混杂钢纤维对高强再生混凝土基本力学性能的影响

全 宇 裴长春

(延边大学工学院结构工程专业，吉林 延吉 133002)

0 引言

随着建筑业的不断发展，各种高层、超高层建筑不断涌现，但对于原有建筑的拆除，必定会产生较多的建筑垃圾及工业废料，且会消耗大量的建筑资源，如砂子、石子等[1,2]。因此为了解决这一问题，学者们都将建筑垃圾进行加工利用，成为再生骨料，加入进混凝土当中，以解决资源面临枯竭的问题。但是由于这些再生骨料在加工过程中，其内部必然产生细微裂痕，因此其各项基本力学性能必将降低，这就阻碍了再生混凝土的应用[3]。有大量资料表明，钢纤维具有抗拉强度高、延性好、耐疲劳等优秀的物理性能，因此国内外学者将钢纤维加入进再生混凝土当中进行研究，研究发现，钢纤维不仅能够较强的提高混凝土的劈拉强度、延性，同时使混凝土试块的压碎的形态由在中部分裂成两半，变为只在中部产生1条～2条平行于受力方向的两条裂纹[4]。这就表明钢纤维较好的保证了试块的完整性，对于再生混凝土的力学性能提高效果较为显著[5]。

本文通过改变钢纤维单掺以及不同组合的混掺方式，研究不同钢纤维以及不同的掺和方式对于高强再生混凝土基本力学性能的影响，为混杂钢纤维高强再生混凝土梁的应用提供技术参考。

1 试验方案设计

1.1 试验方案设计

本试验的水胶比为0.25，砂率为0.44，减水剂掺量为2%，再生粗骨料以30%的取代率取代天然粗骨料，以工业废气粉煤灰、硅粉以2∶1的比例取代30%的水泥，单位用水量为160 kg/m3。钢纤维掺入方式为单掺及混掺，共设计了7组不同的混凝土配合比，并规定的测试了混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度及静力受压弹性模量，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比设计

1.2 试验原材料

本试验使用的水泥强度为42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰及硅粉为长春司奥科技有限公司生产。再生骨料为废弃混凝土经过颚式破碎机破碎为5 mm～20 mm；天然骨料粒径为5 mm～20 mm具有良好级配的石子，其密度为2 720 kg/m3，细骨料为天然砂。本文试验所用的钢纤维分别为哑铃型、钢丝端钩形、剪切波纹形钢纤维，纤维的具体形状见图1，减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为40%。

1.3 试验方法

本试验混凝土的搅拌过程为:首先将水泥、粉煤灰、硅灰、天然粗骨料、再生粗骨料、砂进行混合搅拌60 s，随后加入钢纤维，干拌60 s，随后将减水剂及水加入到搅拌锅中搅拌180 s。然后将装好混凝土的试模放在振捣台上振动60 s。随后于28 d后进行抗压强度、劈拉强度、轴心抗压强度、弹性模量的试验。试验操作均满足GB/T 50152—2012混凝土结构试验方法标准。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

图2为混杂钢纤维高强再生混凝土的抗压强度，从图2中可知，基准组R的抗压强度为76.02 MPa，在单一掺入哑铃型钢纤维，其抗压强度较R组降低了5.8%，这主要是由于掺入哑铃型钢纤维后，混凝土内部裂纹增多，当荷载施加于试件时，混凝土内部存在裂纹处会产生应力集中的现象，这就导致混凝土较易被压碎。而掺入钢丝端钩形及剪切波纹形钢纤维时，其抗压强度较R组提高了3.6%和0.7%，这是由于钢丝端钩形及剪切波纹形纤维与混凝土基体的粘结性能优异，能够有效的组织内部裂纹的发展，使混凝土抗压强度得到提高。而混掺钢纤维BC时，混凝土抗压强度提高效果最为明显，即较R组提高了3.5%，这是由于两种纤维产生混杂效应，从而较好的约束再生混凝土内部裂纹的扩展，有效提高了混凝土的抗压强度。但从以上数据得出，掺入钢纤维对于再生混凝土抗压强度的增强作用不太明显。

