3.1 钢纤维再生混凝土基本性能的试验研究

3.1.1 配合比设计及试件的成型养护

本书试验选用0、40%、70%、100%四个再生骨料掺量及0、0.5%、1%三个钢纤维掺量，进行C20、C25、C30、C35强度等级的钢纤维再生混凝土配合比设计，共48组配合比。其中C20、C25、C30、C35这四组基准混凝土的配合比见表3.1，混凝土拌合物和易性、力学性能试验结果见表3.2，配比编号中R代表再生骨料掺量，S代表钢纤维掺量。配比中C20、C25、C30三组配比，水泥选用为P.C 32.5, C35配比的水泥为P.O 42.5。

3.1.2 试验结果分析

1．钢纤维再生混凝土的工作性分析

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与混凝土坍落度的关系图，如图3.1～图3.4所示。

从图3.1～图3.4可以看出，4个强度等级的配比中，混凝土拌合物的流动性基本可以满足施工要求，掺加钢纤维混凝土的坍落度值比相应的普通混凝土小10～40mm。总体的规律是随着再生骨料和钢纤维掺量的增加，混凝土拌合物的坍落度逐渐减小。原因有两点：其一，再生粗骨料较天然碎石表面粗糙、增大了拌合物在拌和与浇注时的摩擦阻力，孔隙多、吸水率大、用浆量多，使混凝土拌合物的保水性和粘聚性增强，因而降低了混凝土坍落度；其二，钢纤维在拌合物中形成网状结构，起到支撑骨架的作用，拌合物内部摩擦阻力增大，因而阻止了拌合物的流动，和易性变差，当钢纤维掺量增多时，其在混凝土拌合物内的架立作用更加明显，摩擦力相应地增大，流动性随之也降低。

2．钢纤维再生混凝土的抗压强度分析

对4个不同强度等级的钢纤维再生混凝土配比，从表3.2中的抗压强度数据可看出抗压强度随着再生骨料掺量的增加逐渐降低，原因是：①与天然碎石相比，再生粗骨料密度低、孔隙率较高，压碎指标大，骨料本身强度较低；②骨料和新、旧砂浆界面存在裂缝外，新、旧砂浆本身存在较多的裂缝，且都相互贯穿起来，形成强度低的薄弱区。另外，掺加钢纤维对混凝土的抗压强度有一定提高，这主要与钢纤维的特性有关，钢纤维掺入到混凝土基体中起到阻止裂缝引发、扩散并在混凝土的受力破坏过程中吸收大量能量的作用，使混凝土开裂前后的形态发生变化，改善了混凝土的变形性能。

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与混凝土抗压强度的关系图，如图3.5～图3.8所示。

对C20强度等级的钢纤维再生混凝土，从图3.5中可看出，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗压强度分别降低约9%、11%、29%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗压强度分别增加约3%、5%。

对C25强度等级的钢纤维再生混凝土，从图3.6中可看出，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗压强度分别降低2%、5%、10%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗压强度分别增加3%、7%。

对C30强度等级的钢纤维再生混凝土，从图3.7中可看出，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗压强度分别降低约2%、9%、13%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗压强度分别增加3%、8%。

对C35强度等级的钢纤维再生混凝土，从图3.8中可看出，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗压强度分别降低3%、5%、12%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗压强度分别增加10%、13%。

综上可得：对于钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗压强度分别降低2%～9%、5%～11%、10～29%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗压强度分别增加3%～10%、5%～13%。数据表明，钢纤维对再生混凝土的抗压强度影响不大，其抗压强度主要取决于再生混凝土基体的强度等级，这也和统计资料表明的钢纤维混凝土抗压强度仅提高10%左右的结论是相符合的。用再生骨料掺量为40%、钢纤维掺量为0.5%进行钢纤维再生混凝土配合比设计，可使其获得良好的和易性、满足强度及经济性要求。

3．钢纤维再生混凝土的轴心抗压强度分析

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与混凝土轴心抗压强度的关系图，如图3.9～图3.12所示。

从图3.9～图3.12中可以看出：随着再生混凝土中的再生骨料取代率的增加，混凝土的轴心抗压强度和抗压弹性模量均降低。再生骨料的取代率从40%上升到100%，再生混凝土的轴心抗压强度较普通混凝土降低3%～17%，分析原因，同样有两方面。

（1）再生骨料表面有大量水泥砂浆，同时由于其吸水率大，界面过渡区的水灰比大于水泥浆体本体中的水灰比，使得再生骨料表面与水泥浆体间生成结构疏松的水化产物，这些均导致骨料与新旧水泥浆之间存在一些结合较弱的区域，由此降低了界面粘结强度。

（2）再生骨料内部存在大量微裂缝，在轴向受压过程中极易形成应力集中，从而导致其轴心抗压强度的越低。

4．钢纤维再生混凝土的受压弹性模量分析

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与混凝土受压弹性模量的关系图，如图3.13～图3.16所示。

