伍 毅，程火焰，屈 鋒，孫浩然，馮 帥，張 藝

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，許多老舊建筑拆除重建，產(chǎn)生大量廢棄混凝土，天然砂石骨料緊缺，再生混凝土利用廢棄物的合理循環(huán)再生，既能減少天然砂石的開采，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，又能解決廢棄物造成的占地和環(huán)境污染等問題，但再生骨料固有缺陷限制了再生混凝土的發(fā)展，在文獻(xiàn)研究中發(fā)現(xiàn)混凝土的上下層均勻撒布鋼纖維，各項(xiàng)性能可得到顯著提高。通過參考資料后，把“層布式鋼纖維”的概念引入再生混凝土中，改變鋼纖維分布方式，并分析這種新型結(jié)構(gòu)形式影響規(guī)律，以期為今后再生混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及推廣提供有效的理論依據(jù)和技術(shù)參考[1-8]。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用湖南湘鄉(xiāng)成美水泥有限公司的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，河南四通化建有限公司的I級(jí)粉煤灰，II區(qū)連續(xù)級(jí)配湘潭機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9，天然粗骨料為玄武巖碎石，5～10mm和10～16mm兩個(gè)粒級(jí)，1∶1的比例混合，再生粗骨料是建材實(shí)驗(yàn)室廢棄的混凝土試塊，經(jīng)破碎、篩分，粒徑取5～20mm，性能如表1所示，鋼纖維為河北衡水晟澤建材有限公司的端鉤型鋼纖維，長30mm，長徑比40，抗拉強(qiáng)度900MPa。

表1 骨料各項(xiàng)性能檢測結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)L9（34）試驗(yàn)方案，如表2所示，分析各因素水平對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C35，坍落度35～50mm。為滿足和易性要求，砂率取42%，用水量取240kg/m3，膠凝材料隨用水量相應(yīng)增加。采用質(zhì)量法計(jì)算混凝土配合比，每組配合比設(shè)置不摻鋼纖維的基準(zhǔn)混凝土對(duì)照組。

3 試驗(yàn)方法

表2 正交試驗(yàn)因素水平

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長為100mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，每組配合比試件3塊。為防止在混凝土攪拌過程中出現(xiàn)鋼纖維分散不均勻、鋼纖維成團(tuán)現(xiàn)象，采用SJD-60型單軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)先干拌后濕拌的方法進(jìn)行攪拌。試件如圖1所示，每組試件均為一批澆筑完成，混凝土澆筑入模后24h拆模，養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)滿28d。試驗(yàn)在YES-600型數(shù)顯式液壓壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件澆筑面打磨，承壓面與鋼纖維層平行。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 層布式鋼纖維再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件形式

混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)正交試驗(yàn)理論，分別計(jì)算各因素水平抗壓強(qiáng)度均值和各因素抗壓強(qiáng)度影響的極差值R，如表4所示。

因素極差值R越大，表明因素在3個(gè)水平之間變化時(shí)，與其他影響因素相比，對(duì)于抗壓強(qiáng)度造成的影響更大，通常是重點(diǎn)關(guān)注的因素。影響層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度因素的主次順序是：水膠比＞粉煤灰取代率＞鋼纖維體積率＞再生粗骨料取代率。

為方便直觀地分析各因素水平變化對(duì)層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，繪制點(diǎn)圖，如圖2所示，由圖2可得出如下結(jié)論。

1）層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而顯著減小，當(dāng)水膠比為0.45時(shí)的抗壓強(qiáng)度比水膠比為0.40時(shí)的抗壓強(qiáng)度降低22.5%，當(dāng)水膠比為0.50時(shí)的抗壓強(qiáng)度比水膠比為0.45時(shí)的抗壓強(qiáng)度降低13.2%。

