第42卷第7期2023年7月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.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㊀猛,张美香,吕秀文(河南理工大学土木工程学院,焦作㊀454003)摘要:通过立方体抗压试验㊁劈裂抗拉试验与三点弯曲试验,探讨再生粗㊁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㊂测试了试件28d 的立方体抗压强度㊁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㊂结果表明:再生粗㊁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%㊂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㊂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:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)07-2532-09Mechanical and Fracture Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete 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 high replacement ratio of recycled coarse and fine aggregate,and steel fiber content on the mechanical and fracture properties of recycled concrete were investigated.The cube compressive strength,splitting tensile strength,and double K fracture toughness of the sample for 28d were tested,and the correlation between the basic mechanical properties and fracture properties of recycled aggregate concrete was analyzed.The computational relationships between the initiation fracture toughness,unstable fracture toughness,and splitting tensile strength of steel fiber reinforced concrete with large amounts of recycled aggregate were proposed.The results show that,the compressive strength and splitting tensile strength of recycled coarse and fine aggregate with a mass substitution ratio of 50%replace natural crushed stone and river sand and 1.0%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 block significantly increases,and unstable fracture toughness exceedes that of natural concrete when the recycled fine aggregate content is 50%.Key words :recycled aggregate concrete;three-point bending beam test;splitting tensile strength;cube compressive strength;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㊂主要从事再生混凝土材料相关方面的研究㊂E-mail:dingyahong@ 0㊀引㊀言将废弃混凝土破碎㊁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)㊂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2533㊀往表现出强度低㊁耐久性差等缺陷[3-5]㊂丁进炜[6]对再生混凝土的力学性能进行研究㊂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㊂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)㊂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㊁延性与抗裂能力[12-15]㊂我国学者徐世烺与Reinhardt[16]提出的双K断裂模型,有效诠释了混凝土断裂行为机理㊂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㊁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㊁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㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验用的P㊃O42.5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1㊁表2㊂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㊂表1㊀骨料性能Table1㊀Aggregate propertiesAggregate type Aggregate size/mm Apparent density/(kg㊃m-3)Water absorption/%Crushing value/% Natural coarse aggregate 4.75~202673.1 1.3215.75 Recycled coarse aggregate 4.75~202540.08.9122.89 Natural fine aggregate0.15~4.752630.1 1.1011.25 Recycled fine aggregate0.15~4.752594.68.5027.36表2㊀钢纤维性能Table2㊀Performance of steel fiberSteel fiber type Average length/mm Length-diameter ratio Density/(kg㊃m-3)Tensile strength/MPa Corrugated milled steel fiber384278.5ˑ103>6001.2㊀试验方案以及配合比设计本文主要探讨大掺量再生粗㊁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㊂试验中再生细骨料采用50%㊁70%㊁100%三个质量取代率取代天然碎石,再生粗骨料采用50%㊁70%㊁100%三个质量取代率取代河砂,钢纤维体积掺量为0%和1.0%㊂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3㊂表3㊀试验分组Table3㊀Test groupsSample No.Replacement rate of recycledcoarse aggregate/%Replacement rate of recycledfine aggregate/%Steel fiber content/%NC000 R50-5050500 R50-7050700 R50-100501000 R70-5070500 R70-7070700 R70-1007010002534㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷续表Sample No.Replacement rate of recycled coarse aggregate /%Replacement rate of recycled fine aggregate /%Steel fiber content /%R100-50100500R100-70100700R100-1001001000SFR50-5050501SFR50-7050701SFR50-100501001SFR70-5070501SFR70-7070701SFR70-100701001SFR100-50100501SFR100-70100701SFR100-1001001001㊀㊀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%㊂再生粗骨料与再生细骨料分别判定为Ⅱ类再生粗骨料㊁Ⅱ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 88 2014)中规定,Ⅱ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㊂混凝土的配合比按照‘普通混凝土配合比设计规程“(JGJ 55 2011)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30~180mm,基础配合比见表4㊂表4㊀混凝土配合比设计Table 4㊀Mix proportion design of concreteComposition Water Cement Coarse aggregate Fine aggregate Water-reducing agent Mix proportion /(kg㊃m -3)20039811776200.861.3㊀试块制作与养护图1㊀三点弯曲梁试验Fig.1㊀Three-point bending beam test 考虑再生骨料吸水率较高,用清水预浸泡24h,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㊂试块浇筑完成后,静置24h,然后脱模并书写编号以作记录㊂养护时间为28d㊂1.4㊀试验装置及试验方法试块在最高3000kN 电液伺服万能材料试验机进行试验㊂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 50081 2019)进行㊂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㊂试验全程采用速率为0.1mm /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,a 0为初始裂缝长度,P 为外荷载㊂2㊀双K 断裂参数的确定起裂断裂韧度按式(1)~(2)计算㊂K ini Ⅰc =3P ini ㊃S 2D 2㊃B a 0f 1(α)(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2535㊀f 1(α)=1.99-a 0D 1-a 0D ()2.15-3.93a 0D +2.7a 0D ()2[]1+2a 0D ()1-a 0D ()3/2(2)式中:K ini Ⅰc 为起裂断裂韧度,MPa㊃m 1/2;P ini 为起裂荷载,kN;a 0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,mm㊂失稳断裂韧度按式(3)~(7)计算㊂K un Ⅰc =3P max ㊃S 2D 2㊃B a c f 2(α)(3)f 2(α)=1.99-a c D 1-a c D ()2.15-3.93a c D +2.7a c D ()2[]1+2a c D ()1-a c D ()3/2(4)a c =2π(D +H 0)arctan B ㊃E 32.6P max CMOD c -0.1135-H 0(5)CMOD i =24P i ㊃a 0B ㊃D ㊃E f 3(α)(6)f 3(α)=0.76-2.28a 0D +3.87a 0D ()2-2.04a 0D ()3+0.661-a 0D ()2(7)式中:P max 为峰值荷载,kN;CMOD c 为峰值荷载对应的裂缝张口位移,μm;a c 为临界等效裂缝长度,mm;P i 与CMOD i 为试验P -CMOD 曲线上线性上升段任找三点的对应值(P 1,CMOD 1),(P 2,CMOD 2),(P 3,CMOD 3);H 0为试件高度加上刀口厚度;E 