鋼纖維再生混凝土軸壓強度與損傷分析

吉云鵬 陳宇良 覃貝錄

摘 要：為研究鋼纖維再生混凝土單軸受壓狀態下的強度、耗能及損傷演化機理，以再生骨料取代率（γ）及鋼纖維體積摻量（V）為試驗參數，對24個鋼纖維再生混凝土試件進行單軸受壓試驗。通過分析鋼纖維摻量及再生骨料取代率對再生混凝土強度的影響，揭示了鋼纖維再生混凝土的損傷演化機理。結果表明：隨著鋼纖維摻量增大，破壞形態由豎向劈裂破壞轉化為斜向劈裂破壞，應力-應變曲線下降段逐漸平緩，殘余強度與耗能逐漸提高;隨著取代率增大，混凝土強度先增大后減小;當取代率為50%時，SFRAC的強度與耗能均達到峰值，損傷發展速率最慢;鋼纖維可有效延緩再生混凝土的損傷發展。

關鍵詞：鋼纖維再生混凝土;強度;能量耗散;損傷變量

中圖分類號：TU528.58? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.004

0? ? 引言

再生混凝土（recycled aggregate concrete，RAC）作為一種綠色環保的建筑材料，具有良好的應用前景，長期以來國內外學者對其展開了廣泛的研究[1-4]。由于再生骨料在破碎時，不可避免地攜帶有微裂縫與老砂漿，與普通混凝土相比，再生混凝土力學性能略有降低[5-7]。而在混凝土中摻入鋼纖維，可以在一定程度上改善混凝土的力學性能[8-10]，因此，研究鋼纖維對再生混凝土力學性能的改善作用有利于再生混凝土的應用和推廣。

目前，已有許多學者就鋼纖維再生混凝土的力學性能展開了相關研究。高丹盈等[11]研究了水膠比、再生骨料取代率和鋼纖維摻量對再生混凝土軸壓性能的影響，建立了鋼纖維再生混凝土的軸壓本構模型。周聰等[12]對鋼纖維再生混凝土的抗沖擊性能進行了研究，并在試驗基礎上建立了該類混凝土落錘沖擊作用下的三維有限元分析模型。蘇捷等[13]研究了取代率和鋼纖維摻量對再生混凝土抗折強度及尺寸效應的影響，提出了鋼纖維再生混凝土抗折強度尺寸效應計算公式。羅素蓉等[14]通過研究鋼纖維、鋼-聚乙烯醇混雜纖維對高強再生骨料混凝土斷裂性能的影響，給出了鋼-聚乙烯醇纖維的最佳混雜摻量。張麗娟等[15]通過雙面剪切試驗，對鋼纖維再生混凝土的抗剪性能展開了研究。

綜上所述，現有研究多集中于鋼纖維再生混凝土的各項力學性能，而關于鋼纖維再生混凝土能量耗散的相關研究尚少，且未能揭示鋼纖維再生混凝土的損傷演化規律及損傷機理。 能量耗散與損傷機理作為衡量混凝土結構可靠性及分析結構失穩機制的材性基礎，對其開展研究對鋼纖維再生混凝土的推廣和應用具有重要意義。因此，本文擬開展鋼纖維再生混凝土的單軸受壓試驗，分析鋼纖維摻量及取代率對鋼纖維再生混凝土強度和能量耗散的影響，揭示鋼纖維再生混凝土的損傷演化機理，以期為該類混凝土的工程應用提供借鑒。

1? ? 試驗概況

1.1? ?試驗材料

外摻纖維為波紋型鋼纖維（SF），其基本物理指標如表1所示;再生粗骨料由廢棄混凝土梁破碎后制得，天然骨料為普通碎石，2種骨料級配連續，物理性質詳見表2;細骨料為普通河砂;水泥為P?O42.5普通硅酸鹽水泥;拌合水為自來水。

1.2? ?試件設計與制作

1.2.1? ?配合比設計

普通混凝土目標強度為C35，其配合比如表3所示。設計再生混凝土配合比時，其膠凝材料、細骨料與普通混凝土的用量一致，再生骨料根據取代率大小等質量替代天然骨料，考慮到再生骨料吸水率高的特性，根據再生骨料與普通碎石之間吸水率及含水率的差異適量添加附加用水。

