5%時，梁破壞時的最大撓度較未摻BMF纖維的增加了16.67%；當BMF 的體積摻量進一步增加到1.0%時，梁破壞時的最大撓度較未摻BMF 纖維的增加了22.22%，主要是因為在破壞平面上發生了裂縫橋接。由圖5(c)可見，對于RCA 取代率為50%的混凝土梁，摻入BMF 使得混凝土的破壞應變增大，當BMF 體積摻量從0 增大到1.5%，梁的破壞應變從約 2900 με 增加到約 3700 με。

2.3.2 RCA 取代率對混凝土梁性能的影響

圖6 對比了不同RCA 取代率混凝土梁的荷載-撓度、荷載-應變曲線。

圖6 不同RCA 取代率混凝土梁的試驗結果

由圖6(a)、(b)可以看出，隨著RCA 取代率的增大，梁的極限抗彎強度和破壞撓度略有減小。當RCA 的取代率分別增大到25%、50%和100%時，梁在破壞時最大撓度較未摻BMF和RCA 的降低了8.57%、11.43%和14.29%，極限抗彎承載力較未摻BMF 和RCA 的分別降低了8.82%，6.95%和5.18%。摻加0.5%BMF 但RCA 取代率不同的混凝土梁中也能觀察到同樣的結果。然而，對于摻加1.0%、1.5%BMF 的混凝土梁，RCA 產生的影響減小，如圖6(c)、(d)所示。可以注意到，用RCA 代替NCA 幾乎不會對摻1.0%或更多BMF 的梁在破壞時的最大撓度產生影響。圖6(e)為不同RCA 取代率下未摻BMF 梁的荷載-應變曲線，可以看出，混凝土梁的應變與RCA取代率之間沒有明顯的相關性，增大RCA 的取代率并不影響混凝土梁的壓縮應變。之后，通過對無纖維梁跨中縱向鋼筋的拉應變測試，研究了不同RCA 取代率對混凝土梁的影響，由圖6(f)可見，RCA 取代率分別為25%、50%和100%時，與RCA取代率為0 的混凝土梁相比，其鋼筋的最大拉應變分別降低了21.61%、21.5%和37.77%，這表明隨著RCA 取代率的增加，鋼筋應變呈下降趨勢。采用RCA 制備的梁其延性略低，但摻加BMF 后降低了這種影響。

2.3.3 混凝土梁的破壞形態(見圖7)

圖7 各組混凝土梁的破壞形態。

由圖7 梁破壞時的裂縫形態和分布情況來看，RCA 梁的裂縫形態與NCA 梁的裂縫形態較為相似。對比A1、A5 與A9的破壞形態可以看出，BMF 梁的裂縫間距更大，彎曲裂縫更小，這是在由于混凝土中增加BMF 摻量會導致拉應力重新分布。

觀察加載過程可以發現，在靜力荷載作用下，所有試驗梁均在純彎段出現第1 次裂縫，在第1 次彎曲裂縫出現之前，試驗梁表現出陡峭的線彈性，隨著荷載的增加，彎曲裂縫沿著梁不斷擴展，進一步向上移動，梁的撓度明顯增加，大部分彎曲裂縫垂直延伸，之后開始出現斜彎剪裂縫。隨著荷載的進一步增大，縱向鋼筋屈服，最終導致混凝土梁在受壓區破碎，這也標志著梁發生了破壞。在施加的荷載下降到極限值的80%左右時，試驗停止，記錄下每根梁的破壞模式，可以發現，跨中撓曲破壞是梁發生破壞的主要形式。

3 結 論

(1)由于使用了體積置換法使RCA 和NCA 處于飽和面干狀態，因此，RCA 取代率對混凝土的抗壓和抗彎強度的影響很小。

(2)混凝土的抗壓強度受BMF 摻量的影響較小，但抗彎強度隨BMF 摻量的增加而顯著提高。

(3)與未摻BMF 纖維的對照試件梁相比，摻加BMF 的試件梁抗彎強度顯著提高，梁破壞時的跨中最大位移增大；由于BMF 對混凝土抗彎強度的提高作用，BMF 試件梁破壞時裂縫較對照試件梁更少。

(4)BMF 試件梁的延性較未摻BMF 纖維的對照試件梁更高，且隨著纖維摻量的增加，延性改善更明顯。

(5)RCA 取代率對梁的抗彎強度影響較小；在BMF 摻量較高(1.5%)時，梁的抗彎強度隨RCA 取代率的增加而降低。