钢纤维增强碱矿渣再生骨料混凝土的力学性能

陈庞，王政轩，张健新，王辉，史朝悦; CHEN Pang; WANG Zhengxuan; ZHANG Jianxin; WANG Hui; SHI Zhaoyue

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陈庞
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王政轩
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张健新
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王辉
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史朝悦

河北工业大学土木与交通学院，天津300401

中图分类号： TU528.572

最近更新：2024-12-16

DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2022.123

摘要

碱矿渣再生混凝土是以碱激发胶凝材料替代水泥、再生骨料取代天然石子制备而成的新型混凝土，能有效降低波特兰水泥用量，提高废弃混凝土利用率，但尚未见对其力学性能的相关研究。为研究碱矿渣再生混凝土的基本力学性能，以钢纤维取代率和再生骨料取代率为主要试验参数，进行抗压试验、劈裂抗拉试验和抗折试验。研究结果表明：随着再生粗骨料取代率的增加，碱矿渣再生混凝土的抗压强度f_cu、劈裂抗拉强度f_t和抗折强度f_w均降低，再生粗骨料取代率为100%时的降低幅度分别为30%、10%、15%；碱矿渣再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随钢纤维体积取代率增加先提高后降低，钢纤维体积取代率为0.6%时，抗压强度和抗折强度达到最大值；碱矿渣再生混凝土抗折强度随钢纤维体积取代率增加而增加。

关键词

再生骨料混凝土; 抗压强度; 抗拉强度; 抗折强度; 钢纤维; 体积取代率

水泥生产消耗大量的化石燃料，排放大量的二氧化碳，据统计，水泥生产碳排放量约占全球碳排放总量的7%，因此，寻找可替代水泥的建筑材料具有极大的工程应用价值^[

1-3]。碱矿渣混凝土（alkali-activated slag concrete，AASC）是以废弃矿渣为胶凝材料，以氢氧化钠和水玻璃等为碱性激发剂制备而成的混凝土^{[参考文献 4-5}4-5]。碱矿渣混凝土可以有效利用废弃矿渣，是绿色建材未来的发展趋势之一^{[参考文献 6-8}6-8]。混凝土废块经过破碎、清洗和筛分等工序后，制成再生粗骨料。由再生粗骨料制作而成的混凝土称为再生混凝土（recycled aggregate concrete，RAC）。RAC用于工程建设，既可以缓解天然骨料短缺的问题，又可以对建筑废弃物进行合理利用，符合建筑业绿色、环保、可持续的发展方向^{[参考文献 9-10}9-10]。碱矿渣再生混凝土（alkali-activated slag recycled aggregate concrete，AAS-RAC）是以碱激发矿渣为胶凝材料，以再生骨料为粗骨料制备而成的新型混凝土，可充分利用碱矿渣胶凝材料和再生骨料的优势，是可持续发展的绿色建材之一。

与普通混凝土相比，AASC具有凝结速度快、早期强度高、热稳定强、耐火性能强^[

11]、耐久性好的优点^{[参考文献 12-14}12-14]。Laskar等^{[参考文献 15

百度学术}15]研究表明，AASC的凝结速度远快于普通硅酸盐水泥，其初凝时间和终凝时间分别为11、21 min。Atis等^{[参考文献 16

百度学术}16]发现，AASC具有早强和快硬的特点，在115 ℃热养护的条件下，AASC的24 h强度最高可达120 MPa。Pan等^{[参考文献 17

百度学术}17]研究发现，AASC在200 ℃和400 ℃下抗压强度增加约22%和15%。Palomo等^{[参考文献 18

百度学术}18]指出，碱矿渣砂浆在浸入各种侵蚀性溶液（去离子水、硫酸钠溶液和硫酸）中时性能非常稳定。虽然AASC具有诸多优势，但其同样存在收缩大、韧性差的缺点^{[参考文献 19

百度学术}19]。Duran等^{[参考文献 20

百度学术}20]研究发现，碱矿渣砂浆的收缩是普通硅酸盐水泥的3~6倍。这是由于AAS生成的水化硅酸钙（C-S-H）密度较高，使得AASC试件的体积变小，多余水分流失，进而增加了AASC干燥收缩^{[参考文献 21

百度学术}21]。AASC由于其材料内部广泛存在微裂缝，表现出较高的脆性^{[参考文献 22

百度学术}22]。为降低AASC收缩，增加其延性，研究者做了大量的努力，通常的做法为在AASC中掺入纤维^{[参考文献 23-24}23-24]。Zhou等^{[参考文献 25