2.2 轴心抗压强度

图3为混杂钢纤维高强再生混凝土的轴心抗压强度。从图3中可知，基准组R的轴心抗压强度为40.2 MPa，掺加哑铃型的钢纤维会降低混凝土的轴心抗压强度，即较R组降低7.6%，而掺入钢丝端钩形、剪切波纹形钢纤维相较R组提高了4.3%,0.2%，这是由于钢纤维的掺入，会使混凝土内部承受的应力重新分布，由混凝土与钢纤维共同承担内部应力。混掺钢纤维AB与BC时，轴心抗压强度提高1.8%与2.6%，而混掺钢纤维AC时，混凝土轴心抗压强度降低7.3%。这是由于钢纤维虽然弹性模量高于高强再生混凝土，但会增加混凝土内部裂纹，使混凝土在承受应力时，容易产生较大的内部应力，从而使混凝土压碎。从以上数据可以得出，在单掺钢纤维B时，能够有效提高混凝土的轴心抗压强度。而当混掺钢纤维BC时，钢纤维的混杂效应最好。

2.3 劈裂抗拉强度

图4为混杂钢纤维高强再生混凝土的劈裂抗拉强度，从图4中可知，基准组R的劈裂抗拉强度为3.56。当单掺及混掺钢纤维后，混凝土的劈拉强度均有不同程度的提升。即单掺A，B，C钢纤维时，劈裂抗拉强度较R分别提高29.5%，37.9%，35.4%。这是由于单掺入钢纤维时，由于钢纤维的抗拉强度大于基体混凝土，这就使当荷载作用时，钢纤维与混凝土之间的粘结作用，使裂缝不容易产生与发展。而混掺钢纤维AB，AC，BC时，劈裂抗拉强度较R分别提高29.8%，20.5%，64.1%。即当混掺钢纤维BC时，其劈拉强度的增强效果最为明显，这是由于钢纤维BC具有良好的混杂效应，混杂纤维产生1+1>2的正杂化效应。

2.4 拉压比

拉压比是反映混凝土脆性的一个指标，拉压比越大，表示混凝土的塑性越强。从图5中可以看出，无论是单掺钢纤维A,B,C还是混掺钢纤维AB,AC,BC，高强再生混凝土的拉压比均有提高作用。即单掺钢纤维A,B,C时，拉压比较R组提高36.2%,31.9%,34.0%，而混掺钢纤维AB,AC,BC时，拉压比较R组提高27.7%,27.8%,57.4%。可知，当混掺钢纤维BC时，混凝土的拉压比最大，这表明混杂钢纤维BC能够有效的增强高强再生混凝土的韧性，使混凝土的破坏由脆性破坏变成延性破坏。

2.5 弹性模量

图6为混杂钢纤维高强再生混凝土的弹性模量。由图6可知，R组的弹性模量为41.19 GPa，当在高强再生混凝土中单掺钢纤维时，混凝土的弹性模量有不同程度的提高，即分别较R组提高11.7%,60.0%,28.7%，可见当单掺钢纤维B时，混凝土抵抗变形的能力有所增强。而混杂掺入钢纤维AB,AC,BC时，较R组分别提高5%,0.6%,10.7%。由以上数据可知，钢纤维对于高强再生混凝土有明显的提高作用，其中单掺的效果明显优于混掺，当单掺钢纤维B时，其对于弹性模量的增强效果最为明显。

2.6 弹强比

弹强比为反映混凝土延性的一种指标，本文利用弹强比来反映出钢纤维高强再生混凝土的抗裂性能。图7为混杂钢纤维高强再生混凝土的弹强比，从图7中可知，未掺入钢纤维的再生混凝土弹强比为102.7，而掺入钢纤维的各组再生混凝土的弹强比均有不同程度的提高，即较R组提高20.9%,53.4%,28.4%,2.7%,8.7%,7.9%，其中当单掺钢纤维B时，对弹强比的提高作用最为明显，说明钢纤维B能够有效提高混凝土梁的延性。

3 结语

本文通过在高强再生混凝土中单掺及混掺钢纤维，分析高强再生混凝土的基本力学性能，得到如下结论：

1)掺入钢纤维对于再生混凝土抗压强度的增强作用不太明显。其中混掺钢纤维BC时，其抗压强度较R组提高了3.5%。

2)掺入钢纤维能有效的提高高强再生混凝土的劈拉强度、拉压比及弹强比。当混掺钢纤维BC时，其劈拉强度较R组提高64.1%。

3)单掺钢纤维B时，能够有效的提高高强再生混凝土的弹性模量，其较R组提高60.0%。