层布式钢纤维再生混凝土抗压强度试验研究*

伍 毅，程火焰，屈 锋，孙浩然，冯 帅，张 艺

（湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭411201）

0 引言

随着我国城镇化水平不断提高，许多老旧建筑拆除重建，产生大量废弃混凝土，天然砂石骨料紧缺，再生混凝土利用废弃物的合理循环再生，既能减少天然砂石的开采，保护自然生态环境，又能解决废弃物造成的占地和环境污染等问题，但再生骨料固有缺陷限制了再生混凝土的发展，在文献研究中发现混凝土的上下层均匀撒布钢纤维，各项性能可得到显著提高。通过参考资料后，把“层布式钢纤维”的概念引入再生混凝土中，改变钢纤维分布方式，并分析这种新型结构形式影响规律，以期为今后再生混凝土在建筑结构中的应用及推广提供有效的理论依据和技术参考[1-8]。

1 试验材料

本试验采用湖南湘乡成美水泥有限公司的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，河南四通化建有限公司的I级粉煤灰，II区连续级配湘潭机制砂，细度模数2.9，天然粗骨料为玄武岩碎石，5～10mm和10～16mm两个粒级，1∶1的比例混合，再生粗骨料是建材实验室废弃的混凝土试块，经破碎、筛分，粒径取5～20mm，性能如表1所示，钢纤维为河北衡水晟泽建材有限公司的端钩型钢纤维，长30mm，长径比40，抗拉强度900MPa。

表1 骨料各项性能检测结果

2 试验方案

根据正交试验方法，设计L9（34）试验方案，如表2所示，分析各因素水平对混凝土抗压强度的影响规律。参考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，设计强度C35，坍落度35～50mm。为满足和易性要求，砂率取42%，用水量取240kg/m3，胶凝材料随用水量相应增加。采用质量法计算混凝土配合比，每组配合比设置不掺钢纤维的基准混凝土对照组。

3 试验方法

表2 正交试验因素水平

参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和CECS 13：2009《纤维混凝土试验方法标准》，抗压强度试验采用边长为100mm的非标准立方体试件，每组配合比试件3块。为防止在混凝土搅拌过程中出现钢纤维分散不均匀、钢纤维成团现象，采用SJD-60型单轴强制式混凝土搅拌机先干拌后湿拌的方法进行搅拌。试件如图1所示，每组试件均为一批浇筑完成，混凝土浇筑入模后24h拆模，养护室养护满28d。试验在YES-600型数显式液压压力试验机上进行，试件浇筑面打磨，承压面与钢纤维层平行。

4 试验结果与分析

图1 层布式钢纤维再生混凝土立方体抗压强度试验试件形式

混凝土配合比及试验结果如表3所示。

根据正交试验理论，分别计算各因素水平抗压强度均值和各因素抗压强度影响的极差值R，如表4所示。

因素极差值R越大，表明因素在3个水平之间变化时，与其他影响因素相比，对于抗压强度造成的影响更大，通常是重点关注的因素。影响层布式钢纤维再生混凝土抗压强度因素的主次顺序是：水胶比＞粉煤灰取代率＞钢纤维体积率＞再生粗骨料取代率。

为方便直观地分析各因素水平变化对层布式钢纤维再生混凝土抗压强度的影响规律，绘制点图，如图2所示，由图2可得出如下结论。

1）层布式钢纤维再生混凝土抗压强度随水胶比的增大而显著减小，当水胶比为0.45时的抗压强度比水胶比为0.40时的抗压强度降低22.5%，当水胶比为0.50时的抗压强度比水胶比为0.45时的抗压强度降低13.2%。

表3 配合比及试验结果

表4 各因素层布式钢纤维再生混凝土抗压强度均值、极差值

图2 抗压强度影响分析

2）随粉煤灰取代率增大，抗压强度不断减小，下降趋势明显，当粉煤灰取代率为10%时的抗压强度比取代率为0时降低10.6%，当粉煤灰取代率为20%时的抗压强度比取代率为10%时降低11.3%。

3）随着再生粗骨料掺量的增加，抗压强度先减小后略有增大，当再生粗骨料取代率为25%时的抗压强度比取代率为0时降低6.9%，当再生粗骨料取代率为50%时的抗压强度比取代率为25%时上升0.7%。

4）随钢纤维体积率的增大，抗压强度先快速变小后缓慢减小，当钢纤维体积率为1.5%时的抗压强度比钢纤维体积率为1.0%时的抗压强度下降8.0%，当钢纤维体积率为2.0%时的抗压强度比钢纤维体积率为1.5%时的抗压强度下降3.2%。

同时与不掺钢纤维的基准组对比，如图3所示。由图3可知：随着钢纤维体积率从1%增大到2%时，层布式钢纤维再生混凝土抗压强度减小，其他因素水平保持不变，当钢纤维体积率为1.0%时，抗压强度提高13.8%，当钢纤维体积率为1.5%时，抗压强度提高6.2%，当钢纤维体积率为2.0%时，抗压强度提高1.8%，钢纤维体积率为1%时提高幅度最大，说明本试验抗压强度最佳钢纤维体积率为1%。

5 机理分析

图3 抗压强度对比分析

当试块在受压过程中，钢纤维增强层上下布置（见图4），在一定程度上限制了内部裂缝的增长和扩展，延缓了破坏，到达极限荷载后，承载能力降低较缓慢，虽然对强度提升不大，但试块破坏状态上相比完整性更好，呈现较好的塑性。

钢纤维体积率从1.0%～2.0%时，强度增幅减小，说明钢纤维体积率存在一个合理范围，随着钢纤维的掺量继续增大，钢纤维在混凝土内部集聚，相互搭接，水泥砂浆包裹较少，界面较薄弱，而且多界面交集，裂缝极易从该区域扩展，导致钢纤维对裂缝的限制作用不明显，强度增长下降。

图4 层布式钢纤维再生混凝土内部结构模型

抗压强度随再生骨料增加而下降，主要是界面强度低占主导作用，再生骨料的取代增加了薄弱的界面过渡区，裂缝在此区域快速发展延伸。当取代率达到50%时，强度反而提高，这可能是更多的再生骨料吸收了更多的自由水，此时实际水胶比影响占主导地位，混凝土内部孔隙减少，结构更密实，强度增加。

抗压强度均随粉煤灰取代率的增大而减小，可能是粉煤灰中氧化钙较少，水化反应比水泥的要慢，粉煤灰颗粒中玻璃相溶出的活性成分较少，与氢氧化钙晶体二次水化反应生成的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶数量较少，内部结构改善不明显，粉煤灰的改善远小于减少水泥对界面强度的减小值，界面强度下降。

6 结语

1）水胶比是影响层布式刚纤维再生混凝土抗压强度的主要因素。

2）钢纤维的阻裂、增强和增韧作用，使抗压强度随着钢纤维的加入有不同程度提高，当钢纤维体积率在1%时，抗压强度提高最大。

3）从经济性和环保角度考虑，推荐抗压强度最优水平组合为A1B3C3D1，即水胶比0.4，粉煤灰取代率20%，再生粗骨料取代率50%，钢纤维体积率1%。