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第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能丁亚红,邹成路,郭 猛,张美香,吕秀文(河南理工大学土木工程学院,焦作 454003)摘要:通过立方体抗压试验、劈裂抗拉试验与三点弯曲试验,探讨再生粗、细骨料较高取代率和钢纤维掺量对再生混凝土力学性能与断裂性能的影响。测试了试件 28 d 的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与双 K 断裂韧度,分析了再生混凝土基本力学性能与断裂性能之间的相关性,提出了钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土起裂断裂韧度及失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的计算关系。结果表明:再生粗、细骨料以 50%质量取代率分别替换天然碎石与河砂,钢纤维体积掺量为 1.0%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的 77.12%与93.97%。掺加 1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料掺量为 50%时均超过了天然混凝土。关键词:再生混凝土;三点弯曲试验;劈裂抗拉强度;立方体抗压强度;起裂断裂韧度;失稳断裂韧度中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2532-09Mechanical and Fracture Properties of Steel Fiber ReinforcedConcrete with Large Amount of Recycled AggregateDING Yahong,ZOU Chenglu,GUO Meng,ZHANG Meixiang,LYU Xiuwen(School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)Abstract:Through cube compression test,splitting tensile test,and three point bending test,the effects of highreplacement ratio of recycled coarse and fine aggregate,and steel fiber content on the mechanical and fracture properties ofrecycled concrete were investigated.The cube compressive strength,splitting tensile strength,and double K fracturetoughness of the sample for 28 d were tested,and the correlation between the basic mechanical properties and fractureproperties of recycled aggregate concrete was analyzed.The computational relationships between the initiation fracturetoughness,unstable fracture toughness,and splitting tensile strength of steel fiber reinforced concrete with large amountsof recycled aggregate were proposed.The results show that,the compressive strength and splitting tensile strength ofrecycled coarse and fine aggregate with a mass substitution ratio of 50%replace natural crushed stone and river sand and1.0%volume fraction of steel fiber reach the highest,reaching 77.12%and 93.97%of those of natural concrete,respectively.After adding 1.0%volume fraction of steel fiber,the unstable fracture toughness of the test blocksignificantly increases,and unstable fracture toughness exceedes that of natural concrete when the recycled fine aggregatecontent is 50%.Key words:recycled aggregate concrete;three-point bending beam test;splitting tensile strength;cube compressivestrength;initiation fracture toughness;unstable fracture toughness收稿日期:2023-02-20;修订日期:2023-04-20基金项目:国家自然科学基金(U1904188)作者简介:丁亚红(1973),女,博士,教授。主要从事再生混凝土材料相关方面的研究。E-mail:dingyahong 0 引 言将废弃混凝土破碎、筛分制成再生骨料,将其按照一定比例或全部替代天然砂石材料制成再生混凝土(recycle aggregates concrete,RAC)。