鋼纖維再生骨料混凝土力學性能研究

馮 霄，張騰元*，吳佳明，張浩原

（六盤水師范學院土木與規劃學院，貴州 六盤水 553004）

引言

混凝土是人類使用最廣泛的建筑材料，但其大量使用也對人類居住環境和生態系統產生了負面影響。如今我國每年產生的廢棄混凝土已達到3 億噸[1]。因此，開展再生骨料混凝土的性能研究具有重要的理論價值和現實意義[2-5]。

吳全強[6]等人也發現鋼纖維過量會造成纖維的粘結作用降低，導致再生混凝土的強度及收縮性能下降。而李丹丹[7]等人研究發現，鋼纖維的摻入可使再生骨料摻量在30%～40%之間配制的再生混凝土達到普通混凝土的收縮。主要針對廢棄混凝土作為粗骨料后摻入鋼纖維的再生骨料混凝土力學性能研究，并通過試驗選取最優配合比。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：采用烏蒙山水泥，水泥型號為P.O42.5 普通硅酸鹽水泥。細骨料：采取人工砂，細骨料細度模數為2.64，表觀密度為2 532 kg/m3。減水劑：粉末狀聚羧酸減水劑，摻量：0.8%。粗骨料：再生粗骨料、天然碎石。將廢棄混凝土使用顎式破碎機進行破碎，按照《再生混凝土結構技術標準》[8]要求，利用振篩機篩選粒徑在10 mm～20 mm 的連續級配再生骨料。再生骨料見圖1，相關參數詳見表1。采用銑削型鋼纖維（MF）為外摻料。

表1 再生骨料技術參數

1.2 試驗設計

抗壓試件配合比見表2。試驗步驟按照《纖維混凝土試驗方法標準》[9]進行，鋼纖維再生骨料混凝土的制備依據《纖維混凝土應用技術規程》[10]和《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[11]，采用干拌法制備混凝土，強制式攪拌，振動臺搗實、抹平，24 h 后脫模、編號，為了切合實際施工，本次試驗采取自然養護。由抗壓強度試驗得知，再生骨料的替代率在30%時，最為經濟且強度最為穩定，所以劈裂抗拉強度試驗采再生骨料替代率30%制作試件。

表2 鋼纖維再生骨料混凝土配合比

1.3 試驗方法與設備

混凝土的力學性能試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[12]和《纖維混凝土試驗方法標準》[13]對鋼纖維混凝土進行立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。試驗設備為DYE-2000 型電液式壓力試驗機。

2 試驗結果與分析

2.1 變形破壞特征

在試驗過程中發現，A-0-0 組試件上部和底部出現縱向裂縫，四面膨脹，周圍混凝土大量脫落。A-0-0.6組試件混凝土脫落較少。A-0-0.9 組試件幾乎沒有混凝土脫落。A-0-1.2 組試件出現少許混凝土脫落，兩側膨脹較大。鋼纖維普通混凝土試塊受壓后形態變化見圖2。再生混凝土變形破壞特征與普通混凝形態變化相似，再生骨料混凝土內部破壞及外部破壞嚴重，裂縫較多。隨著鋼纖維摻量的增加再生骨料混凝土脫落程度越來越少。

2.2 抗壓強度分析

(1) 抗壓強度試驗表明隨著再生骨料替代率的增加，抗壓強度依次降低0.27 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa。不加鋼纖維的20%、30%、40%再生混凝土的抗壓強度接近普通混凝土的抗壓強度，所以再生骨料可以取代一部分的天然骨料制作混凝土。

(2) 根據抗壓強度數據繪制圖3。折線呈上升趨勢，這以說明鋼纖維的加入能提高普通混凝土的抗壓強度，當鋼纖維達摻量達到0.9%后會出現下降趨勢。且由曲線斜率可以看出，鋼纖維摻量為0.9%時對再生混凝土強度的提升最為明顯。

(3) 將鋼纖維摻量作為定量繪制成圖4?？箟簭姸入S著再生骨料替代率的增加而降低，當鋼纖維摻量為0%時，普通混凝土與再生混凝土的抗壓強度變化不足1%。在鋼纖維摻量為0.9%和0.6%折線圖中，20%與30%再生骨料混凝土兩組抗壓強度接近，經濟角度思考選取30%再生骨料作為最佳。

(4) 劈裂抗拉強度試驗結果發現。劈裂抗拉強度隨著鋼纖維摻量的增加而增大，當鋼纖維摻量為0%時，再生混凝土的劈裂抗拉強度降低了4.1%，在加入鋼纖維之后得到了明顯的提升，鋼纖維摻量為0.6%、0.9%、1.2%時劈裂抗拉強度各提升了6.61%、10.12%、14.01%。

2.3 成本分析

鋼纖維摻量為0%的再生骨料混凝土的制作成本詳見表3。

表3 鋼纖維摻量為0%的再生骨料混凝土的制作成本

由抗壓強度分析得到30%與20%再生骨料混凝土相比，添加0.9%的鋼纖維時兩者的抗壓強度接近，0%鋼纖維再生骨料混凝土強度上都能滿足C30 強度要求，所以將選擇30%的再生骨料替換率較為經濟。

3 結論

(1) 再生骨料混凝土強度都能滿足C30 強度，再生骨料混凝土的鋼纖維摻量在0.6%時的抗壓強度能滿足C40 普通混凝土的抗壓強度。隨著再生骨料的增多，耐久性也隨之減弱。為保證建筑物質量和使用壽命，建議使用30%的再生骨料。

(2) 隨著鋼纖維的摻量的增加，混凝土脫落程度以及裂縫寬度隨之降低，鋼纖維摻量為0.9%的再生混凝土受壓時形態變化最小。鋼纖維對再生混凝土形態變化程度有很好保護效果。

(3) 將再生骨料替代率作為定量，鋼纖維摻量作為變量，鋼纖維摻量為0.9%的再生混凝土抗壓強度最高。

(4) 由劈裂抗拉強度試驗可得，鋼纖維的摻入量可以直接影響再生混凝土的劈裂抗拉強度，隨著鋼纖維的摻量增加，劈裂抗拉強度也隨之增加。

(5) 對于建筑材料采取30%的再生骨料替代率可以節約30%左右的粗骨料費用?？山档统杀?，還可以抑制資源開發，達到節約資源效果。我國建筑垃圾已達到頂峰，可在廢物利用環節上開發新項目。