鋼纖維再生粗骨料混凝土的力學性能試驗研究①

張相凱

(河南交投中原高速鄭洛建設有限公司，河南 鄭州 450000;河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

近年來，我國城鎮(zhèn)化的進一步推進造成建筑類垃圾問題更加嚴重。因此對建筑垃圾進行合理的回收利用非常符合可持續(xù)發(fā)展的要求和時代發(fā)展的大趨勢[1-2]。在混凝土中均勻的分布適量的鋼纖維能增加結構物的延性，對提高其耐久性也有很大幫助[3]。把建筑垃圾通過合理回收利用到鋼纖維再生混凝土中，為合理處理建筑垃圾提供了新的重要的研究思路。

1 實驗設計

1.1 原材料

(1)水泥：32.5R 級普通硅酸鹽水泥。

(2)粗集料：a、天然碎石；b、再生粗骨料，取自廢棄混凝土塊，粒徑在5～30mm之間(見表1)。

表1 粗骨料基本物理性質

(3)細集料：采用優(yōu)質天然河沙和中沙。

(4)水：來自實驗室的自來水。

(5)鋼纖維：使用來自上海貝卡爾特公司的端鉤型冷拔鋼絲鋼纖維(參數(shù)見表2)。

表2 鋼纖維機械性能表

1.2 試件準備

依據(jù)最新規(guī)范中C30混凝土配比要求進行試塊制作。按照試驗研究的三個變量對試塊進行編號。將鋼纖維體積率分別為 0～2%的試塊用A1～A5表示。將置換率分別為0～100%的試塊用B1～B5表示。將水灰比分別為0.35、0.38、0.41、0.44、0.47的試塊用C1～C5表示。然后分別對抗壓、抗拉分別用Y、L進行編號。如A3-Y表示鋼纖維體積率為1%的抗壓試塊，以此類推。

1.3 試驗設備和試驗方法

由于試驗采用非標準試塊，其抗壓強度按式(1)計算：

(1)

式中R為抗壓強度(MPa)；P為試件極限荷載(kN)；A為試件承壓面積(mm2)。

抗拉試驗采用200kN液壓式萬能試驗機和一套抗劈裂夾具，如圖1所示?；炷猎嚰K劈裂面上應力分布如圖2所示。

圖2 混凝土試件塊劈裂面上應力分布

抗拉強度應力值可按式2計算：

(2)

式中Rt為劈裂抗拉強度(MPa)；P為最大荷載(N)；a為劈裂抗拉試件的邊長(mm)。

1.4 鋼纖維再生混凝土的力學性能試驗結果

鋼纖維再生混凝土和未摻鋼纖維混凝土試塊抗壓如圖3-4所示；素混凝土劈裂和鋼纖維混凝土劈裂試驗現(xiàn)象如圖5-6所示。

圖3 鋼纖維再生混凝土試塊抗壓

圖4 普通混凝土圖試塊抗壓

圖5 素混凝土劈裂

圖6 鋼纖維混凝土劈裂

表4 不同再生粗骨料置換率抗壓強度

表5 不同水灰比抗壓強度試驗結果

表6 不同鋼纖維摻入量抗拉強度試驗結果

表7 不同再生粗骨料置換率抗拉強度

表8 不同水灰比抗拉強度試驗結果

圖8 再生粗骨料置換率與試塊強度的關系

圖9 水灰比與試塊強度的關系

從表3-8及圖7-9可以看出：

表3 不同鋼纖維摻入量抗壓強度試驗結果

圖7 鋼纖維體積率與試塊強度的關系

(1)再生混凝土的強度隨著鋼纖維體積率增加均先逐漸增加后趨于穩(wěn)定或減小。

(2)與普通鋼纖維混凝土相比，加入一定量再生骨料的鋼纖維混凝土強度均減少，再生粗骨料置換率與試塊強度呈負相關。

(3)水灰比與鋼纖維再生混凝土的強度呈負相關。由折線圖可以看出，水灰比為0.41時是抗壓強度減少幅度的轉折點，水灰比大于0.41以后混凝土的抗壓強度小于30MPa,不符合C30混凝土的設計要求，因此在實際應用中水灰比必須控制在0.41以下。

2 再生骨料影響下鋼纖維再生混凝土強度之間的關系

加入鋼纖維可以改變再生混凝土的抗拉性質，但由于混凝土材料的變化規(guī)范中普通混凝土抗壓、抗拉之間的比例公式不能再用于再生混凝土中。對下述模型(式3)利用回歸分析方法對再生混凝土強度的關系進行分析,并給出了再生粗骨料置換率影響下再生混凝土劈裂抗拉強度fs與抗壓強度fcu兩者的代換關系(如圖10)。

圖10 再生粗骨料置換率影響下拉壓強度關系

(3)

式中a,b為待定常數(shù)。

回歸公式如式(4)所示。

再生骨料置換率影響下拉壓強度回歸公式：

(4)

其中R2=0.9449。

3 結 論

(1)鋼纖維的摻入能在一定程度上提高混凝土的力學性能，但過量的鋼纖維反而會使強度降低。鋼纖維對再生混凝土的劈裂抗拉強度影響較大。

(2)摻入再生粗骨料置換率和水灰比的增加，再生混凝土的拉壓強度隨之降低。當再生粗骨料的置換率高于70%以及水灰比大于0.41時混凝土的力學性能明顯下降，混凝土強度明顯偏低，不能滿足C30混凝土的設計要求，因此在實際應用中必須控制混凝土的水灰比在0.41以下以及再生骨料置換率在70%以內(nèi)。

(3)得出再生骨料置換率影響下鋼纖維再生混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度之間的代換關系，做出擬合曲線，并得出數(shù)據(jù)模型。