金素月 裴長春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉 133002)

混雜鋼纖維摻率對再生混凝土梁抗裂性能影響

金素月 裴長春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉 133002)

通過改變混雜鋼纖維摻率，試驗(yàn)分析了其對再生骨料混凝土基本力學(xué)性能及梁抗裂性能的影響，結(jié)果表明，混雜鋼纖維的摻入可以有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度，延遲混凝土梁開裂，阻礙裂縫發(fā)展，并減小梁在屈服時(shí)的最大撓度。

混雜鋼纖維，再生骨料，力學(xué)性能，抗裂性能

0 引言

隨著建筑業(yè)的急速發(fā)展，老舊建筑物拆除重建為高層、超高層建筑物，隨之大量產(chǎn)生建筑垃圾，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了降低環(huán)境污染、提高建筑垃圾的再利用率，人們把建筑垃圾中的廢棄混凝土等加工后替代部分混凝土材料［1，2］，攪拌再生混凝土。但這些摻入再生材料的混凝土構(gòu)件，由于廢棄物自身的缺陷，其構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度、抗裂性等有不同程度的降低，因此對實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到一定的限制。據(jù)文獻(xiàn)［3］［4］可知:鋼纖維摻入可以有效地提高混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能。

本文以廢棄混凝土代替部分粗骨料、以粉煤灰［5］及硅灰代替部分水泥膠凝體拌制再生混凝土，并對其改變由1次彎鉤型(簡稱A型)和2次彎鉤型(簡稱B型)組合的混雜鋼纖維摻率［6］，分析其基本力學(xué)性能及抗裂性能，為再生混凝土在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)大應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中混凝土的水膠比選用0.25，在膠凝體中摻入20%的粉煤灰(在膠凝體中所占的質(zhì)量百分比)和10%的硅粉(在膠凝體中所占的質(zhì)量百分比)，粗骨料中摻入30%廢棄混凝土粗骨料(在粗骨料總量中所占質(zhì)量百分比)，拌制基準(zhǔn)混凝土(簡稱SF0)。并對SF0混凝土改變在本文前期基礎(chǔ)試驗(yàn)研究中效果比較優(yōu)秀的A型鋼纖維75%和B型鋼纖維25%組合而成的混雜鋼纖維摻率0.5%，1%，1.5%，共設(shè)計(jì)4組再生混凝土梁。本試驗(yàn)中砂率均采用0.42，減水劑摻率均采用0.9%(相對膠凝體的質(zhì)量百分比)，其詳細(xì)的混凝土配合比詳見表1。

表1 混凝土配合比 kg

并在規(guī)定的齡期測定抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、梁的初始開裂荷載、極限荷載、梁的荷載—撓度曲線、荷載裂縫數(shù)量等。

1.2 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)水泥采用延邊朝鮮族自治州某水泥廠P.O42.5型號(hào)普通硅酸鹽水泥，密度為3 150 kg/m3，粉煤灰采用吉林省延吉市某建材有限公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，密度為2 200 kg/m3，硅灰采用長春某科技有限公司生產(chǎn)，密度為2 700 kg/m3。本試驗(yàn)使用的鋼纖維為河北玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司生產(chǎn)的兩種端鉤剪切型鋼纖維，其長度為60 mm、長徑比為80，具體形狀如圖1所示。本試驗(yàn)使用的細(xì)骨料為延吉市本地產(chǎn)天然中砂，密度為2 600 kg/m3。本實(shí)驗(yàn)中使用的再生粗骨料為廢棄混凝土試塊用顎式破碎機(jī)破碎而成，破碎的再生骨料粒徑為5 mm～25 mm，吸水率為5.1%，密度為2 460 kg/m3;天然粗骨料采用延邊地區(qū)天然碎石，粒徑為5 mm～25 mm，密度為2 600 kg/m3。本試驗(yàn)采用粘稠透明液態(tài)減水劑，固含量為40%。

圖1 纖維形狀

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中混凝土攪拌選用了HJW-100型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)?；炷林苽溥^程中，先將膠凝材料與粗、細(xì)骨料混合干攪拌60 s，然后將鋼纖維均勻撒入攪拌機(jī)內(nèi)干攪拌60 s，最后將減水劑與水的混合溶液倒入攪拌機(jī)內(nèi)濕攪拌180 s，攪拌時(shí)間滿足規(guī)范GB 50164—2011混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。并使用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，采用分級(jí)加載方式，初始每級(jí)加載5 kN，產(chǎn)生第一條裂縫起，每級(jí)加載增至10 kN，加載穩(wěn)定至200 s后觀察裂縫發(fā)展情況，直至構(gòu)件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力抗壓強(qiáng)度