百度学术}25]研究表明，玄武岩纤维对强度提高效果优于聚丙烯纤维。Zhang等^{[参考文献 26

百度学术}26]将0.5%含量的聚丙烯纤维掺入后，试件的早期抗压强度在第1天和第3天分别提高至68%和20%。Bernal等^{[参考文献 27

百度学术}27]将SF掺入AASC内，其研究表明，当SF体积含量为1.5%时，AASC的抗拉强度和抗折强度分别提高了24%和38%。与天然骨料相比，再生骨料内部存在更多的孔隙，其表观密度更低，压碎值更高^{[参考文献 28

百度学术}28]，因此，与普通混凝土相比，RAC的强度明显降低。为了改善RAC的力学性能，提高其在工程中的泛用性，许多学者进行了尝试。肖建庄等^{[参考文献 29

百度学术}29]采用热处理去除再生骨料表层黏附的残留砂浆，研究表明，处理后再生骨料的残留砂浆含量、吸水率和压碎指标分别降低了8.2%、1.9%和4.3%。Katkhuda等^{[参考文献 30

百度学术}30]利用酸处理去除其表面附着的砂浆，同时加入玄武岩纤维，RAC的劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高了40.17%和82.65%。

AAS-RAC具有AASC和RAC优势的同时，也存在脆性较大和强度较低的问题。笔者通过掺入钢纤维来改善AAS-RAC的力学性能，制备了8组共72个不同配比的AAS-RAC试件，研究再生骨料取代率和钢纤维体积取代率对AAS-RAC立方体抗压强度f_cu、劈裂抗拉强度f_t和抗折强度f_w的影响。

1 试验准备

1.1 试验材料

粒化高炉矿渣的比表面积和比重分别为440 m²/kg和2.45，平均粒径为2.4 μm，其化学成分和粒度分布图分别见表1和图1。粗骨料采用再生骨料。细骨料选用河沙，细度模量为2.6，容重为2 480 kg/m³。天然粗骨料选用碎石，粒径范围为5~25 mm，容重为2 620 kg/m³。试验中的水均采用天津市自来水。

表1 粒化高炉矿渣化学成分

Table 1 Chemical composition of granulated blast furnace slag ( % )

CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	Fe₂O₃	其他
41	34	13	7	1	4

图1 粒度分布图

Fig. 1 Particle size distribution diagram

碱激发剂由液态硅酸钠、固体氢氧化钠组成，激发剂中SiO₂和Na₂O的摩尔比为1.7，碱激发剂中含水量为56%。固体NaOH的纯度为96%。试验选取钢纤维以用来改善碱矿渣再生骨料混凝土的力学性能。钢纤维由苏州史尉康金属制品有限公司提供，纤维的详细力学性能如表2所示。

表2 钢纤维力学性能

Table 2 Mechanical properties of steel fibers

密度/(kg/m³)	长度/mm	直径/μm	抗拉强度/MPa	弹性模量/GPa
7 800	12	210	2 969	200.0

1.2 试件设计及配合比

制作8种不同配比的碱矿渣再生混凝土试件。试件设计考虑了钢纤维体积取代率（0、0.3%、0.6%、0.9 %）和再生骨料取代率（0、25%、50%、75%、100%）的影响。具体试件设计及配合比如表3所示，表中组别由3部分组成：纤维/钢纤维体积取代率/再生骨料取代率。以S/0.3/100为例，表示钢纤维体积取代率为0.3%，再生骨料取代率为100%。每组试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均取3个同条件试件的平均值。

表3 试件基本参数

Tab.2 Parameters of specimens

试件	V_sf/%	V_RAC/%	M_NA/（kg/m³）	M_sf/（kg/m³）	M_RCA/（kg/m³）	矿渣/（kg/m³）	Na₂SiO₃/（kg/m³）	NaOH/（kg/m³）	水/（kg/m³）	砂/（kg/m³）
N/0/0	0	0	1 334	0	0	625	164	27.8	152	833
N/0/25	0	25	990	0	330	625	164	27.8	152	833
N/0/50	0	50	660	0	660	625	164	27.8	152	833
N/0/75	0	75	330	0	990	625	164	27.8	152	833
N/0/100	0	100	0	0	1 320	625	164	27.8	152	833
S/0.3/100	0.3	100	0	23.4	1 320	625	164	27.8	152	833
S/0.6/100	0.6	100	0	46.8	1 320	625	164	27.8	152	833
S/0.9/100	0.9	100	0	70.2	1 320	625	164	27.8	152	833

