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)
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]。
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
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。
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。
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%。
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。
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%。