1)抗壓強(qiáng)度。

圖2 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖2 為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。首先，未摻入混雜鋼纖維的SF0組混凝土的抗壓強(qiáng)度57.6 MPa，隨著混雜鋼纖維摻率的增加混凝土強(qiáng)度先提高后降低。即當(dāng)混雜鋼纖維的摻率為 0.5%，1.0%，1.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為74.3 MPa，83.0 MPa，74.7 MPa，其中在SF1.0組混凝土達(dá)到最高值時(shí)，比SF0組混凝土提高44.2%。而在SF1.5組混凝土中，相對SF1.0組抗壓強(qiáng)度降低了10.0%，這是因?yàn)殡S著混雜鋼纖維的摻率增大，混凝土的擴(kuò)展度降低，特別是在SF1.5組混凝土中其流動(dòng)性發(fā)生急驟地降低，隨之混凝土密實(shí)性變差，強(qiáng)度降低。

2)劈拉強(qiáng)度。

圖3 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的劈拉強(qiáng)度

圖3 為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土的28 d劈拉強(qiáng)度。從圖中可知，未摻入混雜鋼纖維的SF0組混凝土劈拉強(qiáng)度為4.4 MPa得到比較小的值。當(dāng)混雜鋼纖維摻率為1.0%以下時(shí)，隨著鋼纖維摻率的增加劈拉強(qiáng)度逐步得到提高，并在鋼纖維摻率1.0%時(shí)達(dá)到5.4 MPa，比SF0組提高22.9%，達(dá)到最高值。但當(dāng)混雜鋼纖維摻率為1.5%時(shí)由于混雜鋼纖維的摻率增大，和易性急劇降低，纖維分散性變差，繼而劈拉強(qiáng)度有小幅度降低。

2.2 抗裂性能分析

1)破壞形態(tài)分析。

圖4為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的破壞形狀圖。從圖中得知:4根梁均發(fā)生正截面受彎破壞，當(dāng)梁的跨中受拉區(qū)應(yīng)力達(dá)到開裂荷載時(shí)出現(xiàn)極細(xì)微的垂直裂縫。當(dāng)荷載加載到80 kN左右時(shí)，4根梁均在沿著支座向荷載方向出現(xiàn)細(xì)微的斜裂縫。隨著荷載繼續(xù)增大，裂縫數(shù)量不斷增加且裂縫向受壓區(qū)發(fā)展。受拉區(qū)的縱向受拉鋼筋屈服后，裂縫的發(fā)展速度、梁的撓度均發(fā)展迅速。當(dāng)梁的混凝土受壓區(qū)開始快速出現(xiàn)裂縫，最終被壓碎時(shí)，梁喪失承載力。通過4根梁的破壞形狀比較分析可知，在混凝土強(qiáng)度最大的SF1.0梁試件裂縫數(shù)量發(fā)生最少、裂縫寬度和長度最短，得到比較良好的效果。

圖4 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的破壞形狀

2)初始開裂荷載。

圖5為混雜鋼纖維摻入率變化下再生混凝土梁的初始開裂荷載圖。首先，未摻入混雜鋼纖維的SF0組梁，由于再生骨料自身的缺陷，隨著荷載的增加在荷載為5 kN時(shí)發(fā)生了第一道裂縫。隨著鋼纖維摻率的增加混凝土梁初始開裂荷載有了大幅度提高，即混雜鋼纖維摻率在0.5%和1.5%時(shí)，開裂荷載均在20 kN，混雜鋼纖維摻率在1.0%時(shí)開裂荷載最高，達(dá)到30 kN，說明混雜鋼纖維摻入有效地提高了再生混凝土梁的初始開裂荷載。這是由于混雜鋼纖維加入后，其與受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生摩擦作用，且鋼纖維的端鉤與混凝土有咬合作用，提高了受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力。而當(dāng)混雜鋼纖維的摻率達(dá)到1.5%時(shí)，由于鋼纖維的分散性較差，鋼纖維沒有起到有效的橋接作用，繼而初始開裂荷載降低。

3)極限荷載。

圖6為混雜鋼纖維摻入率變化下再生混凝土梁的極限荷載。由圖可知，當(dāng)未摻入混雜鋼纖維時(shí)梁的極限荷載為139.9 kN。隨著混雜鋼纖維摻率的增加，當(dāng)鋼纖維摻率為0.5%，1.0%，1.5%時(shí)極限荷載分別達(dá)到146.9 kN，182.7 kN，138.6 kN，其中在鋼纖維摻率為1.0%時(shí)極限荷載提高幅度最大，說明合理摻率混雜鋼纖維可以有效提高梁的強(qiáng)度和抗彎能力。