1.2.2? ?試件設計與制作

試驗選取0、30%、50%、70%、100%等5種再生骨料取代率[in（n=1， 2， …， 5）]和0、0.5%、1.0%、1.5%等4種鋼纖維體積摻量[jm（m=1， 2， 3， 4）]，制作了8組圓柱體試件，其直徑[d] =100 mm，高度? ?[h]=200 mm。試件每組3個，合計24個。試件編號采用SF-in-jm表示，例如：SF-i5-j3表示取代率為100%、鋼纖維摻量為1.0%的試件。

使用強制式混凝土攪拌機，為檢測鋼纖維的分散效果，在混凝土澆筑后，分散抽取3個鋼纖維體積摻量理論值為1.0%的試件，在混凝土初凝之前于試模中取出混凝土并盛于篩網中，用流動清水沖洗掉水泥，挑出鋼纖維，再次清洗并風干稱重，所得鋼纖維的體積摻量如表4所示。

1.3? ?單軸受壓試驗

試件加載前先用水泥凈漿對試件進行抹平，抹平厚度約為2 mm，待水泥凈漿結硬后，用水平尺檢測試件是否平整。試件在中科院武漢巖土力學研究所自主研發的RMT-301試驗機（圖1）上完成加載。正式加載前為減小抹平層與加載面之間的孔隙對試驗結果產生的影響，先對試件進行預壓，即力控加載至峰值荷載的20%左右后卸載，重復3次。試件正式加載時，為避免鋼纖維再生混凝土（steel fiber recycled aggregate concrete，SFRAC）試件在受壓破壞時急劇變形，導致應力-應變曲線下降段不完整，所以加載速率采用0.02 mm/s的位控加載，待試件破壞后停止試驗。

2? ?試驗結果

2.1? ?破壞形態

圖2（a）—圖2（e）依次列出了5種再生骨料取代率試件的破壞形態。如圖所示，再生骨料取代率對試件的破壞形態影響較小，在鋼纖維的影響下，5種取代率對應試件的破壞形態均為斜向劈裂破壞。圖2（e）—圖2（h）列出了4種鋼纖維摻量對應試件的破壞形態，由圖可知，隨著鋼纖維摻量增大，破壞形態由豎向劈裂破壞轉變為斜向劈裂破壞。鋼纖維摻量對破壞形態的影響主要體現在裂縫發展方向、主裂縫寬度和試件加載結束后的完整性等方面。具體表現為：當鋼纖維摻量為0時，試件處于單軸受壓狀態，由于試件在水平方向上僅上下接觸面受到摩擦約束力，所以破壞裂縫豎向發展并貫通試件，導致試件發生豎向劈裂破壞。在加載過程中，混凝土表層剝落嚴重，加載結束后，試件通常分裂為多個碎塊。當鋼纖維摻量為0.5%時，鋼纖維在試件內部相互搭接形成纖維骨架，當試件承壓時，纖維骨架可以對試件內部的混凝土產生橫向約束力，導致試件內部的水平應力發生傾斜，所以試件的破壞主裂縫開始略微傾斜。此時，試件在加載過程中表觀混凝土的剝落面積減小，在加載結束后保持裂而不碎的狀態。當鋼纖維摻量為1.0%～1.5%時，由于纖維骨架的約束力得到加強，所以破壞主裂縫的傾斜角度進一步增大，并最終保持在20°～30°，導致試件發生斜向劈裂破壞。此外，隨著鋼纖維摻量增大，破壞主裂縫的寬度略微減小，且主裂縫周圍的微裂縫開始增多，表明增大鋼纖維摻量后，其對試件破壞主裂縫的限制效果得到增強。

2.2? ?應力-應變曲線

圖3（a）為相同鋼纖維摻量、不同取代率下的應力（[σ]）-應變（[ε]）曲線對比。各取代率下應力-應變曲線的上升段基本重合，下降段因取代率不同存在較大差異，表現為0取代率對應曲線的下降段與其他取代率相比更為緩和。這是因為在峰值荷載前，試件的軸向變形及其內部的損傷積累較少，所以取代率對應力-應變曲線的影響較小;在峰值荷載之后，試件內部裂縫在加速發展時更容易穿過強度偏低的再生骨料，所以摻有再生骨料的試件，其應力-應變曲線的下降段更為陡峭。

