基于超聲檢測的廢棄纖維再生混凝土彈性模量試驗研究

康天蓓， 金立偉， 周靜海， 李松旭

(沈陽建筑大學土木工程學院， 沈陽 110168)

再生混凝土是一種環境友好型的綠色建筑材料，再生混凝土的推廣應用可以有效地緩解土地資源侵占和自然資源匱乏等生態問題[1-2]，符合中國的基本國情。廢棄地毯作為一種生活垃圾，也給環境帶來了危害。將廢棄地毯纖維作為增強纖維加入再生混凝土中，可以有效地改善再生粗骨料帶來的力學性能、耐久性能劣化等問題[3-5]。

彈性模量是混凝土材料重要的力學性能之一，郝恩海等[6]、鄧文博等[7]通過超聲檢測法得出混凝土和高溫后陶瓷纖維混凝土的強度與彈性模量的關系，主要影響因素為水灰比和骨料性能。再生骨料由于表面附著老舊砂漿帶來多重界面，降低了再生混凝土的彈性模量。常熤存等[8]、Duan等[9]、Tamanna等[10]通過建立預測模型和試驗研究了再生混凝土和橡膠再生混凝土的彈性模量。在長期荷載作用下，隨著損傷的累計，再生混凝土界面薄弱處產生微裂紋，損傷后再生混凝土的彈性模量較普通混凝土變化更明顯，損傷后的彈性模量對評測再生混凝土長期力學行為和耐久性能具有重要意義。

為此，采用無損檢測中的超聲檢測法，對再生骨料取代率為0、50%、100%的天然混凝土和再生混凝土試件、廢棄纖維取代率為0.08%的廢棄纖維再生混凝土試件進行檢測。得到在應力水平分別為0、0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc、0.85fc時，以及0.85fc持荷0～60 d的彈性模量(fc為棱柱體抗壓強度)，提出超聲波隨應力水平與時間的關系，以期為再生混凝土、廢棄纖維再生混凝土的長期力學行為提供研究基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本試驗采用的天然粗骨料購自采石場，再生粗骨料來自原始強度為C40、齡期為1年的混凝土梁，經過人工破碎和篩分制備而成。兩種粗骨料的粒徑均為5～25 mm，級配良好，再生粗骨料的物理力學性能列于表1中。細骨料為細度模數為2.7的天然河砂，表觀密度2 620 kg/m3。水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。

廢棄纖維來自廢棄的丙綸地毯，化學成分為聚丙烯，經人工拆分制備成長度為19 mm的廢棄纖維段。廢棄纖維的吸水率小于0.1%，摻入混凝土中不會改變混凝土的配合比。廢棄纖維的形態如圖1所示。

表1 再生骨料物理力學性能Table 1 Technical index of recycled coarse aggregates

成分：聚丙烯；截面形狀：圓形；纖維長度：19 mm圖1 廢棄纖維的制備及形態Fig.1 Preparation and morphology of waste fibers

1.2 廢棄纖維再生混凝的制備與配合比

廢棄纖維再生混凝土的配合比參照文獻[3,5]進行設計。再生混凝土制備過程中的水分為自由水和附加水，附加水的目的是減小再生粗骨料高吸水率對有效水灰比的影響。當再生粗骨料取代率為50%時，附加用水量為10 kg/m3；當再生粗骨料取代率為100%時，附加用水量為20 kg/m3。廢棄纖維再生混凝土的配合比為，m水泥∶m砂子∶m粗骨料∶m自由水=1∶1.82∶2.96∶0.5,其中m為質量。

廢棄纖維再生混凝土的制備方法為首先將細骨料、水泥投入攪拌機中攪拌均勻，然后投入廢棄纖維攪拌1 min，再加入水攪拌1 min，該步驟的目的是使廢棄纖維均勻地分散在水泥基中。最后投入粗骨料攪拌2～3 min，使水泥砂漿均勻地包裹粗骨料。試件采用標準養護方式，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。

1.3 試驗方法

抗壓強度和彈性模量試驗均按照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。立方體抗壓強度fcu試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，棱柱體抗壓強度fc和彈性模量E試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×400 mm，每個編號進行3次平行試驗，取平均值作為試驗結果，共制備試件36個。試件符號含義：S0為普通混凝土；S50、S100為再生骨料取代率分別為50%和100%的再生混凝土；S50-F為再生骨料取代率為50%，廢棄纖維體積摻入量為0.08%的廢棄纖維再生混凝土試件。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading equipment