注： V_sf为混凝土钢纤维体积分数；V_RAC为再生骨料体积分数（V_RAC/（V_RAC+V_NA））；M_NA为每立方米混凝土的天然粗骨料质量；M_sf为每立方米混凝土的钢纤维质量；M_RAC为每立方米混凝土再生骨料质量。

AAS-RAC试件制备时，首先将再生骨料与部分水混合，进行预湿处理；其次将液态Na₂SiO₃、固态NaOH和水按比例均匀混合；再次将预湿后再生骨料、矿粉、砂置于搅拌机中均匀搅拌60 s；随后加入碱性激发剂，并均匀搅拌60 s；最后将混合物置于试模内，放在振动台上振动30 s。为防止试件中的水分蒸发影响试件性能，将试件用塑料薄膜完全密封，放于温度（20±2）℃、相对湿度（90±2）%的养护室，直至试验开始。

1.3 试验方法

对AAS-RAC的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行了测试。立方体受压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，劈裂抗拉强度试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试验试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试验按《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）^[

31]进行，立方体抗压试验加载速率为0.6 MPa/s，劈裂抗拉试验和抗折试验加载速率为0.06 MPa/s。

2 试验结果与讨论

2.1 AAS-RAC立方体抗压强度

2.1.1 再生骨料取代率的影响

再生骨料取代率对AAS-RAC立方体抗压强度的影响如图2所示。当再生骨料取代率为100%时，AAS-RAC立方体抗压强度最低，为47.7 MPa。以天然骨料为粗骨料的碱矿渣混凝土的立方体抗压强度最高，为67.4 MPa。且随着再生骨料取代率的增加，AAS-RAC的立方体抗压强度降低。再生骨料取代率为25%、50%、75%、100%时，AAS-RAC的立方体抗压强度分别比天然骨料混凝土低7.2%、10.5%、24.8%、30.3%。这是由于再生骨料的强度低于天然骨料，随着低强度骨料的掺入，AAS-RAC的立方体抗压强度降低。Nazarimofrad等^[

32]研究指出，再生骨料强度对RAC抗压强度影响较为显著。再生骨料在制作时，材料内部会出现微裂缝，这使得RAC孔隙率增大，受压时在裂缝空隙处产生应力集中^{[参考文献 33

百度学术}33]，进而降低了AAS-RAC的立方体抗压强度。

图2 再生骨料取代率对AAS-RAC立方体抗压强度的影响

Fig. 2 Influence of recycled aggregate content substitution rate on compressive strength of AAS-RAC

2.1.2 钢纤维体积取代率的影响

试验研究表明，钢纤维的掺入可有效增加AAS-RAC立方体抗压强度。为研究钢纤维体积取代率对AAS-RAC立方体抗压强度的影响，将不同钢纤维体积取代率试件立方体抗压强度列于图3。可以看出，随钢纤维体积取代率的提高，AAS-RAC立方体抗压强度先增加后降低，相比未掺纤维AAS-RAC立方体抗压强度，钢纤维体积取代率为0.3%、0.6%、0.9%时，立方体抗压强度的提高37%、51%、41%。适量的钢纤维可以提高立方体抗压强度，过量则会降低。主要原因为适量的钢纤维可有效抑制AAS-RAC试件内部微裂缝发展，进而增加了混凝土强度。过多的钢纤维掺入易在混凝土内部成团，无法均匀分布，成团的钢纤维周围存在空隙，进而降低了碱矿渣再生骨料的立方体抗压强度^[

34]。

图3 钢纤维体积取代率对AAS-RAC立方体抗压强度的影响

Fig. 3 Influence of steel fiber volume substitution rate on compressive strength of AAS-RAC

2.2 AAS-RAC劈裂抗拉强度

2.2.1 再生骨料取代率的影响

再生骨料取代率对AAS-RAC劈裂抗拉强度的影响如图4所示。可以看出，与没有掺入再生骨料的AAS-RAC相比，再生骨料取代率为25%、50%、75%和100%时，AAS-RAC劈裂抗拉强度分别降低了0.5%、1.8%、1.9%和9.7%。对混凝土废块进行二次处理过程中，再生骨料内部会产生许多微裂缝，进而降低了AAS-RAC劈裂抗拉强度^[