圖3（b）為相同取代率、不同鋼纖維摻量試件的應力-應變曲線對比。纖維摻量對應力-應變曲線的上升段影響較小，鋼纖維摻量增大后，應力-應變曲線的下降段逐漸平緩，殘余強度逐漸提高。這是因為在應力-應變曲線的峰值點之前，試件內部的裂縫數量較少且裂縫寬度較小，導致鋼纖維未能充分發揮阻裂作用，所以該階段應力-應變曲線受鋼纖維摻量的影響較小。而在峰值點之后，隨著試件的軸向變形加大，試件內部裂縫逐漸增多，且裂縫寬度加大，當裂縫經過鋼纖維時，鋼纖維會拉結裂縫兩側的混凝土，延緩混凝土強度的衰減速度，所以纖維摻量增大后，應力-應變曲線的下降段逐漸平緩。

3? ? 影響因素與分析

3.1? ?強度分析

3.1.1? ?取代率對強度的影響

圖4為強度（峰值應力[σv]）與再生骨料取代率（[γ]）的關系。SFRAC的強度隨取代率增大先增大后減小，并在取代率為50%時達到峰值，此時較取代率為0時提高了約11.0%。這是由于再生骨料在破碎后不可避免地攜帶有微裂縫與老砂漿，導致再生骨料內部及其周圍容易形成薄弱區，對試件的強度產生負面影響。但再生骨料自身的一些特性也會對混凝土強度產生積極影響，主要原因有兩個方面：①由于再生骨料具有高吸水率的特性，其在混凝土澆筑后含有更多的水分，在水泥凝結硬化的過程中，再生骨料內部的水分可以反哺于骨料周圍的水泥基，增強骨料周圍水泥砂漿的強度;②再生骨料在破碎的過程中會產生較多棱角，導致其與水泥砂漿之間更容易咬合。當取代率為0～50%時，再生骨料的正面影響大于負面影響，再生混凝土的強度逐漸升高;當取代率大于50%后，再生骨料的? ? 負面影響開始占據主導，再生混凝土的強度逐漸? 降低。

3.1.2? ?鋼纖維摻量對強度的影響

圖5為不同鋼纖維摻量下SFRAC的強度（峰值應力[σv]）對比。當鋼纖維摻量為0、0.5%和1.5%時，SFRAC的強度略有波動，但整體變化較小。這是因為鋼纖維在試件內部主要發揮阻裂增韌的作用。如2.2所述，增大鋼纖維摻量可以使應力-應變曲線的下降段更為平緩，但對應力-應變曲線的上升段影響較小，而峰值點作為應力-應變曲線上升段與下降段的分界點，鋼纖維摻量對其影響較小。當鋼纖維摻量為1.0%時，SFRAC的強度出現了較大幅度的降低，是因為該批試件在澆筑時鋼纖維分散不均勻，導致鋼纖維在試件內部結團并形成薄弱區，造成試件的強度降低。

3.2? ?能量耗散

選取應力-應變曲線的積分面積作為試件破壞時（試件應力降至峰值應力的85%）的耗能（[Q]），其計算公式如下：

[Q=0εuσdε]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[εu]表示承載力降至0.85倍峰值應力時試件的縱向應變，[σ]表示試件的應力，[ε]表示試件的應變。

3.2.1? ?取代率對耗能的影響

圖6為取代率與耗能之間的關系。當取代率（[γ]）由0增至70%時，耗能（[Q]）隨取代率的變化趨勢與峰值應力隨取代率的變化趨勢較為相似;在取代率為50%時，耗能達到峰值，并較0取代率時提高了約17.9%。其主要原因為峰值應力是決定耗能大小的關鍵因素之一。峰值應力越大，試件在破壞時需要消耗的能量越多;此外，當取代率由70%增至100%時，試件的耗能出現回升現象，則是因為100%取代率對應試件的變形較大，導致其應力-應變曲線的積分面積增大。

3.2.2? ?鋼纖維摻量對耗能的影響

圖7為鋼纖維摻量與破壞耗能的關系。隨鋼纖維摻量增大，SFRAC的破壞耗能近乎呈線性增長。混凝土消耗能量的主要途徑為混凝土各組分的變形及混凝土內部裂縫的發展，所以鋼纖維摻量增大后耗能增長，一方面是由于鋼纖維在試件內部形成的纖維骨架約束了混凝土的橫向變形，導致混凝土因彈性和塑性變形而消耗的能量增加;另一方面，當鋼纖維在限制混凝土內部裂縫發展時，鋼纖維的拉伸和拔出會消耗能量，導致試件的耗能增加。

3.3? ?損傷曲線

為描述SFRAC試件的損傷演化過程，用損傷變量[D]表示試件的受損程度，[D]值介于0～1，[D] =0時表示試件處于無損傷狀態;[D] =1時表示試件完全損壞。