为弹性模量㊂3㊀结果与讨论3.1㊀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㊂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2㊁图3所示㊂图2㊀再生混凝土受压破坏形态Fig.2㊀Compression failure mode of recycled aggregate concrete 图3㊀钢纤维再生混凝土受压破坏形态Fig.3㊀Compression failure mode of steel fiber recycled aggregate 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㊂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4㊁图5所示㊂三点弯曲试验过程中,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㊂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㊂掺加钢纤维的试块表现2536㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀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6㊁图7所示㊂图4㊀再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.4㊀Splitting tension failure mode of recycledaggregateconcrete图5㊀钢纤维再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.5㊀Splitting tensile failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregateconcrete图6㊀再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.6㊀Three-point bending failure mode ofrecycled aggregateconcrete图7㊀钢纤维再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.7㊀Three-point bending failure mode of steel fiberreinforced recycled aggregate concrete3.2㊀立方体抗压强度的影响因素图8㊁图9分别为再生混凝土㊁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%㊂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㊂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㊁吸水率高㊁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㊂图8㊀再生混凝土抗压强度Fig.8㊀Compressive strength of recycledaggregateconcrete图9㊀钢纤维再生混凝土抗压强度Fig.9㊀Compressive 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2537㊀3.3㊀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㊂再生粗骨料自身缺陷导致试件强度下降,更容易发生破坏㊂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㊂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㊂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㊂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㊂钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度试验结果如图11所示㊂图10㊀再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.10㊀Splitting tensile strength of recycled aggregateconcrete 图11㊀钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.11㊀Splitting tensile strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete 3.4㊀荷载-裂缝开口位移曲线图12㊁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㊁细骨料的增加而逐渐下降,再生粗㊁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%㊂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㊂图12㊀再生混凝土P -CMOD 曲线Fig.12㊀P -CMOD curves of recycled aggregate concrete㊀图13㊀钢纤维再生混凝土P -CMOD 线Fig.13㊀P -CMOD curves of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete 3.5㊀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㊁细骨料增加呈负增长的趋势,再生粗㊁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0.645MPa㊃m 1/2㊂2538㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图14㊀素再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度Fig.14㊀Fracture toughness of plain recycled aggregate concrete and 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㊂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㊂当再生粗㊁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%㊂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%㊁70%㊁100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的99.29%㊁91.80%㊁75.92%;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%㊁116.33%㊁101.29%㊂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%㊁70%㊁100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的95.34%㊁87.91%㊁67.51%;加入钢纤维后,失稳断裂韧度分别达到天然混凝土的106.17%㊁102.17%㊁95.66%㊂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%㊁75.78%㊁71.13%;掺加钢纤维后,失稳断裂韧度达到天然混凝土的100.02%㊁93.3%㊁83.39%㊂根据图14中的数据,试块的失稳断裂韧度受再生粗㊁细骨料增加而产生负面影响,再生粗㊁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1.096MPa㊃m 1/2㊂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㊂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㊂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%㊂3.6㊀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㊂在此区域内产生黏聚力㊂K Ⅰσ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:K ini Ⅰc +K Ⅰσ=K un Ⅰc ㊂诸多学者提出直线型㊁折线型㊁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㊂表5㊀文献中混凝土软化本构模型[18-22]Table 5㊀Softening constitutive model of concrete in literature [18-22]Type Model Literature Straight type σ(ω)=f t 1-ωω0()[18]Folded line type σ(ω)=f t -(f t -σs )ωω0,0ɤωɤωs σs (ω0-ω)(ω0-ωs ),ωs <ω<ω00,ω0<ωìîíïïïï[19]σ(ω)=f t ,ωɤω1f t -0.7f t (ω-ω1)(ω2-ω1),ω1<ω<ω20.3f t (ω0-ω)(ω0-ω2),ω2<ωɤω0ìîíïïïï[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2539㊀续表TypeModel Literature Curve type σ(ω)=f t exp(AωB )[21]σ(ω)=f t 1-ωω0()η[][22]因此认为,混凝土的起裂断裂韧度㊁失稳断裂韧度与其劈裂抗拉性能有密切关系㊂则将混凝土的起裂断裂韧度㊁失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度进行拟合(见图15㊁图16),计算关系如式(8)~(9)所示㊂K ini Ⅰc =0.22541f t -0.19271(8)K un Ⅰc =0.29072f t -0.10137(9)拟合结果可以看出,试件的起裂断裂韧度㊁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㊂图15㊀起裂断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.15㊀Fitting curve of initiation fracture toughness and splitting tensilestrength 图16㊀失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.16㊀Fitting curve of unstable fracture toughness and splitting tensile strength 4㊀结㊀论1)再生粗㊁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㊂再生粗㊁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%㊁32.33%㊂2)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%㊁25.23%㊂再生粗㊁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%㊂3)再生粗㊁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㊁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0.645㊁1.096MPa㊃m 1/2㊂4)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㊁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%㊂参考文献[1]㊀肖建庄,林壮斌,朱㊀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 concrete[J].Journal of 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