35]。随着再生骨料取代率的增加，AAS-RAC的劈裂抗拉强度减小，这是由于骨料强度降低，从而降低了AAS-RAC劈裂抗拉强度，但减小幅度不大。张丽娟^{[参考文献 36

百度学术}36]对不同配比的钢纤维再生混凝土进行研究，结果表明，再生骨料取代率对劈裂抗拉强度影响最小，钢纤维体积率对劈裂抗拉强度影响显著。

图4 再生骨料取代率对AAS-RAC劈裂抗拉强度的影响

Fig. 4 Influence of recycled aggregate content substitution rate on splitting tensile strength of AAS-RAC

2.2.2 钢纤维体积取代率的影响

钢纤维体积取代率对AAS-RAC劈裂抗拉强度的影响如图5所示。可以看出，与无钢纤维的AAS-RAC相比，钢纤维体积取代率为0.3%、0.6%、0.9%的AAS-RAC的劈裂抗拉强度分别提高了10%、60%、43%。章文娇等^[

37]试验表明，将钢纤维掺入再生混凝土中，可显著增强其劈裂抗拉强度，当掺量为117 kg/m³时，抗拉强度增强率达49.2%。Afroughsabet等^{[参考文献 38

百度学术}38]试验发现，将1%的钢纤维分别掺入再生混凝土和普通混凝土中，钢纤维的掺入对RAC劈裂强度的提升效果更为显著，这是由于钢纤维与再生骨料之间产生了更强的黏结力。但过量加入钢纤维会对AAS-RAC的强度产生负面影响，这与钢纤维对AAS-RAC抗压强度的影响类似。混凝土在外部荷载作用下产生纵向和横向变形，随着外部荷载增加，试件中部的横向变形达到混凝土的极限值产生纵向裂纹，当试件中部混凝土拉应变达到极限拉应变混凝土发生破坏^{[参考文献 39

百度学术}39]。而混凝土劈裂抗拉破坏同样为试件劈裂中截面混凝土受拉破坏^{[参考文献 40

百度学术}40]，因此，钢纤维对AAS-RAC的抗压强度和劈裂抗拉强度有类似的影响。

图5 钢纤维体积取代率对AAS-RAC劈裂抗拉强度的影响

Fig. 5 Influence of steel fiber volume substitution rate on splitting tensile strength of AAS-RAC

2.3 AAS-RAC抗折强度

2.3.1 再生骨料取代率的影响

再生骨料取代率对AAS-RAC抗折强度的影响如图6所示。可以看出，再生骨料取代率的增加会使AAS-RAC抗折强度降低。再生骨料取代率为25%、50%、75%、100%时，AAS-RAC抗折强度分别降低了6.7%、9.7%、11.7%、15.3%。这是因为再生骨料的强度远低于天然骨料，这与再生骨料对AAS-RAC抗压强度的影响相似。秦红杰^[

41]研究指出，再生混凝土试件的破坏裂缝通常穿过再生骨料发展，再生骨料的初始损伤使再生骨料强度较天然骨料低，当构件出现裂缝时，裂缝会贯穿再生骨料，导致再生混凝土抗折强度降低。

图6 再生骨料取代率对AAS-RAC抗折强度的影响

Fig. 6 Influence of recycled aggregate content substitution rate on flexural strength of AAS-RAC

2.3.2 钢纤维体积取代率的影响

钢纤维体积取代率对AAS-RAC抗折强度的影响如图7所示。可以观察到，随着钢纤维体积取代率的增加，AAS-RAC抗折强度增加。当钢纤维体积取代率为0.9%时，抗折强度最大为5.16 MPa，比无纤维AAS-RAC提高22.9%。霍俊芳等^[

42]研究发现，RAC的抗折强度随着钢纤维体积取代率的增加而增加，当钢纤维体积取代率分别为0.5%、1.5%、2%时，抗折强度分别增加17.0%、26.4%、34.0%。钢纤维可以有效抑制碱矿渣再生骨料混凝土试件内部裂缝的产生，同时钢纤维可桥接于AAS-RAC材料内部微裂缝两侧，进而限制了微裂缝的发展和延伸，提高AAS-RAC抗折强度^{[参考文献 43-44}43-44]。

图7 钢纤维体积取代率对AAS-RAC抗折强度的影响

Fig. 7 Influence of steel fiber volume substitution rate on flexural strength of AAS-RAC

