摘要: 为研究钢纤维对再生骨料混凝土力学性能和工作性能的影响，通过掺加体积分数0、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的钢纤维开展抗压试验、劈裂抗拉、抗折试验和坍落度的研究，探讨在不同钢纤维掺量下的再生骨料混凝土的力学性能的变化规律。结果表明：随着钢纤维掺量的增加，坍落度持续降低；抗压强度先呈现先增大后减小，且抗压强度值均高于对照组，当钢纤维为0.8%掺量时，达到了最大值，抗压强度提高了10.66%；当钢纤维为1.2%掺量时，劈裂抗拉与抗折强度相较于对照组，劈裂抗拉最大值达到3.91 MPa，提高了32.54%，抗折强度达到了最大值8.1 MPa，提高了42.11%。适量添加钢纤维不仅可以改善了再生骨料混凝土的流动性，还能提高抗压、劈裂抗拉和抗折强度，且可以改善再生骨料混凝土早期强度。
Abstract:
In order to study the influence of steel fiber on the mechanical properties and working properties of recycled aggregate concrete, the compression test, splitting tensile test, folding test and slump test were carried out by adding steel fiber with volume fraction of 0, 0.8%, 1.2%, 1.6% and 2.0%, and the change rule of mechanical properties of recycled aggregate concrete under different steel fiber content was discussed. The results show that with the increase of steel fiber content, slump decreases continuously. The compressive strength increased first and then decreased, and the compressive strength value was higher than that of the control group. When the steel fiber content was 0.8%, the maximum compressive strength was reached, and the compressive strength was increased by 10.66%.When the steel fiber content is 1.2%, the maximum splitting tensile strength and flexural strength are 3.91 MPa, an increase of 32.54%, and the maximum flexural strength is 8.1 MPa, an increase of 42.11%. Appropriate addition of steel fiber can not only improve the fluidity of recycled aggregate concrete, but also improve the compressive, splitting tensile and flexural strength, and improve the early strength of recycled aggregate concrete.
1. 引言
再生骨料混凝土(RAC)是一种具有环保特性的建筑材料，通过回收再利用废弃混凝土或其他建筑废料作为骨料，可减少对天然资源的依赖和建筑废弃物对环境的影响 [1] [2] 。随着我国建筑工业逐渐发展，对于混凝土强度有了更高的要求 [3] [4] ，而再生骨料的不均一性和颗粒形状的不规则性，使再生骨料混凝土在力学性能上受到严峻的挑战 [5] [6] 。