从图3.13～图3.16中可以看出：随着再生混凝土中的再生骨料取代率的增加，混凝土的受压弹性模量降低。再生骨料的取代率从40%上升到100%，再生混凝土的弹性模量较普通混凝土降低5%～19%，原因有两方面。

（1）再生骨料表面有大量水泥砂浆，同时由于其吸水率大，界面过渡区的水灰比大于水泥浆体本体中的水灰比，使得再生骨料表面与水泥浆体间生成结构疏松的水化产物，这些均导致骨料与新旧水泥浆之间存在一些结合较弱的区域，由此降低了界面粘结强度。

（2）再生骨料内部存在大量微裂缝，在轴向受压过程中极易形成应力集中，从而导致其轴心抗压强度的越低。

钢纤维的加入使混凝土的轴心受压强度和抗压弹性模量增大。较低强度下，钢纤维对弹性模量的影响不大；强度等级较低，钢纤维再生混凝土本身强度较低，骨料和基体连接较为薄弱，钢纤维的掺入对其影响不大。

5．钢纤维再生混凝土的劈拉强度分析

根据表3.2中的数据可计算得出以下结果：

对C20强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其劈拉强度分别降低4%～6%、7%～11%、10%～15%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其劈拉强度分别增加9%～13%、15%～23%。

对C25强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其劈拉强度分别降低4%～5%、10%～13%、10%～14%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其劈拉强度分别增加9%～14%、17%～21%。

对C30强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其劈拉强度分别降低1%～3%、5%～6%、10%～13%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其劈拉强度分别增加9%～13%、15%～21%。

对C35强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其劈拉强度分别降低3%～6%、10%～12%、14%～16%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其劈拉强度分别增加9%～12%、16%～20%。

综上可得：对于钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其劈拉强度分别降低3%～6%、5%～13%、10%～16%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其劈拉强度分别增加9%～14%、15%～21%。

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与再生混凝土劈拉强度的关系图，如图3.17～图3.20所示。

6．钢纤维再生混凝土的抗折强度分析

根据表3.2中的数据可计算得出以下结果：

对C20强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗折强度分别降低8%～11%、13%～25%、17%～26%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗折强度分别增加11%～19%、18%～37%。

对C25强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗折强度分别降低3%～5%、6%～12%、14%～36%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗折强度分别增加10%～27%、19%～39%。

对C30强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗折强度分别降低4%～8%、12%～16%、17%～24%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗折强度分别增加13%～23%、23%～40%。

对C35强度等级的钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗折强度分别降低4%～9%、13%～17%、14%～21%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗折强度分别增加10%～19%、28%～35%。

综上可得：对于钢纤维再生混凝土，当再生骨料掺量为40%、70%、100%时，其抗折强度分别降低3%～11%、13%～25%、14%～36%；当钢纤维掺量为0.5%、1%时，其抗折强度分别增加10%～27%、18%～40%。

根据表3.2中的数据绘制不同钢纤维及再生骨料掺量与再生混凝土抗折强度的关系图，如图3.21～图3.24所示。

从图3.17～图3.24中可以直观地看出：再生混凝土的劈裂强度和抗折强度随再生骨料掺量的增加而下降，随钢纤维的掺量增加而增加。

根据表3.2试验数据对钢纤维再生混凝土的劈拉强度与抗折强度试验结果进行回归分析，得到钢纤维再生混凝土抗折强度与劈拉强度的关系为：

式中 ftm——抗折强度；

fts——劈拉强度。

抗折强度和劈裂抗拉强度都是用来表征混凝土抗拉性能的指标，钢纤维再生混凝土抗折强度和劈裂强度随再生骨料掺量的增大逐渐降低，虽然混凝土强度等级不同，但再生骨料掺量相同时，再生混凝土抗折强度和劈裂强度的降低幅度基本属于同一范围，原因有两点：①与天然碎石相比，再生粗骨料中含有大量的砂浆因此其密度低、孔隙率较高，压碎指标大；②骨料和新、旧砂浆的界面存在大量裂缝且都相互贯穿起来，形成强度低的薄弱区。

钢纤维再生混凝土抗折强度和劈裂强度随钢纤维掺量的增加逐渐增大，原因是在混凝土中掺入钢纤维，相当于在其中掺入了大量的微细筋，因纤维可以阻止裂缝在水泥基中的产生和发展，同时纤维对裂缝、孔隙等也起连接作用，使整个结构成为有机的整体，减少了在内部固有缺陷的应力集中，从而使再生混凝土的抗折、劈裂性能得到很大程度的提升。通过对抗折试验结束后的试件进行CT扫描试验，截面的扫描图片如图3.25所示，从图3.25中可以清晰地看到钢纤维在再生混凝土内部的分布情况，其中有对裂缝起连接作用的部分钢纤维贯穿其中。