撒布式钢纤维再生混凝土抗压强度及弹性模量试验研究

摘要: 通过四点弯曲试验，研究了不同再生骨料替代率（0、30%、50%）和混合纤维掺混比例对钢-PVA混合纤维再生混凝土梁弯曲性能的影响。 结果表明，随着再生骨料替代率的增加，试件的抗折强度下降了3.1%~28.3%； PVA纤维与钢纤维混合可大幅改善试件的弯曲性能，且混合纤维的改善效果优于单掺纤维，正混合效应系数可达1.322； 混合纤维含量的最佳组合为0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维。

关键词：再生混凝土； 钢纤维； 聚乙烯醇纤维； 抗弯强度; 弯曲韧性

0 前言

混凝土具有取材容易、成本低廉、强度高等优点，在土木工程中得到了广泛的应用。 目前，我国混凝土需求量已达40亿吨/年，成为最大的混凝土需求国。 然而，随着建筑业的快速发展，以混凝土为主的建筑垃圾造成了严重的环境污染。 再生混凝土的出现为解决建筑垃圾污染、资源浪费等问题提供了新思路。 但由于再生骨料表面粗糙、密度低、吸水率高等缺陷，导致再生混凝土的各项性能均不如原生混凝土。 现有研究结果表明，在再生混凝土中掺入纤维可以有效改善其性能缺陷。 目前，对于纤维再生混凝土的抗压、劈裂抗拉强度等基本力学性能的研究较多。 刘慈等人的研究表明，掺入不同种类的钢纤维可以不同程度地提高混凝土的抗压强度和弹性模量。 何旭升研究了不同纤维和掺量对再生混凝土抗压强度和变形能力的影响。 结果表明，添加适量的纤维可以增强再生混凝土的力学性能和变形能力。 唐家俊等。 对铺展钢纤维再生混凝土进行了压缩、劈裂拉伸和弹性模量测试。 结果表明，随着混合钢纤维铺放层数的增加，整体抗压强度变化不大，但整体劈裂抗拉强度有所增加。 36.1%； 混合钢纤维的掺入在一定程度上提高了再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。 目前，关于其弯曲性能的研究仍主要基于普通纤维混凝土，而对纤维再生混凝土的研究较少。 李河东等. 为研究高韧性水泥基复合材料弯曲性能和弯曲韧性的评价方法，对薄板试件和梁试件进行了三点加载试验。 梅国栋等. 通过将钢纤维和聚丙烯纤维混合并进行四级综合对比弯曲和拉伸试验，研究了纤维类型和用量对混凝土抗折强度的影响。 他们还分析了纤维混合效果。 结果表明：钢-聚丙烯杂化纤维对混凝土的抗弯、抗拉强度有显着的增强作用，且纤维杂化效应有正杂化效应和负杂化效应。 本文以钢-PVA混合纤维的掺配比和再生骨料的替代率为变量，研究再生混凝土梁的弯曲性能，分析纤维的增强增韧机理，以期为混合纤维应用的相关工程提供参考。用于再生混凝土。

1 测试概述

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5标号水泥，细度7.0%。

粉煤灰：I级和C级粉煤灰。

细骨料：河砂，细度模数2.5，粒径0.1~4.0毫米。

粗骨料：5-20毫米连续级配碎石。

再生骨料：取自武汉市某钢筋混凝土结构住宅楼（混凝土强度等级C30），经筛分、破碎、干燥等工序获得。

纤维：钢纤维为熔拉钢纤维； PVA纤维为K-II纤维。

减水剂：聚羧酸高效减水剂。

水：自来水。

1.2 测试计划

试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱试件，每组3个试件，共18组。

再生骨料替代率分别为0、30%、50%； 总纤维体积率为2.0%，PVA纤维和钢纤维的体积含量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。 按《混凝土《配合比设计、质量控制及规范》》生产C40混凝土，试验基准配合比见表1。

