摘 要：为改善再生混凝土(RAC)的断裂性能，通过三点弯曲断裂试验，研究了钢纤维、剑麻纤维及钢-剑麻混杂纤维对RAC断裂性能的影响。同时，采用数字图像相关(DIC)技术测得试件的裂缝扩展全过程。结果表明：未掺纤维的RAC断裂性能较差，而掺入纤维后的RAC断裂性能明显提升；单掺钢纤维时，起裂韧度与纤维掺量无关；单掺剑麻纤维时，最佳体积掺量为0.15%，较素RAC试件提高了67%。单掺纤维和混掺纤维均可提高失稳韧度和断裂能，但混掺纤维效果更佳。当体积掺量1.0%的钢纤维和体积掺量0.3%的剑麻纤维混杂时，各项断裂参数较RAC试件分别提高了83.92%、575.86%和1244.05%。
关键词：再生混凝土；钢纤维；剑麻纤维；混杂纤维；断裂性能；数字图像相关
0引言
再生骨料作为生产再生混凝土时粗骨料的替代来源，有助于缓解自然资源紧缺和日益严重的废物处理等问题[1]。但再生骨料压碎指标大、吸水率高、密度小，表面孔隙和微裂纹较多，且包裹了大量旧砂浆[2-3]，导致再生混凝土的性能较差。因此，提高再生混凝土性能具有重要意义。
研究[4-5]表明，在再生混凝土(recycled concrete，RAC)中掺入钢纤维可抑制混凝土裂缝的发展、减小裂缝宽度，且有增强、增韧的作用，在一定程度上能提高再生混凝土力学性能[6-8]。Jia等[9]研究了钢纤维再生混凝土的断裂性能，结果表明钢纤维可以提升再生混凝土的断裂韧性和断裂能，但仅掺入钢纤维不能达到抑制开裂的效果[10-11]。剑麻纤维抗裂性能良好，与基体黏结力强，是一种绿色环保的天然植物纤维[12-15]。肖建庄等[16]通过三点弯曲试验研究了再生骨料混凝土对断裂性能的影响，结果表明剑麻纤维的掺入能有效提升各项断裂参数。以上研究均是通过单掺纤维来改善RAC的力学性能。然而，不同类型的纤维混合使用时可以更好地发挥协同作用，王志杰等[17]研究了混杂纤维混凝土断裂性能和混杂效应，结果表明当混杂掺入钢纤维和聚乙烯醇（PVA）纤维时，混凝土的荷载-变形曲线更加饱满且下降段更加平缓；当PVA纤维体积掺量为0.2%、钢纤维体积掺量为1.0%时，混杂纤维混凝土的各项断裂性能提升效果最佳。孔祥清等[18]研究了单掺钢纤维、聚丙烯纤维以及钢-聚丙烯纤维混杂对再生混凝土抗断裂性能的影响，结果表明，未掺纤维的素RAC试件脆性较大，断裂能值低，钢纤维和聚丙烯纤维的掺入对于基体RAC的抗断裂性能均有明显的改善，且钢纤维的改善效果优于聚丙烯纤维。Bhosale等[19]研究了合成纤维混凝土、钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在弯曲荷载作用下的断裂行为，结果表明钩端钢纤维与聚烯烃纤维混合使用时可在新鲜状态下保持足够的可加工性，并获得良好的抗断裂性能。以上研究表明混杂纤维可更好地改善混凝土的断裂性能，但目前钢纤维与天然植物纤维混杂对RAC断裂性能影响的研究还相对较少。
因此，本文通过三点弯曲试验研究了钢纤维、剑麻纤维及钢-剑麻混杂纤维对RAC断裂性能的影响，并结合数字图像相关(digital image correlation，DIC)技术测得试件的裂缝扩展全过程。通过计算得出RAC的各项断裂参数，分析纤维对RAC断裂性能影响规律及裂缝发展情况，为RAC在实际工程中的应用推广提供参考。
1 实验
1.1 试验材料
试验采用P·O42.5的普通硅酸盐水泥；Ⅰ级粉煤灰；细骨料为天然砂，细度模数为2.43；粗骨料为粒径5～20mm连续级配的再生粗骨料；减水剂采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂；两种纤维（来源交代）的物理性能指标如表1所示。