表3 配合比及試驗(yàn)結(jié)果

表4 各因素層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度均值、極差值

圖2 抗壓強(qiáng)度影響分析

2）隨粉煤灰取代率增大，抗壓強(qiáng)度不斷減小，下降趨勢明顯，當(dāng)粉煤灰取代率為10%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比取代率為0時(shí)降低10.6%，當(dāng)粉煤灰取代率為20%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比取代率為10%時(shí)降低11.3%。

3）隨著再生粗骨料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先減小后略有增大，當(dāng)再生粗骨料取代率為25%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比取代率為0時(shí)降低6.9%，當(dāng)再生粗骨料取代率為50%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比取代率為25%時(shí)上升0.7%。

4）隨鋼纖維體積率的增大，抗壓強(qiáng)度先快速變小后緩慢減小，當(dāng)鋼纖維體積率為1.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比鋼纖維體積率為1.0%時(shí)的抗壓強(qiáng)度下降8.0%，當(dāng)鋼纖維體積率為2.0%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比鋼纖維體積率為1.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度下降3.2%。

同時(shí)與不摻鋼纖維的基準(zhǔn)組對(duì)比，如圖3所示。由圖3可知：隨著鋼纖維體積率從1%增大到2%時(shí)，層布式鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度減小，其他因素水平保持不變，當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高13.8%，當(dāng)鋼纖維體積率為1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高6.2%，當(dāng)鋼纖維體積率為2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高1.8%，鋼纖維體積率為1%時(shí)提高幅度最大，說明本試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度最佳鋼纖維體積率為1%。

5 機(jī)理分析

圖3 抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析

當(dāng)試塊在受壓過程中，鋼纖維增強(qiáng)層上下布置（見圖4），在一定程度上限制了內(nèi)部裂縫的增長和擴(kuò)展，延緩了破壞，到達(dá)極限荷載后，承載能力降低較緩慢，雖然對(duì)強(qiáng)度提升不大，但試塊破壞狀態(tài)上相比完整性更好，呈現(xiàn)較好的塑性。

鋼纖維體積率從1.0%～2.0%時(shí)，強(qiáng)度增幅減小，說明鋼纖維體積率存在一個(gè)合理范圍，隨著鋼纖維的摻量繼續(xù)增大，鋼纖維在混凝土內(nèi)部集聚，相互搭接，水泥砂漿包裹較少，界面較薄弱，而且多界面交集，裂縫極易從該區(qū)域擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼纖維對(duì)裂縫的限制作用不明顯，強(qiáng)度增長下降。

圖4 層布式鋼纖維再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型

抗壓強(qiáng)度隨再生骨料增加而下降，主要是界面強(qiáng)度低占主導(dǎo)作用，再生骨料的取代增加了薄弱的界面過渡區(qū)，裂縫在此區(qū)域快速發(fā)展延伸。當(dāng)取代率達(dá)到50%時(shí)，強(qiáng)度反而提高，這可能是更多的再生骨料吸收了更多的自由水，此時(shí)實(shí)際水膠比影響占主導(dǎo)地位，混凝土內(nèi)部孔隙減少，結(jié)構(gòu)更密實(shí)，強(qiáng)度增加。

抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰取代率的增大而減小，可能是粉煤灰中氧化鈣較少，水化反應(yīng)比水泥的要慢，粉煤灰顆粒中玻璃相溶出的活性成分較少，與氫氧化鈣晶體二次水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠數(shù)量較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善不明顯，粉煤灰的改善遠(yuǎn)小于減少水泥對(duì)界面強(qiáng)度的減小值，界面強(qiáng)度下降。

6 結(jié)語

1）水膠比是影響層布式剛纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素。

2）鋼纖維的阻裂、增強(qiáng)和增韌作用，使抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維的加入有不同程度提高，當(dāng)鋼纖維體積率在1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高最大。

3）從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保角度考慮，推薦抗壓強(qiáng)度最優(yōu)水平組合為A1B3C3D1，即水膠比0.4，粉煤灰取代率20%，再生粗骨料取代率50%，鋼纖維體積率1%。