由于再生骨料性能劣于天然骨料1-2,再生混凝土相较于天然混凝土往第 7 期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2533往表现出强度低、耐久性差等缺陷3-5。丁进炜6对再生混凝土的力学性能进行研究。结果表明试块的立方体抗压强度随着再生细骨料掺量的增加而减少。肖建庄等7通过改变再生细骨料掺量得出抗压强度的正态分布概率密度曲线,并指出再生细骨料的取代率不宜大于 30%(质量分数)。为解决 RAC 的各种缺陷,国内外学者采用不同种类的纤维对 RAC 进行加强8-11,纤维的桥接作用能够有效地限制其内部空隙与微裂缝的产生与扩展,能够明显改善 RAC 的韧性、延性与抗裂能力12-15。我国学者徐世烺与 Reinhardt16提出的双 K 断裂模型,有效诠释了混凝土断裂行为机理。在国内工程实践中,再生骨料运用于混凝土中的掺量普遍较低,通常只有 30%左右,不利于“绿色建筑绿色生产”的开展,因此本文采取再生粗、细骨料配制大掺量再生骨料混凝土进行力学性能与断裂性能试验,研究再生粗、细骨料取代率对再生混凝土的影响,同时采用钢纤维对其进行加强,为钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土工程实践中的推广应用提供数据和理论支持。1 实 验1.1 原材料试验用的 PO 42.5 级水泥来自河南省焦作市千业水泥厂,天然细骨料是细度模数为 2.9 的河砂,天然粗骨料选用连续级配的天然碎石,再生粗骨料取自河南理工大学废弃混凝土,经过破碎筛分制成,试验用水为焦作市自来水,骨料与钢纤维性能见表 1、表 2。减水剂为复合型高效聚羧酸减水剂,以上试验材料均来自同一批次。表 1 骨料性能Table 1 Aggregate propertiesAggregate typeAggregate size/mmApparent density/(kgm-3)Water absorption/%Crushing value/%Natural coarse aggregate4.75 202 673.11.3215.75Recycled coarse aggregate4.75 202 540.08.9122.89Natural fine aggregate0.15 4.752 630.11.1011.25Recycled fine aggregate0.15 4.752 594.68.5027.36表 2 钢纤维性能Table 2 Performance of steel fiberSteel fiber typeAverage length/mmLength-diameter ratioDensity/(kgm-3)Tensile strength/MPaCorrugated milled steel fiber384278.5 1036001.2 试验方案以及配合比设计本文主要探讨大掺量再生粗、细骨料质量取代率及钢纤维掺量对再生混凝土基本力学性能与断裂性能影响的规律。试验中再生细骨料采用 50%、70%、100%三个质量取代率取代天然碎石,再生粗骨料采用50%、70%、100%三个质量取代率取代河砂,钢纤维体积掺量为 0%和 1.0%。设计 19 组试验组包括立方体抗压试块每组三个,劈裂抗拉试块每组三个,三点弯曲试块每组三个,试验分组见表 3。表 3 试验分组Table 3 Test groupsSample No.Replacement rate of recycledcoarse aggregate/%Replacement rate of recycledfine aggregate/%Steel fiber content/%NC000R50-5050500R50-7050700R50-100501000R70-5070500R70-7070700R70-1007010002534资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷续表Sample No.Replacement rate of recycledcoarse aggregate/%Replacement rate of recycledfine aggregate/%Steel fiber content/%R100-50100500R100-70100700R100-1001001000SFR50-5050501SFR50-7050701SFR50-100501001SFR70-5070501SFR70-7070701SFR70-100701001SFR100-50100501SFR100-70100701SFR100-1001001001 注:R100-100 表示再生粗骨料质量取代率为 100%,再生细骨料质量取代率为 100%;SFR100-100 表示再生粗骨料质量取代率为 100%,再生细骨料质量取代率为 100%,钢纤维体积掺量为 1.0%。再生粗骨料与再生细骨料分别判定为类再生粗骨料、类再生细骨料,根据陕西省工程建设标准中的再生混凝土结构技术规程(DBJ61/T 882014)中规定,类再生粗骨料宜配制强度等级为 C40 及以下强度等级的再生混凝土。混凝土的配合比按照普通混凝土配合比设计规程(JGJ 552011)设计计算,设计强度等级为 C30,水胶比为0.50,砂率为34.5%,所有试块坍落度控制在30 180 mm,基础配合比见表 4。表 4 混凝土配合比设计Table 4 Mix proportion design of concreteCompositionWaterCementCoarse aggregateFine aggregateWater-reducing agentMix proportion/(kgm-3)2003981 1776200.861.3 试块制作与养护图 1 三点弯曲梁试验Fig.1 Three-point bending beam test考虑再生骨料吸水率较高,用清水预浸泡 24 h,再处理为饱和面干状态后再进行浇筑,在试块浇筑过程中采用统一的投料顺序以及搅拌时间,在模具内部涂抹疏水材料,保证脱模时试块的完整。