(1)

2 試驗結果與分析

2.1 超聲波檢測結果分析

試件的立方體抗壓強度fcu、棱柱體抗壓強度fc如圖3、圖4所示。隨著再生骨料取代率的增加，抗壓強度和棱柱體抗壓強度均降低，加入廢棄纖維后，再生混凝土的立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度分別增加0.5%和5.6%。

()中數值為3個試件的標準差圖3 立方體抗壓強度Fig.3 Compression strength of cube

()中數值為3個試件的標準差圖4 棱柱體抗壓強度Fig.4 Compression strength of prism

在每組試件荷載分別達到0、0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc、0.85fc時停止加載，測試超聲波速，測試完畢后進行下一應力等級的加載，重復試驗過程至全部試件測試完畢，各組應力水平與波速的關系如圖5所示。0.85fc應力水平持載過程中時間與波速的關系如圖6所示。

由圖5可以看出，S0、S50、S50-F和S100的應力水平—波速曲線變化趨勢相似。在試件加載前，普通混凝土S0內的聲波傳播速度最快，其次是摻入0.08%廢棄纖維的再生混凝土S50-F、S50，而當再生骨料取代率為100%的試件S100內超聲波傳播速度最慢。根據波速可以判斷出混凝土在加載前內部缺陷程度依次為：S100、S50、S50-F、S0。隨著應力水平的增加，超聲波在S100和S0中的傳遞速度的差異在增大。由圖6可知，超聲波速隨著時間的增加而不斷衰減，在9、30、60 d，再生骨料取代率0～50%的試件超聲波速下降率分別為4.17%、4.73%、5.38%；再生骨料取代率50%～100%，超聲波速下降率分別為6.95%、8.54%、8.40%。

圖5 應力水平和波速的關系Fig.5 Relationship between stress and wave velocity

圖6 0.85fc持載時間和波速關系Fig.6 Relationship between time and wave velocity under 0.85fc

再生粗骨料存在初始損傷，超聲波在再生混凝土傳播過程中遇到微裂縫的概率更大，需要通過散射和繞射穿越內部缺陷，傳播路程較普通混凝土長，因此測得的超聲波波速減小。隨著再生骨料取代率的增大，材料內部初始損傷增多，初始超聲波速越慢。隨著應力水平的增加，微裂縫在應力作用下擴展，增加了超聲波的傳播路徑，超聲波速減小。隨著持荷時間的增加，再生骨料取代率越高，損傷逐漸擴展為裂紋，超聲波速不斷衰減。在再生混凝土中摻入廢棄纖維的試件S50-F超聲波速較再生混凝土S50有所提高，廢棄纖維的加入阻止了微裂縫擴展，縮短了超聲波在混凝土中的傳播路程。

2.2 廢棄纖維再生混凝土彈性模量

根據靜力受壓彈性模量試驗，和式(1)計算得到的彈性模量如圖7所示。彈性模量與超聲波速的關系如圖8所示，彈性模量與超聲波速呈線性關系，相關性系數R值為0.939，普通混凝土(S0)、再生混凝土(S50、S100)和廢棄纖維再生混凝土(S50-F)均可采用超聲波檢測法初步測定彈性模量。不同損傷時間彈性模量較未加載時的下降率如表2所示。

圖7 彈性模量Fig.7 Elastic modulus

圖8 彈性模量和波速關系 Fig.8 Relationship between elastic modulus and wave velocity

表2 彈性模量下降率Table 2 The decrease rate of elastic modulus

由圖7和表2可知，所有試件的彈性模量均隨著損傷的演化而降低，在宏觀尺度上表現為抵抗彈性變能力在減小，在細觀尺度上表現為混凝土和再生混凝土中界面黏結強度的降低。0～30 d試件彈性模量下降率是30～60 d下降率的3.1～7.7倍，這是由于在85%fc水平應力作用下，試件內部前期損傷程度較高，隨著損傷的發展逐漸趨于穩定，因此30～60 d的彈性模量下降程度變低。隨著再生骨料取代率的增加，同一時間水平的彈性模量和不同時間水平的彈性模量下降率均增大，主要原因在于：①再生粗骨料的制備過程會產生初始損傷；②再生混凝土的多界面性[3-4]為損傷的演化提供了新的路徑和空間[圖9(a)、圖9(b)]。