1.3 测试方法

四点弯曲试验按照CECS 13-2009《纤维混凝土试验方法标准》进行。 该测试使用特殊的滑动钢支撑来分配梁载荷。 加载设备为MTS微机控制弯曲试验机。 首次裂纹前采用力加载控制，加载速度0.05 MPa/s； 出现第一条裂纹后，采用位移加载控制，加载速度为0.1 mm/min，直至试件破坏为止停止加载。 采用载荷传感器和位移计分别采集载荷和挠度相关数据，并在试验过程中现场记录裂纹扩展形状、峰值载荷、峰值挠度等。 现场装车情况如图1所示。

2 测试结果

2.1 试件破坏形式

图2所示为再生骨料替代率为30%的混凝土梁的损伤模式。 从图2可以看出，随着荷载的增加，无纤维混凝土试件底部出现明显的宏观裂纹，并迅速向顶部扩展。 裂纹截面整齐，边缘无细小裂纹，表现出明显的脆性破坏特征； 当无纤维混凝土试件中掺入2%的PVA纤维试件时，随着荷载的增加，试件逐渐发展出锯齿状裂纹，边缘几乎没有微裂纹； 仅含2%钢纤维的试件缓慢扩展成较宽的裂纹，拉出的纤维桥接裂纹两侧，直至试验结束。 标本仍未破裂； 随着载荷的增加，由于纤维的架桥作用，钢-PVA杂化纤维试件主裂纹尖端的应力集中开始缓解，一系列小裂纹分散开来，且在主裂纹尖端处出现较多裂纹。主裂纹断面。 纤维被拉出并断裂，直至试验结束，试件仍保持完整性，表现出明显的延性破坏特征，表明混合纤维具有增韧和堵裂作用。

2.2 荷载-挠度曲线

各组试件的载荷-挠度曲线如图3所示，四点弯曲试验结果如表2所示。

随着荷载的增加，无纤维混凝土试件迅速断裂，表现出明显的脆性破坏特征，如图3(a)所示； 掺入纤维后，试件的载荷-挠度曲线在加载初期呈线性变化，直至达到峰值载荷。 随后曲线平缓下降，纤维发挥出不同程度的增韧和抗裂性能，试件呈现延性破坏特征，如图3(b)至图3(f)所示。

观察图3（c）至图3（f）发现，随着钢纤维混合比例的增加，在二次强化阶段开始出现该曲线。 这是因为试件发生裂纹后，钢纤维在裂纹两侧起到桥接作用。 ，应力转移到两侧未开裂的基体上，增强了试件在连续加载过程中吸收损伤能量的能力，因此载荷出现二次峰值，即二次强化阶段。 结合表2可以看出，0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维试件的二次强化效果最好。 在此纤维掺配比下，对于再生骨料替代率为0的试件，强化阶段的荷载比为第一。 峰值负荷增加16.4%； 对于再生骨料替代率为30%的试件，加固阶段荷载较首个峰值荷载增加8.8%； 对于再生骨料替代率为50%的试件，该阶段的强化荷载较第一个峰值荷载增加了5.9%。

在相同纤维掺混比例下，随着再生骨料替代率的增加，试件的抗折强度呈现下降趋势，范围为3.1%~28.3%。 这是因为再生骨料经过破碎等多次处理，积累了大量的纤维。 裂缝，加上再生骨料本身附着的水泥砂浆、表面粗糙、孔隙率大、吸水率高，都对再生混凝土的抗折强度产生负面影响。 另外，从图3可以看出，在相同纤维配合比下，再生混凝土与原生混凝土的荷载-挠度曲线基本相同。 在破坏过程中，都经历了弹性阶段、开裂阶段、屈服阶段和破坏阶段。 对于图3(a)~图3(c)，原始混凝土曲线一般包络再生混凝土曲线，而对于图3(d)~图3(f)，不同再生骨料替代率试件的荷载-挠度曲线交错的原因可能是当钢纤维掺比小于1.0%时，再生骨料对混凝土的不利影响占主导地位，而当钢纤维掺比超过1.0%时，钢纤维的增强作用增强。混凝土开始。 为了弥补再生骨料对混凝土的弱化作用，纤维再生混凝土比原生混凝土具有更好的性能。 一方面，钢纤维的大尺寸可以显着减少再生骨料的尺寸缺陷； 另一方面，单位面积钢纤维数量的增加可以有效缓解再生骨料缺陷处的应力集中问题。

