層布式混雜纖維再生高強混凝土力學性能研究

金賢澤，裴長春

(延邊大學工學院,吉林 延吉 133002)

為了降低建筑垃圾對環境的污染以及資源的循環利用，近年來將廢棄混凝土加工成再生骨料應用于再生混凝土制備中。但再生骨料本身自帶缺陷，加入再生骨料的混凝土的強度、延性以及抗拉、抗剪強度與抗壓強度的比值均低于普通混凝土[1]。為提高再生混凝土的力學性能，劉小根等[2]研究表明，層布式鋼纖維混凝土可提高混凝土的劈裂、抗折強度和彎曲韌性,對抗壓強度影響不大；章文姣等[3]研究表明，在再生混凝土中摻入鋼纖維后,其各項力學性能都有所提高并且加入纖維后,再生混凝土由脆性破壞變成塑性破壞。本文通過改變撒布纖維層數，研究分析了不同撒布纖維層數對層布式混雜纖維再生高強混凝土的基本力學性能和試塊破壞形態的影響，為層布式混雜纖維再生高強混凝土的實際工程應用提供理論依據[4]。

1 試驗概況

本試驗以15%(總膠凝體中所占質量百分比)的粉煤灰替代部分水泥，以30%(總膠凝體中所占質量百分比)再生粗骨料代替天然粗骨料配制再生高強混凝土基準組(JC組)(見表1)。并對基準組混凝土改變混雜纖維撒布層數4個水準(見圖1)，共設計5組再生高強混凝土進行測試。本試驗采用的混凝土水膠比均為0.3，砂率均為0.48，減水劑摻率均為1.0%。并在28 d齡期測試層布式混雜纖維再生高強混凝土的立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量、拉壓比與彈強比等基本力學性能以及試塊破壞形態。具體實驗方案設計及再生混凝土配合比見表2。

表1 實驗方案設計

表2 再生混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

圖2，圖3為不同混雜纖維層數高強再生混凝土的立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度。由圖2可以看出，再生高強混凝土的立方體抗壓強度隨混雜纖維撒布層數的增加而增加，C4組較基準組(JC組)提高了9.89%。這是因為纖維可以減小再生高強混凝土基體中微細裂縫端部的應力集中現象，并可在混凝土受荷過程中吸收大量能量，從而能夠抑制裂縫的擴展，提高再生混凝土抗壓強度[5]。由圖3可以看出：C1組和C2組的棱柱體抗壓強度均比JC組降低了0.14%；而C3組和C4組的棱柱體抗壓強度均高于JC組，分別提高了3.1%和6.35%。這是因為當混雜纖維撒布層數較小時(1層～2層)，纖維摻入再生高強混凝土基體中的量較少，導致其增強再生高強混凝土的抗壓強度的作用并不明顯，且摻入混雜纖維會使混凝土基體內部的孔隙率增加，因此降低了C1組和C2組的抗壓強度[6]。

2.2 劈裂抗拉強度

圖4為不同混雜纖維層數高強再生混凝土劈裂抗拉強度。由圖4可知，在試塊中摻入纖維能夠提高再生高強混凝土的劈裂抗拉強度，其中纖維層數為2層時的劈裂抗拉強度提高得最大。C2組較JC組提高了13.15%。這是因為纖維在再生高強混凝土基體中可以充當微細鋼筋，并把基體內的裂縫和孔隙連接起來，一定程度地能夠推遲初始混凝土裂縫的出現時間和限制裂縫的擴展，從而可以提高劈裂抗拉強度[7]。

2.3 彈性模量

圖5為不同混雜纖維層數高強再生混凝土的彈性模量。由圖5可知，隨著纖維層數從1層增加到4層時，再生高強混凝土的彈性模量先呈現下降后提高的趨勢。其中C1組和C2組的混凝土彈性模量均低于JC組，分別下降了2.35%和1.68%。而C3組和C4組的混凝土彈性模量均高于JC組，分別提高了4.12%和9.41%，該結果與本文中的棱柱體抗壓強度分析結果相符。

2.4 拉壓比

拉壓比(劈裂抗拉與立方體抗壓強度之比)是衡量混凝土脆性的指標之一，且拉壓比越大表示混凝土脆性越低。由圖6可知，撒布纖維層數后，再生高強混凝土的拉壓比表現出先提高后下降的趨勢，但均高于JC組。其中C2組的拉壓比提高得最大，較JC組提高了10.61%。

這表明撒布纖維的再生高強混凝土與基準組再生高強混凝土相比，其脆性降低、延性增加。

2.5 彈強比

彈強比(彈性模量與棱柱體抗壓強度之比)是衡量混凝土抗裂性的指標之一，彈強比越小，表明混凝土抗裂性越好。由圖7可知，再生高強混凝土的彈強比隨著撒布混雜纖維層數的增加呈現出先下降后提高的趨勢。其中C1組和C2組分別比JC組下降2.41%和1.53%，而C3組和C4組比JC組分別提高了0.87%和2.82%。其原因可能是撒布混雜纖維層數較大(3層～4層)時,再生高強混凝土基體內部孔隙率有所增加，進而導致再生高強混凝土的抗裂性能較差。

2.6 試件破壞形態

圖8，圖9為不同混雜纖維層數的高強再生混凝土的立方體抗壓破壞形態、棱柱體抗壓破壞形態圖。JC組高強再生混凝土試塊在抗壓試驗中呈現的是突然爆裂破壞(爆裂聲較大)，且破壞時無明顯征兆，如圖8(a)和圖9(a)所示。撒布混雜纖維層的再生高強混凝土試塊在破壞時其的爆裂破壞聲小于JC組，且混凝土試塊僅出現輕微外崩和剝落，如圖8(b)～圖8(e)，圖9(b)～圖9(e)所示。其原因是纖維增強層在試塊受壓時能夠一定程度地限制其內部裂縫的增長和擴展，延緩試塊受破壞的時間，且當試塊的承載力到達極限荷載后，結構仍具有一定的承載能力，因此比JC組表現出更好的塑性[8]。

圖10為不同混雜纖維層數的高強再生混凝土的劈裂抗拉破壞形態圖。由圖10(a)可以看出，普通再生高強混凝土試塊受到破壞時，呈脆性破壞(其沿著劈裂面分為兩部分)。由圖10(b)～圖10(e)可以看出，撒布混雜纖維層后的混凝土試塊受到破壞時，破壞程度較小，僅沿著劈裂面產生1條裂縫，且隨著撒布混雜纖維層數的增加，其裂縫長度和寬度均逐漸變小，即破壞具有一定的塑性。

3 結論

為了提高再生混凝土的力學性能，本文改變不同混雜纖維撒布層數，實驗分析再生高強混凝土的基本力學性能，其研究結果如下：1)隨著混雜纖維撒布層數的增加，高強再生混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均高于JC組，其中C4組強度提高得最大。而棱柱體抗壓強度和彈性模量呈現出先下降后增長的趨勢，其中C4組強度提高得最大。2)隨著不同混雜纖維撒布層數的變化，當混雜纖維撒布層數為1層～2層時能有效改善高強再生混凝土的脆性，但層數超過2層時其抗裂性能會有所下降。