试块浇筑完成后,静置 24 h,然后脱模并书写编号以作记录。养护时间为 28 d。1.4 试验装置及试验方法试块在最高 3 000 kN 电液伺服万能材料试验机进行试验。立方体抗压试验与劈裂抗拉试验参照普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812019)进行。断裂试验采取三点弯曲试验,通过预埋钢片的方式预制裂缝。试验全程采用速率为 0.1 mm/min的位移控制模式,裂缝口张开位移采用夹式引伸计测量,跨中挠度采用千分表测量,试验装置示意图如图 1所示,D 为试件高度,l 为试件长度,S 为支座跨度,a0为初始裂缝长度,P 为外荷载。2 双 K 断裂参数的确定起裂断裂韧度按式(1)(2)计算。Kinic=3PiniS2D2Ba0f1()(1)第 7 期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2535f1()=1.99-a0D1-a0D()2.15-3.93a0D+2.7a0D()21+2a0D()1-a0D()3/2(2)式中:Kinic为起裂断裂韧度,MPam1/2;Pini为起裂荷载,kN;a0为初始裂缝长度,mm;D 为试件高度,mm;B 为试件厚度,mm;S 为支座跨度,mm。失稳断裂韧度按式(3)(7)计算。Kunc=3PmaxS2D2Bacf2()(3)f2()=1.99-acD1-acD()2.15-3.93acD+2.7acD()21+2acD()1-acD()3/2(4)ac=2(D+H0)arctanBE32.6PmaxCMODc-0.113 5-H0(5)CMODi=24Pia0BDEf3()(6)f3()=0.76-2.28a0D+3.87a0D()2-2.04a0D()3+0.661-a0D()2(7)式中:Pmax为峰值荷载,kN;CMODc为峰值荷载对应的裂缝张口位移,m;ac为临界等效裂缝长度,mm;Pi与CMODi为试验 P-CMOD 曲线上线性上升段任找三点的对应值(P1,CMOD1),(P2,CMOD2),(P3,CMOD3);H0为试件高度加上刀口厚度;E 为弹性模量。3 结果与讨论3.1 试验过程与破坏形态立方体抗压试验中,未掺纤维试件最终的破坏形态往往呈沙漏状。掺入钢纤维的试件由于钢纤维的桥接作用,无大块剥落的现象,整体形状接近柱状,呈现出裂而不碎的形态,破坏形态如图 2、图 3 所示。图 2 再生混凝土受压破坏形态Fig.2 Compression failure mode of recycledaggregate concrete图 3 钢纤维再生混凝土受压破坏形态Fig.3 Compression failure mode of steel fiber recycledaggregate concrete再生混凝土劈裂抗拉试验过程中,未掺加纤维的试件表面形成一条垂直于受力面且贯穿试件的裂缝,试件迅速失去承载力。掺入钢纤维的试块的破坏面能够观察到跨越裂缝的钢纤维,且钢纤维的波纹形状出现了不同程度的拉直情况,破坏形态如图 4、图 5 所示。三点弯曲试验过程中,在预制裂缝正上方施加荷载,随着荷载的增加,试块表面形成明显的宏观裂缝,承载力快速下降。未掺钢纤维试块承载力瞬间下降,裂缝快速扩大,夹式引伸计脱落。掺加钢纤维的试块表现2536资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷出一定的韧度,多根钢纤维跨越裂缝面,破坏形态如图 6、图 7 所示。图 4 再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.4 Splitting tension failure mode of recycledaggregate concrete图 5 钢纤维再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.5 Splitting tensile failure mode of steel fiberreinforced recycled aggregate concrete图 6 再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.6 Three-point bending failure mode ofrecycled aggregate concrete图 7 钢纤维再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.7 Three-point bending failure mode of steel fiberreinforced recycled aggregate concrete3.2 立方体抗压强度的影响因素图 8、图 9 分别为再生混凝土、钢纤维再生混凝土抗压强度,可以看出,再生粗骨料的加入为试块的立方体抗压强度带来了明显的负面影响,再生粗骨料(RCA)质量取代率为 50%,再生细骨料(RFA)质量取代率为 50%,掺加体积掺量 1.0%钢纤维的试样抗压强度最高,达到了天然混凝土的 77.17%。掺入钢纤维后,强度虽有所提高但依然随再生粗骨料的增多而降低,出现这种情况的原因主要是钢纤维自身性能较好,在混凝土内部能够提供一定的抗压能力;再生粗骨料表面附着老旧砂浆,随着再生粗骨料的增加,混凝土基体中的负面因素不断累积,混凝土基体更容易发生破坏,试件失去承载力。再生细骨料对试块的抗压强度有明显的抑制表现,再生细骨料相较于天然河砂具有均质性差、吸水率高、压碎值大等诸多缺陷,混凝土基体更容易产生微小裂缝,受到应力集中的影响,裂缝迅速扩大从而被破坏。图 8 再生混凝土抗压强度Fig.8 Compressive strength of recycledaggregate concrete图 9 钢纤维再生混凝土抗压强度Fig.9 Compressive strength of steel fiber reinforcedrecycled aggregate concrete第 7 期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能25373.3 劈裂抗拉强度的影响因素图 10 为再生混凝土劈裂抗拉强度,可以看出,随着再生粗骨料的增多,试件劈裂抗拉强度逐渐下降。