当再生骨料替代率不变时，纤维混合方式不同，试件的弯曲性能也发生变化：①单独添加2.0%PVA纤维的试件的弯曲强度比单独添加2.0%PVA纤维的试件的弯曲强度低13.1%～25.1%。没有纤维的样品。 ，主要原因是PVA纤维尺寸小，与混凝土粘结紧密。 虽然它能有效抑制裂缝的扩展，但超过一定体积后在混凝土中分布不均匀，容易发生团聚，对混凝土的抗弯性能不利。 影响; ②当PVA纤维混纺比例减小、钢纤维混纺比例增大时，试件的弯曲强度逐渐增大。 原因是，此时PVA纤维用量合适，与混凝土粘结形成网状结构，可以有效减少早期裂缝发生时，同时增加的钢纤维含量起到了微型钢筋连接裂缝两侧并承受部分应力。 在两种纤维的共同作用下，试件的抗弯强度显着提高； ③纯2.0%钢添加纤维时，无论是原生混凝土试件还是再生混凝土试件，二次强化阶段的峰值荷载均低于第一次峰值荷载。 原因是当钢纤维含量过高时，不能充分发挥其在混凝土中的增韧作用。 且由于缺少PVA纤维，试件在加载初期不能有效抑制裂纹的产生和扩展。 在加载中后期，混凝土内部的应力无法通过缓解应力集中而均匀分布，试件整体二次强化效果有所下降。 。

试件的残余载荷与其极限载荷有关。 由表2可以看出，再生骨料替代率为0的试件残余荷载保留了极限荷载的15.3%~27.3%，再生骨料替代率为30%的试件残余荷载保留了极限荷载。极限载荷的13.5%至27.8%。 %，再生骨料替代率为50%的试件残余荷载保留极限荷载的12.8%~28.8%。 对于0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维试件，各再生骨料替代率下试件的残余荷载值均达到最高值，保留了极限荷载的27.3%~28.8%，表明在此纤维混合比例下，再生骨料混凝土具有良好的延性，混合纤维的增韧效果最好。

3 弯曲韧性分析

本文采用CECS 13-2009中的韧性指数法和JSCE-SF4《纤维混凝土弯曲强度和弯曲韧性试验方法》中的等效弯曲强度法对该试件的弯曲韧性进行分析。

韧性指数法：该方法采用的韧性指数维数为1。图4为随机载荷-挠度曲线示意图。 弯曲韧性指数按式（1）计算：

式中：Ii为各阶段的弯曲韧性指数； Ωδ是OAE的面积； Ω3δ为OABF的面积； Ω5.5δ为OACG的面积； Ω10.5δ是OADH的面积。

等效抗弯强度法：基于该方法的抗弯韧性计算示意图如图5所示。该方法仅采用跨中挠度值L/k来评价抗弯韧性，k=150。 等效弯曲强度按式（2）计算：

式中：fe为等效弯曲强度； Ωk为跨中挠度为L/k时荷载-挠度曲线与横坐标所围成的面积； δk为跨中挠度值L/k。

弯曲韧性法和等效弯曲强度法的计算结果如表3所示。从表3可以看出，对于韧性指数法，随着PVA纤维混纺比例的降低和钢纤维混纺比例的增加，试件的初始开裂能和各阶段的弯曲韧性指数均增加，且0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维试件的各阶段的初始开裂能和弯曲韧性指数均达到最高水平。 与无纤维试件相比，初始开裂能提高4.2%~19.4%，I5提高9.88~10.99倍，I10提高4.2%~19.4%。 22.38～24.36倍，I20增加38.37～42.41倍，表明0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维可作为本实验的最佳混合纤维含量。

从表3可以看出，对于等效抗弯强度法，在再生骨料替代率0、30%、50%下，随着PVA纤维掺混比例的减小和钢纤维比例的增加，整体等效抗弯强度然而，最佳混合纤维含量与韧性指数评价方法略有不同。 主要原因是等效抗弯强度本质上反映了混凝土在某一阶段的平均抗弯强度。 等效弯曲强度可以用来描述整个测试。 但由于整个损伤过程各阶段波动较大，等效弯曲强度法无法准确确定最佳混合纤维含量。