为了克服再生骨料混凝土的力学性能上的不足，不少学者对再生骨料混凝土的胶凝材料进行了改性，来补充再生骨料混凝土力学性能上的缺陷，其中采用纳米硅溶胶与粉煤灰复合取代再生骨料混凝土的凝胶部分，可以加快其水化的反应，从而提高了水化硅酸钙的含量，填充了其内部的孔隙和裂缝，使力学性能得到显著提升 [7] 。通过粉煤灰和矿渣改性再生骨料混凝土，可以改善其工作性能提高，但对其弹性模量和抗压强度却有负面影响 [8] 。通过钢渣替代再生骨料混凝土的部分凝胶材料，试验表明，在12%时含量时，可以提高再生骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，在12%~24%含量以内可以较好的提高其抗变形能力 [9] 。
再生骨料混凝土的骨料粒径和替代率是影响力学性能的主要原因之一，为寻求更优异的再生骨料混凝土。陈鹏博等 [10] 发现随着再生粗骨料取代粒径增大，再生混凝土的坍落度，抗压强度、抗折强度与弹性模量基本呈增大趋势。而张恺等 [11] 通过微观试验和力学性能试验，结果表明，再生粗骨料的替代率为30%时，再生混凝土各项力学性能达到最优。此外，通过对再生细骨料和粗骨料进行替换成其他建筑废弃材料来弥补再生骨料混凝土的不足也有颇有研究。许颖等 [12] 试验结果表示，废弃卫生陶瓷细骨料替代率的增加，再生骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度呈现先升高后降低趋势，其中替代率为70%、60%时分别达到最大抗压强度和最大劈裂抗拉强度，且再生细骨料的添加对RAC的弹性模量基本无影响。张鹏 [13] 利用废砖取代部分再生粗骨料制备再生骨料混凝土，发现水灰比为0.4时，RAC抗压强度达到最大值。
如今，掺入其他高性能、高强度材料来提高再生骨料混凝土力学性能的研究颇受欢迎。周金枝等 [14] 通过添加玄武岩纤维进行改善再生混凝土，发现玄武岩纤维的掺入可显著提高RAC疲劳寿命。而姚红利等 [15] 以玄武岩纤维为基础，掺入了废陶瓷来取代再生粗骨料，结果表示，废陶瓷取代率和纤维体积掺量分别为40%和0.15%时，RAC试件力学性能和透水性能最佳。吴辉琴等 [16] 将不同掺量的碳纤维掺入RAC中，发现RAC的应力和应变得到不同程度的提升，其中碳纤维体积掺量为0.3%时，峰值应力和峰值应变分别提高了11.33%和12.22%。
上述研究基本上都停留在将废弃建筑材料和玄武岩纤维等材料掺入再生混凝土内，而将不同掺量的钢纤维作为掺量用来制备再生混凝土的研究较少。鉴于此，本文将研究不同掺量的钢纤维对再生骨料混凝土力学性能与工作性能的影响，通过抗压、劈裂抗拉和抗折、坍落度等试验进行分析，揭示不同钢纤维对再生骨料混凝土力学性能和工作性能，为再生骨料混凝土的改善提供技术支持。
2. 原材料及试验方案
2.1. 原材料
试验采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1；细砂采用的是陕西灞河河砂，表观密度2640 kg/m3，堆积密度1490 kg/m3，细度模数2.83；粉煤灰采用的是I级粉煤灰，其化学成分和主要物理性能见表2和表3；减水剂采用的是高效缓凝减水剂，其技术指标如表4所示；钢纤维采用的剪切波浪型钢纤维，平均长度37 mm，平均直径1 mm，抗拉强度400 MPa，密度7.83 g/cm3；再生粗骨料是废弃1年以上的强度等级为C35的混凝土梁柱构件以上，通过机械破碎的方式得到的，粒径范围为5 mm~25 mm，其表观密度2630 kg/m3，堆积密度1550 kg/m3，吸水率为4.05%；试验用水为自来水。
Table 1. Chemical composition of cement
表1. 水泥的化学成分组成
Table 2. Chemical composition of fly ash
表2. 粉煤灰的化学成分组成
Table 3. Physical property index of fly ash
表3. 粉煤灰的物理性能指标
Table 4. Technical index of water reducing agent
表4. 减水剂的技术指标