再生粗骨料自身缺陷导致试件强度下降,更容易发生破坏。当再生粗骨料质量掺量为 70%时,劈裂抗拉强度受再生细骨料影响最为明显,当再生粗骨料完全取代碎石材料时,劈裂抗拉强度受变化幅度最小。再生粗骨料质量取代率越高,劈裂抗拉强度受再生细骨料质量取代率的影响越明显。在纤维混凝土材料中,砂浆与钢纤维的黏结占据了主导地位。再生细骨料大大减弱了砂浆的强度进而导致钢纤维在混凝土基体内的黏结程度降低17,试块在受力过程中更容易发生钢纤维的拔出破坏,从而失去承载力。钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度试验结果如图 11 所示。图 10 再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.10 Splitting tensile strength of recycledaggregate concrete图 11 钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.11 Splitting tensile strength of steel fiber reinforcedrecycled aggregate concrete3.4 荷载-裂缝开口位移曲线图 12、图 13 分别为再生混凝土和钢纤维再生混凝土的 P-CMOD 曲线,可以非常明显地看出三点弯曲下的试块中,试块的峰值荷载因再生粗、细骨料的增加而逐渐下降,再生粗、细骨料分别 50%质量替换碎石与河砂,掺加体积掺量 1.0%钢纤维,再生混凝土峰值荷载达到最高,峰值荷载达到天然混凝土的 84.40%。相较于素再生混凝土 P-CMOD 曲线,钢纤维再生混凝土具有更高的峰值荷载,下降段的残余强度更高,有效提高了再生混凝土的韧性。图 12 再生混凝土 P-CMOD 曲线Fig.12 P-CMOD curves of recycled aggregate concrete图 13 钢纤维再生混凝土 P-CMOD 线Fig.13 P-CMOD curves of steel fiber reinforcedrecycled aggregate concrete3.5 起裂断裂韧度与失稳断裂韧度再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度如图 14 所示,试块的起裂断裂韧度随着再生粗、细骨料增加呈负增长的趋势,再生粗、细骨料分别 50%质量替换碎石与河砂材料,钢纤维体积掺量为 1.0%时,起裂断裂韧度达到最高,为 0.645 MPam1/2。2538资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷图 14 素再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度Fig.14 Fracture toughness of plain recycled aggregate concreteand steel fiber reinforced recycled aggregate concrete在三点弯曲试验中,试块预制裂缝端口处在应力集中的情况下更早出现宏观裂缝,直接导致起裂断裂韧度明显下降。掺入钢纤维后,钢纤维能够增强再生混凝土的整体性,减少再生混凝土基体在水化过程中因收缩形成的微小裂缝与有害空隙,在荷载不断增加的试验过程中延缓宏观裂缝产生的时间点,提高再生混凝土的起裂断裂韧度。当再生粗、细骨料分别 70%质量取代天然砂石时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,提升了 24.73%。钢纤维体积掺量为 0%,再生粗骨料质量取代率为 50%,再生细骨料质量取代率为 50%、70%、100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的 99.29%、91.80%、75.92%;掺入钢纤维后,失稳断裂韧度大幅提高,甚至超过天然混凝土,分别达到天然混凝土的 124.41%、116.33%、101.29%。钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料质量取代率为 70%,再生细骨料质量取代率为 50%、70%、100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的 95.34%、87.91%、67.51%;加入钢纤维后,失稳断裂韧度分别达到天然混凝土的 106.17%、102.17%、95.66%。钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料完全取代天然骨料后,失稳断裂韧度水平较低,分别只达到天然混凝土的 76.99%、75.78%、71.13%;掺加钢纤维后,失稳断裂韧度达到天然混凝土的 100.02%、93.3%、83.39%。根据图14 中的数据,试块的失稳断裂韧度受再生粗、细骨料增加而产生负面影响,再生粗、细骨料分别50%质量取代天然砂石,钢纤维体积掺量为1.0%时,失稳断裂韧度达到最高,为1.096 MPam1/2。试件预制裂缝端口处在应力集中作用下发生开裂后,荷载达到峰值后,试块的承载能力快速下降,在极短时间内失去承载能力。掺加 1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料质量掺量为 50%时均超过了天然混凝土,这是因为钢纤维在混凝土基体中的“桥接作用”,将裂缝两侧受到的拉力转化为沿钢纤维分布的拉力以及异形钢纤维与新砂浆的黏结力与机械咬合,阻碍了宏观裂缝的进一步延伸扩展。