韧性指数法在计算过程中首裂纹点的选择受人为因素影响较大。 但由于计算的韧性指标量纲为1，因此不受试件尺寸的影响，且计算点较多，不受整个破坏过程中各阶段波动的影响，因此计算结果更加准确。 等效弯曲强度法不受初始裂纹点位置的影响，但等效弯曲强度值是有量纲的，无法在不同尺寸的试件之间进行比较和分析。 选点简单，不能准确描述试件各阶段的弯曲韧性。 。 综上所述，两种方法各有优缺点。 如果它们在韧性评价过程中相互配合，可以获得更准确的韧性评价结果。

4 纤维混杂效应分析

纤维增强机理是基于复合材料力学理论和纤维间距理论而发展起来的。 根据复合材料力学理论，各种材料组合后，如果其性能表现出“正+正”效应，称为“正协同效应”； 如果是“正+负”效应，则称为“负协同效应”。纤维间距理论认为，在材料中添加纤维可以优化材料内部结构，使材料内部的缺陷尽可能小从而在一定程度上减弱裂纹处的应力集中现象，防止裂纹的产生。

为了直观地分析本实验中混杂纤维的增强机理，根据式（3）和（4）对纤维的混杂效果进行定量评价。

式中：γ为纤维增强系数； fn——素混凝土的抗弯强度； fh——同配合比的混合纤维混凝土的抗折强度； α为混合效应系数； γs、γp、γh、sp分别为单一混合钢。 纤维混凝土的纤维增强系数、单独PVA纤维混凝土的纤维增强系数、混合纤维混凝土的纤维增强系数。

计算得到的纤维混杂效应指标如表4所示。若α大于1，则为正混杂效应；若α大于1，则为正混杂效应；若α大于1，则为正混杂效应。 如果α小于1，则为负混杂效应。

从表4可以看出，对于1.5%PVA纤维+0.5%钢纤维试件，当再生骨料替代率为0和30%时，α小于1，表明这两组试件存在负混合纤维的作用。 试件的α均大于1，表现出纤维的正混合效应。 其中，在相同再生骨料替代率下，0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维试件的α分别达到最大值，这进一步说明本次实验的最佳混合纤维掺量为0.5%PVA纤维+1.5 ％钢纤维。

从表4还可以看出，在相同的再生骨料替代率下，随着PVA纤维掺混比的减小和钢纤维掺混比的增大，α逐渐增大。 分析原因，钢纤维尺寸较大，PVA纤维尺寸较小。 当两者混合到混凝土中时，可以分别优化混凝土内部的大、小结构缺陷。 在应力初始阶段，PVA纤维能有效减少微裂纹数量并抑制微裂纹扩展为裂纹； 当受力持续时，较大的钢纤维开始发挥更多的作用，桥接裂缝并承受部分应力，消耗部分能量。 ，在裂缝处起到微筋的作用。 两种纤维在混凝土中相互配合，表现出各自优异性能的正向叠加效应。 因此，钢-PVA杂化纤维对混凝土具有良好的增强增韧作用。

5 结论

(1)无纤维混凝土表现出明显的脆性破坏特征，而纤维混凝土表现出延性破坏特征。

(2)当纤维掺混比不变时，随着再生骨料替代率的增加，试件的抗折强度呈现下降趋势； 当钢纤维掺混比例小于1.0%时，再生骨料替代率对混凝土的影响占主导地位。 现状来看，当钢纤维掺量超过1.0%时，钢纤维对混凝土的增强作用在一定程度上弥补了再生骨料对混凝土的弱化作用。

(3)单独添加2%PVA纤维时，试件的弯曲强度下降； 单独添加2%钢纤维时，混凝土二次强化阶段峰值荷载低于第一次峰值荷载； 当钢纤维与PVA纤维混合时，可以大大提高混凝土的弯曲性能。 本次试验中，再生骨料替代率为50%。 当最佳混合纤维含量为0.5%PVA纤维+1.5%钢纤维时，α最大可达1.322。

(4)在评价混合纤维再生混凝土的抗弯韧性时，可以结合使用韧性指数法和等效抗弯强度法，以获得更可靠的韧性评价结果。