2.2. 配合比设计
为探究钢纤维对再生骨料混凝土的力学性能的影响，本试验设计了水胶比为0.45，再生粗骨料替代率为100%，砂率为0.4进行配合比设计，其中以钢纤维为变量，得到5种不同的再生骨料混凝土试件。经试拌调整后的配合比如表5所示。
Table 5. The mix ratio of each group was tested
表5. 试验各组配合比
注：S0.8RAC表示的是钢纤维掺量为0.8% (占体积的百分数)的再生骨料混凝土。
2.3. 试件设计
试验设计采用规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)，设计了尺寸大小100 mm × 100 mm × 100 mm和100 mm × 100 mm × 400 mm的试件，每组制作三个试块，分别进行3、7和28天的标准养护，养护天数结束便立刻进行力学性能试验。试验仪器采用MTS万能试验机进行劈裂抗拉试验、抗压试验和抗折试验。其中采用尺寸大小100 mm × 100 mm × 100 mm进行劈裂抗拉试验和抗压试验，尺寸大小为100 mm × 100 mm × 400 mm的试件进行抗折试验。
3. 结果与讨论
3.1. 坍落度
为研究钢纤维对再生骨料混凝土的和易性，采用坍落度作为再生骨料混凝土的和易性指标，对各配合比的混凝土进行了坍落度试验，图1为各配合比的坍落度。从图1可以看出，整体坍落度呈现下降趋势，说明随着钢纤维的掺入，再生骨料混凝土的流动性逐渐降低，当未掺入钢纤维时，再生骨料混凝土的最初的坍落度为63 mm，流动性较强，而掺入体积数为2.0%的钢纤维后，再生骨料混凝土的坍落度达到最小值49 mm，相较于S0RAC降低了22.22%，原因可能是钢纤维的条状物理性质，阻碍了混凝土颗粒的自由移动，从而减缓了混凝土的坍落。再次观察S1.2RAC、S1.6RAC和S2.0RAC，发现其坍落度下降幅度相较于S0RAC和S0.8RAC较小，说明当钢纤维的摄入达到1.2%及超过时，降低混凝土的坍落度值就不再明显。
3.2. 抗压试验
为研究钢纤维对再生骨料混凝土的抗压强度的性能研究，各配合比试件的抗压强度如图2所示，从图2可以看出，发现整体趋势呈现先增加后降低，再次观察龄期28天发现，未掺入钢纤维时，再生骨料混凝土强度为57.64 MPa。当钢纤维掺量为0.8%时，达到最大值64.52 MPa，提高了10.66%。随着继续添加钢纤维发现，再生骨料混凝土的强度逐渐下降，但均高于S0RAC，说明钢纤维掺入可有效提高再生骨料混凝土的强度，原因可能是钢纤维的高强度物理性质与混凝土中的水泥基体充分结合，形成了一种强化结构，有助于增加混凝土的整体抗压性能。比较3、7和28天龄期发现，在龄期3天时，S0RAC强度达到了最低值34.4%，相较于龄期7天S0RAC，抗压强度提升了28.34%。S0RAC的强度提升均高于其他掺入试件的抗压强度的提升率，但掺入钢纤维后的再生骨料混凝土强度，均高于同龄期的S0RAC。说明掺入钢纤维可以提升再生骨料混凝土的早期强度，尤其是S0.8RAC体现的最为明显，说明钢纤维的加入促使再生骨料混凝土在早期获得更高的抗压强度，原因可能使钢纤维的高强度物理性质阻碍了前期水化时裂缝的扩展，从而提高了混凝土的早期抗压强度。
Figure 2. Compressive strength of each mix ratio specimen
图2. 各配合比试件的抗压强度
3.3. 劈裂抗拉试验
为研究钢纤维对再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度的性能研究，各配合比试件的劈裂抗拉强度如图3所示，从如图3可以看出，整体趋势呈现逐渐先增大后减少的趋势，其中各个龄期的整体趋势基本一致，说明劈裂抗拉试验的数据具有一定的可靠性。观察3、7和28天龄期数据，可以发现，随着龄期天数的增加，劈裂抗拉的强度也随着提高，其中S0RAC的7天与28天龄期强度相较于3天龄期强度，分别提高16.91%、46.77%，而S0.8RAC、S1.2RAC、S1.6RAC、S2.0RAC在7天龄期时分别提升了4.17%、4.98%、4.01%、与2.54%，说明在7天龄期时，掺入钢纤维对劈裂抗拉强度提升并不明显，而28天龄期相较于7天龄期，钢纤维对再生骨料混凝土提升较为明显，分别提升了17.42%、39.15%、28.26%与22.63%。