[D=1-E?E]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[E?]表示試件的割線模量，[E]表示應力-應變曲線上升段0.4倍峰值應力處的割線模量。

3.3.1? ?損傷全過程分析

圖8為部分SFRAC試件的損傷全過程曲線。試件的損傷演化過程如下：加載初期，當應變區間為0～3.5×10-3時，試件尚處于彈性階段，損傷變量D基本為0;當應變達到3.5×10-3～5.0×10-3附近時，試件內部的微裂縫逐漸發展，損傷變量開始緩慢增大，此時，試件表面出現少量微裂縫，試件開始進入彈塑性階段;當縱向應變大于5.0×10-3后，損傷變量開始加速發展，損傷變量隨縱向應變的增大近乎線性增長，此時試件內部的微裂縫逐漸發展并相互連通，試件表面的微裂縫演化為宏觀裂縫;當縱向應變達到7.0×10-3左右時，多數試件的損傷度處于0.5～0.7，此時，試件基本被裂縫貫穿，承載力大幅降低。此后，由于試件內部積累的大量裂縫可為試件的軸向變形提供更多的變形空間，所以損傷變量隨著縱向應變的增大，增速逐漸變緩。

3.3.2? ?損傷因素分析

SFRAC試件損傷發展如圖8所示，圖8（a）為相同鋼纖維摻量、不同取代率下SFRAC試件的損傷發展曲線對比圖。當再生骨料取代率由0增至50%時，SFRAC的損傷發展速率逐漸變緩（損傷發展曲線向后偏移）;當再生骨料取代率由50%增至100%時，SFRAC的損傷發展速率又開始逐漸加快（損傷發展曲線向前偏移）。表明當再生骨料取代率為50%時，SFRAC的損傷發展速率最緩慢。結合3.1.1及3.2.1可知，當再生骨料取代率為50%時，SFRAC的強度與耗能均達到峰值，說明該取代率下再生骨料高吸水率及表面粗糙等特性對混凝土產生的積極影響最為顯著，所以此時SFRAC的損傷發展速率也最為緩慢。

圖8（b）為相同取代率、不同鋼纖維摻量下SFRAC試件的損傷曲線對比圖。隨鋼纖維摻量迅速增大，損傷開始發展，應變迅速增大，損傷曲線向后偏移。這是由于試件內部裂縫迅速發展（損傷變量迅速增大）時，鋼纖維對裂縫兩側的混凝土產生了橋接作用，導致鋼纖維在拉伸及拔出的過程中，裂縫處混凝土的強度提高，進而延緩了SFRAC的損傷發展。

4? ? ?結論

1）隨著鋼纖維摻量的增大，鋼纖維再生混凝土的破壞形態由豎向劈裂破壞轉變為斜向劈裂破壞。

2）鋼纖維摻量對SFRAC的強度影響較小;鋼纖維摻量增大后，應力-應變曲線的下降段逐漸平緩，殘余強度與能量耗散逐漸增大。

3）取代率增大后，SFRAC的強度先增后降;峰值應力及耗能均在取代率為50%時達到峰值，并較0取代率時分別提高了11.0%和17.9%。

4）鋼纖維可有效延緩SFRAC的損傷發展，且鋼纖維摻量越大，SFRAC的損傷發展越緩慢;當取代率為50%時，SFRAC的損傷發展最緩慢。

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Axial compressive strength and damage analysis of steel

fiber recycled concrete

JI Yunpeng， CHEN Yuliang*， QIN Beilu

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： 24 cylinder specimens are tested by considering the replacement rate of recycled coarse? ? ? ?aggregate and the steel fiber content to test the mechanical properties and damage development of steel fiber recycled aggregate concrete under uniaxial compression. The damage evolution mechanism was revealed by analyzing the effects of recycled aggregate replacement rate and the steel fiber content on the recycled concrete strength. The results show that with the increase of steel fiber content， the failure pattern changes from vertical split failure to oblique split failure; the descending section of the? ? ? ?stress-strain curve gradually flattens; and the residual strength and energy consumption? ?increase? ?gradually. With the increase of replacement rate， the strength of concrete firstly increases and then? ? ? decreases. When the replacement rate of recycled coarse aggregate is 50%， both the strength and energy consumption of SFRAC reach the peak value， and the damage development rate is the slowest. Steel? ? ?fiber can restrain the damage development of recycled aggregate concrete.

Key words： steel fiber recycled aggregate concrete; strength; energy consumption; damage variable

（責任編輯：羅小芬）