当再生粗骨料质量取代率为 70%,再生细骨料全部取代天然河砂时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,较未掺钢纤维试件提升了 41.70%。3.6 断裂韧度与劈裂抗拉强度的换算关系裂缝延伸过程中在裂缝最前端形成微裂区,并以此为先导开始扩展。在此区域内产生黏聚力。K 为黏聚力作用产生的应力强度因子,失稳断裂韧度与起裂断裂韧度的差值由黏聚力提供,即为:Kini c+K=Kun c。诸多学者提出直线型、折线型、曲线型的混凝土软化本构曲线18-22,给出了黏聚力的不同表达式,如表5 所示。表 5 文献中混凝土软化本构模型18-22Table 5 Softening constitutive model of concrete in literature18-22TypeModelLiteratureStraight type()=ft1-0()18Folded line type()=ft-(ft-s)0,0ss(0-)(0-s),s 00,0 19()=ft,1ft-0.7ft(-1)(2-1),1 20.3ft(0-)(0-2),2 0 20第 7 期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2539续表TypeModelLiteratureCurve type()=ftexp(AB)21()=ft1-0()22因此认为,混凝土的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度与其劈裂抗拉性能有密切关系。则将混凝土的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度进行拟合(见图 15、图 16),计算关系如式(8)(9)所示。Kinic=0.225 41ft-0.192 71(8)Kunc=0.290 72ft-0.101 37(9)拟合结果可以看出,试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度均与劈裂抗拉强度呈正相关,这与上述预测模型趋势类似,也进一步印证本文的分析结果。图 15 起裂断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.15 Fitting curve of initiation fracture toughnessand splitting tensile strength图 16 失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.16 Fitting curve of unstable fracture toughness andsplitting tensile strength4 结 论1)再生粗、细骨料大掺量取代天然砂石材料导致试件基本力学性能有较为明显的下降,并且随着掺量的增加下降幅度也增加。再生粗、细骨料均完全取代天然砂石,未掺加钢纤维时,劣化幅度最大分别达到了52.17%、32.33%。2)钢纤维自身强度较高,加入钢纤维后,再生混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度均有明显改善,增幅最高分别达29.95%、25.23%。再生粗、细骨料质量取代率均为50%,钢纤维体积掺量为1%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的 77.12%与 93.97%。3)再生粗、细骨料对再生混凝土的起裂断裂韧度与失稳断裂韧度起到负面作用,再生粗、细骨料质量取代率均为50%,钢纤维掺量为1.0%时,起裂断裂韧度与失稳断裂韧度达到最高,分别为0.645、1.096 MPam1/2。4)钢纤维的掺加能够有效提升再生混凝土断裂性能,当再生粗、细骨料均为 70%质量取代天然碎石与河砂材料时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,提升了 24.73%;当再生粗骨料质量取代率为 70%,再生细骨料质量取代率为 100%时,钢纤维对失稳断裂韧度的优化作用最高,提升了 41.70%。参考文献1 肖建庄,林壮斌,朱 军.再生骨料级配对混凝土抗压强度的影响J.四川大学学报(工程科学版),2014,46(4):154-160.XIAO J Z,LIN Z B,ZHU J.Effects of recycled aggregates gradation on compressive strength of concreteJ.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2014,46(4):154-160(in Chinese).2 肖建庄,孙 畅,谢 贺.再生混凝土骨料咬合及剪力传递机理J.同济大学学报(自然科学版),2014,42(1):13-18.XIAO J Z,SUN C,XIE H.Aggregate interlock and shear transfer mechanism in recycled aggregate concreteJ.Journal of Tongji University2540资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷(Natural Science),2014,42(1):13-18(in Chinese).3 肖建庄,郑世同.再生混凝土梁时变挠度分析与预测J.工程力学,2017,34(4):57-62.XIAO J Z,ZHENG S T.Analysis on time-dependent deflection of recycled aggregate concrete beamsJ.Engineering Mechanics,2017,34(4):57-62(in Chinese).4 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