当掺入钢纤维后，同龄期的劈裂抗拉强度均获得不同程度的提高，说明钢纤维的掺入可以提高再生骨料混凝土劈裂抗拉强度。再次观察28天龄期，可以发现S0.8RAC、S1.2RAC、S1.6RAC、S2.0RAC相较于S0RAC分别提高了5.08%、32.54%、23.39%和13.90%，S1.2RAC提升到最大值3.91 MPa，提高了32.54%。而提高再生骨料混凝土的劈裂抗拉的主要原因可能是钢纤维具有较高的抗拉强度，当添加到再生骨料混凝土中时，可以有效增加再生骨料的劈裂抗拉强度。
Figure 3. The splitting tensile strength of specimens with different mix ratiosn
图3. 各配合比试件的劈裂抗拉强度
3.4. 抗折试验
Figure 4. Flexural strength of each mix ratio specimen
图4. 各配合比试件的抗折强度
为研究钢纤维对再生骨料混凝土的抗折强度的性能研究，各配合比试件的抗折强度如图4所示。从图4可以看出，对比3天、7天和28天龄期时，发现抗折强度均有不同程度的提升，说明随着龄期的增加而抗折强度也随着增加。观察龄期为3天时，S0RAC抗折强度达到2.54 Mpa。掺入钢纤维后，S0.8RAC、S1.2RAC、S1.6RAC和S2.0RAC相较于S0RAC，抗折强度分别提高了12.20%、14.57%、38.19%和43.7%，整体趋势呈现增加趋势，说明在3天龄期时，随着钢纤维掺入，可明显提高再生混凝土的抗折强度，且最佳钢纤维掺量为2.0%。原因可能是在早期3天龄期时，混凝土还处于较为脆弱的阶段，容易发生裂缝。而钢纤维可以有效地防止裂缝的扩展，从而提高再生骨料混凝土的早期抗折强度。再次观察7天龄期，相较于3天龄期，发现抗折强度得到不同程度的提高，其中S0RAC、S0.8RAC、S1.2RAC、S1.6RAC和S2.0RAC分别提高了1.32 MPa、2.8 MPa、3 MPa、1.92 MPa和1.66 MPa，其中S1.2RAC提升抗折强度达到最大值为5.91 MPa。再次观察28天，抗折强度进一步得到了提升，而整体趋势与7天龄期趋势基本一致，整体趋势呈现先增加后减少趋势，说明再生骨料混凝土水化基本完成。随着钢纤维掺入，各配合比试件得到不同程度的提升，而掺入达到为1.2%时，再生骨料混凝土抗折强度达到最大值为8.1 MPa。再生骨料混凝土抗折强度提升的原因可能是钢纤维具有强大的粘结作用，当钢纤维掺入混凝土中时，它在再生骨料和水泥浆之间形成一种锁链效应，紧密将骨料与水泥浆粘结在一起。在再生骨料混凝土受力时，钢纤维有效地抑制了内部微裂缝的生成，弥补了再生混凝土的强度损失，因而显著提升了抗折强度。这种机制通过加强粘结、防止裂缝扩展，使得再生骨料混凝土在抗折性能方面得到改善 [17] 。
4. 结论
本文介绍了利用钢纤维掺入再生骨料混凝土的可行性研究。根据不同含量的钢纤维掺入再生骨料混凝土，通过坍落度和各个龄期的抗压试验、劈裂抗拉试验与抗折试验来探究了其工作性能与力学性能。本工作得到的主要结论如下：
1) 适量的掺入钢纤维可以改善再生骨料混凝土的流动性，随着钢纤维的掺入再生骨料混凝土坍落度的逐渐降低，坍落度值在49~63 mm之间，当钢纤维掺量达到1.2%及以上时，对再生骨料混凝土的坍落度的影响不再明显。
2) 适量的钢纤维的掺入可有效提升再生骨料混凝土的抗压强度，特别是在0.8%含量下，抗压强度达到最大值，提高了64.52%，且钢纤维的加入提高了再生骨料混凝土的早期抗压强度。
3) 适量的钢纤维的掺入可以提高再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度，其中S1.2RAC表现出最大提升，达到32.54%，而抗折强度的最大值为8.1 MPa，提高了42.11%。钢纤维的高抗拉强度和粘结作用提高了再生骨料混凝土的劈裂抗拉性能和抗折强度。
参考文献
NOTES
*通讯作者。