2.4 机理分析

2.4.1 再生骨料取代率的影响

再生骨料取代率对AAS-RAC基本力学性能的影响如图8所示，其中，f为试件的强度，f_N0为再生骨料取代率为0时试件的强度。从图8可以看出，3条曲线的趋势较为一致，立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均随着再生骨料取代率的增加而降低。这是由于AAS-RAC与普通混凝土的破坏形态存在一定差异，普通混凝土的破坏为界面过渡区微裂缝开展及延伸导致的最终破坏。而再生粗骨料力学性能弱于天然粗骨料，导致碱矿渣再生混凝土除界面过渡区微裂缝破坏，还存在大量贯穿粗骨料材料内部的破坏。同时可以看出，再生粗骨料取代率对AAS-RAC抗压强度影响最为显著，对劈裂抗拉强度影响最小，当再生粗骨料取代率为100%时，抗压强度和劈裂抗拉强度分别降低了30.3%和9.7%。

图8 再生骨料取代率对AAS-RAC力学性能的影响

Fig. 8 Influence of recycled aggregate content substitution rate on mechanical properties of AAS-RAC

2.4.2 钢纤维体积取代率的影响

钢纤维体积取代率对AAS-RAC基本力学性能的影响如图9所示，其中f为试件的强度，f_S0为未掺钢纤维试件的强度。从图9可以看出，钢纤维体积取代率对AAS-RAC的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响效果较为一致，均为先增加后降低。适量的钢纤维可桥接于裂缝两侧，有效抑制AAS-RAC试件内部微裂缝发展延伸，进而增加了混凝土强度^[

45]。当掺入过多的钢纤维时，钢纤维在AAS-RAC内部出现成团的现象，成团的钢纤维使得混凝土中孔洞的数量和大小增加，进而降低了AAS-RAC的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度。抗折强度随钢纤维体积取代率的增加而增加。主要原因是钢纤维的抗拉强度远高于混凝土，而抗折破坏的实质为试件受拉区混凝土受拉破坏导致，高强度、高弹模的钢纤维搭接于开裂混凝土两侧，混凝土开裂后可继续承担拉应力，进而增加了AAS-LWAC抗折强度。同时可以看出，钢纤维体积取代率对立方体抗压强度影响最为显著，对抗折强度的影响最小，虽然纤维的掺入会使AAS-RAC的抗折强度不断增加，但在钢纤维体积取代率为0.9%时，抗折强度的增加幅度小于劈裂抗拉强度和立方体抗压强度。

图9 钢纤维体积取代率对AAS-RAC力学性能的影响

Fig. 9 Influence of steel fiber volume substitution rate on mechanical properties of AAS-RAC

3 结论

研究了碱矿渣再生粗骨料混凝土抗压性能、劈裂抗拉性能和抗折性能，考虑了再生粗骨料取代率和钢纤维体积取代率对其力学性能影响，主要结论如下：

1）AAS-RAC抗压强度f_cu、劈裂抗拉强度f_t和抗折强度f_w均随再生粗骨料取代率增加而降低。这是由于再生粗骨料内部存在原始界面过渡区，表面存在大量微裂缝，这使得再生粗骨料力学性能较弱，进而降低了AAS-RAC力学性能。

2）适量钢纤维会提高AAS-RAC抗压强度f_cu和劈裂抗拉强度f_t，但过量钢纤维反而会降低AAS-RAC的f_cu和f_t。这是由于适量钢纤维可桥接于荷载作用下产生的微裂缝两侧，进而抑制了微裂缝发展及延伸，提高了AAS-RAC强度。过量钢纤维易在混凝土材料内部产生团簇效应，进而降低了AAS-RAC强度。

3）与钢纤维对AAS-RAC抗压强度f_cu和劈裂抗拉强度f_t影响不同，钢纤维体积取代率小于0.9%时，AAS-RAC抗折强度f_w随钢纤维体积取代率的增加而提高。这是由于AAS-RAC抗折破坏为试件受拉区混凝土受拉失效破坏，发展较为迅速，而受拉区钢纤维桥接于裂缝两侧，抑制受拉区裂缝开展，同时可替代受拉区开裂混凝土承受部分拉应力，进而提高了AAS-RAC的抗折强度f_w。

4）再生粗骨料取代率对AAS-RAC的抗压强度f_cu的影响最为显著，而对劈裂抗拉强度f_t的影响最弱。钢纤维体积取代率对AAS-RAC抗压强度f_cu的影响最为显著，其次为劈裂抗拉强度f_t，而对抗折强度f_w影响最弱。

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