4)荷載—撓度曲線。

圖7，圖8分別為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的荷載—撓度曲線和跨中最大撓度圖。由圖7可知，未摻入混雜鋼纖維的SF0梁在每級(jí)加載中撓度變化最為明顯。SF0.5梁與SF1.5梁在加載到120 kN前撓度變化比較緩慢，基本呈現(xiàn)一致，而荷載在120 kN～130 kN之間時(shí)SF0.5梁有了較大撓度變化，SF1.5梁撓度雖有所增大但依舊較為平緩，但加載到130 kN后撓度有突增。SF1.0梁的撓度變化一直較為平緩，全程并無突增的撓度變化。

圖5 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的初始開裂荷載

圖6 混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁的極限荷載

圖7 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的荷載—撓度曲線

圖8 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的最大撓度

從圖8可知，未摻入鋼纖維的 SF0梁的跨中最大撓度為31 mm。當(dāng)鋼纖維摻率為0.5%，1.0%，1.5%時(shí)梁的最大撓度分別達(dá)到26 mm，15.5 mm，17 mm，其中在SF1.0梁的撓度達(dá)到最小值，相對SF0而言撓度減少50%，說明鋼纖維本身對混凝土有橋接作用，且鋼纖維兩端的彎鉤促進(jìn)其與混凝土的摩擦與咬合，有效控制混凝土梁的形變。

5)荷載—裂縫數(shù)量。

圖9為混雜鋼纖維摻率變化下再生混凝土梁在不同荷載下裂縫數(shù)量增長點(diǎn)狀圖。由圖可知，混雜鋼纖維不同摻率的變化，所有組梁隨著荷載的增長裂縫數(shù)量均呈現(xiàn)增多趨勢，且增長較為平緩，并沒有出現(xiàn)比突增現(xiàn)象。其中，SF0梁與SF0.5梁的裂縫數(shù)量增長情況較接近，表現(xiàn)的比較緩慢。SF1.0梁開裂進(jìn)展最為緩慢，而荷載超過160 kN后裂縫增長速度發(fā)生加快。SF1.5在每級(jí)加載中裂縫數(shù)量增長最多，在荷載超過100 kN后裂縫增長速度加快。

圖9 不同混雜鋼纖維摻率再生混凝土梁的荷載—裂縫數(shù)量

3 結(jié)語

本文通過研究混雜鋼纖維不同摻率對再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能及梁的抗裂性能影響，得到以下結(jié)論:

1)鋼纖維的摻入可以有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，在本試驗(yàn)中在SF1.0組得到最大值。

2)混雜鋼纖維總摻率低于1.0%時(shí)，鋼纖維摻率的增加可以有效提高混凝土的劈拉強(qiáng)度，但當(dāng)鋼纖維摻率達(dá)到1.5%時(shí)，由于混凝土的流動(dòng)性降低，纖維分散性變差，使得劈拉強(qiáng)度有所降低。

3)在所有組梁均發(fā)生正截面受彎破壞，鋼纖維的摻入可以有效延遲混凝土梁開裂，阻礙裂縫發(fā)展。當(dāng)鋼纖維總摻率為1.0%時(shí)混凝土強(qiáng)度及抗裂性能提高比較明顯，開裂荷載及極限荷載都達(dá)到最大值。

4)在本試驗(yàn)梁中，SF1.0梁隨荷載增加撓度的發(fā)展最為緩慢且其在屈服時(shí)的最大撓度最小，對再生混凝土梁抗裂性的提高幅度最為明顯。

［1］王立久，艾紅梅.綠色生態(tài)混凝土技術(shù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［J］.混凝土，2009(1):6-11.

［2］趙 超，張曉翠，程 興.建筑廢棄混凝土再生利用的分析與研究［J］.四川水泥，2014(8):164，166.

［3］陳愛玖，王 靜，楊 粉.鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2012(4):64-66.

［4］胡圣軍.鋼纖維再生混凝土力學(xué)性能的影響因素［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2010(9):103-106.

［5］張學(xué)兵，匡成鋼，方 志，等.鋼纖維粉煤灰再生混凝土強(qiáng)度正交試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2014(4):677-684，694.

［6］劉 慈，鄧佳卓，崔佳偉，等.不同組合鋼纖維再生砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.四川建材，2016(5):8-10.

Effect of hybrid steel fiber on crack resistance of recycled concrete beams

Jin Suyue Pei Changchun
(College of Engineering Yanbian University，Yanji 133002，China)

In this paper，by changing the hybrid steel fiber ratio，to study its effect on the basic mechanical properties and crack resistance of recycled aggregate concrete beams.The results show that the hybrid steel fiber can improve compressive strength and splitting tensile strength of concrete，effectively delayed cracking of concrete beams，hinder the crack development and reduce the maximum deflection.

hybrid steel fiber，recycled concrete，mechanical property，anti cracking performance

TU528

:A

1009-6825(2016)36-0133-03

2016-10-12

金素月(1991-)，女，在讀碩士

裴長春(1976-)，男，博士，講師