試件S50-F的彈性模量較S50高，廢棄纖維的加入雖然無法改變再生混凝土的初始損傷和多界面性，但可以通過改變水泥基體的孔隙率，將大孔劃分為小孔，密實水泥基體，并且纖維的橋接作用可以阻斷微裂縫的開展抑制纖維再生混凝土內部損傷的演化[圖9(c)]，從而提高了再生混凝土的彈性模量[11-13]。

2.3 中國、美國、歐洲規范計算廢棄纖維再生混凝土彈性模量

中國規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和歐洲規范《混凝土結構設計》(BS EN 1992-1-1—2004)均采用棱柱體試件確定抗壓強度，美國規范采用圓柱體試件，按照美國規范《美國混凝土結構設計規范》(ACI 308-05)將圓柱體測試結果轉換成棱柱體測試結果。

《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)采用混凝土受壓彈性模量，對標準棱柱體試件加載至0.5fc，反復5～10次取應力-應變曲線割線斜率得到。混凝土受壓彈性模量Ec與抗壓強度的關系為

(2)

式(2)中:fcu,k為立方體抗壓強度。

《美國混凝土結構設計規范》(ACI 308-05)將混凝土受壓彈性模量定義為受壓應力—應變曲線0～0.45fc割線的斜率。普通混凝土彈性模量計算公式為

(3)

圖9 細觀特征SEM圖Fig.9 SEM micrograph of microscopic characteristics

歐洲規范《混凝土結構設計》(BS EN 1992-1-1—2004)取受壓應力-應變曲線上0～0.4fcm割線的斜率作為混凝土受壓彈性模量，其表達式為

(4)

式(4)中：fcm為混凝土強度平均值。

按照式(2)～式(4)計算各試件的彈性模量，并與超聲波速實測值按式(1)計算的彈性模量結果進行對比，結果如表3所示。

由表3可知，中國規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和歐洲規范《混凝土結構設計》(BS EN 1992-1-1—2004)計算值與超聲檢測實測值差值分別為0.9%～8.4%和0.3%～12%。而美國

表3 中國、美國、歐洲規范彈性模量計算值與實測值Table 3 Calculated and measured values of elastic modulus in Chinese, American and European codes

規范《美國混凝土結構設計規范》(ACI 308-05)的計算值與超聲檢測實測值差值為18%～25.8%。美國規范《美國混凝土結構設計規范》(ACI 308-05)計算值偏大的原因為規范中的標準試件為圓柱體，說明尺寸效應對再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土的彈性模量具有一定的影響。超聲檢測實測值與中國規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和歐洲規范《混凝土結構設計》(BS EN 1992-1-1—2004)計算值吻合程度較好，因此在實際工程中，可采用超聲檢測法預測已產生損傷的再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土的彈性模量。

3 結論

(1)隨著再生骨料取代率的增加，立方體抗壓強度和軸心抗壓強度均降低，加入廢棄纖維后，強度值增加；在長期無損檢測中，聲波在混凝土、再生混凝土、廢棄纖維再生混凝土中的傳播速度與彈性模量呈正比。

(2)超聲波速隨著持荷的增加而衰減，再生混凝土與廢棄纖維再生混凝土隨著持荷時間的增長，前期損傷增長速度較快，后期趨于穩定，該結論與彈性模量隨時間的變化一致。隨著應力水平的提高，再生混凝土的多界面性為損傷的演化提供了新的路徑和空間。廢棄纖維的橋接作用可以阻斷微裂縫的開展抑制廢棄纖維再生混凝土內部損傷的演化。

(4)采用中國、美國、歐洲規范計算廢棄纖維再生混凝土彈性模量，并與超聲檢測值進行對比，中國規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和歐洲規范《混凝土結構設計》(BS EN 1992-1-1—2004)均適用于再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土彈性模量計算。超聲波無損檢測法可以檢測長期損傷后再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土彈性模量。