表1 纤维物理性能指标
Table 1 Performance index of steel fibers
1.2 试件设计及制作
根据《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T221—2010）[20]，试件尺寸采用100mm×100mm×400mm，跨距S=300mm，初始缝高比a0/H=0.3。试件示意图如图1所示。再生骨料与纤维吸水率较高，因此在搅拌混凝土时需添加适量的附加水。试验共16组，各组试件配合比及附加水掺量见表2。
图1 试件示意图（单位：mm）
Fig.1 Schematic diagram of specimen（unit：mm）
表2 各组试块配合比
Table 2 Mix proportion of test blocks in each group
注：S代表钢纤维，J代表剑麻纤维，S0J0试件代表未加入纤维的试件；S0.5J0试件代表掺入0.5%（体积掺量）的钢纤维；S0J0.15试件代表掺入0.15%（体积掺量）的剑麻纤维；其余编号同理。
1.3 试验方法
再生混凝土断裂性能采用三点弯曲梁试验。试件在WDW-100D电子式万能试验机上进行加载，采用位移控制，加载速度为0.5mm/min。起裂荷载采用电阻应变片测定，电阻应变片对称贴在试件预制裂缝尖端两侧各10mm的位置处，跨中挠度由位移计测得，裂缝口张开位移由引伸计测得。试验前在需要观测的区域制作好散斑，试验时由2台专业相机对散斑区域进行同步采集，采图频率为10Hz，试验数据由VIC-3D专业图像分析软件进行分析。
2 结果与讨论
2.1 破坏形态
典型试件破坏状态如图2所示。由图2可知，未掺纤维组试件起裂后，裂缝迅速扩展直至断成两截。而单掺纤维与混掺纤维均表现出“裂而不断”的破坏形态，可明显看出被拔出或拉断的钢纤维和剑麻纤维。
图2 典型试件破坏形态
Fig. 2 Failure morphology of typical specimens
2.2 起裂荷载
RAC内部存在裂缝和空隙，应力分布不均匀，出现应力集中现象，导致试件开裂。在这个过程中，拉应变逐渐增大，当达到最大值时试件聚集的能量被释放，应变开始回缩甚至出现压应变。起裂荷载是应变开始回缩时的荷载[21]。试件起裂荷载如表3所示。
可以看出，单掺钢纤维时，起裂荷载不受掺量的影响。这是因为纤维的直径和长度相对较小，无法形成有效的桥梁作用来限制裂缝扩展。而单掺剑麻纤维时，起裂荷载最佳体积掺量为0.15%，较未掺RAC试件S0J0提高了67%。当钢纤维掺量一定时，起裂荷载随剑麻纤维掺量的增加而降低，这是由于剑麻纤维具有亲水性且可桥接微裂缝，当纤维掺量过大时，纤维产生结团现象，不能完全均匀分散，剑麻纤维不能发挥全部作用。但是由表3可以看出，混杂纤维对RAC起裂荷载有更佳效果。
表3 各组试件起裂荷载
Table 3 Crack initiation load of each group of specimens
2.3 荷载-变形曲线
图3为单掺纤维试件的荷载-挠度（P-δ）曲线，图4为单掺纤维试件的荷载-裂缝张口位移（P-CMOD）曲线。由图3、4可知，无纤维的RAC试件突然断裂，开裂后迅速扩展至整个截面，最终导致试件破坏。掺入纤维的RAC试件与素RAC试件S0J0在开裂前相似，其荷载-变形曲线是均匀增长的，然而，由于掺入纤维的RAC试件在达到峰值荷载后仍能承受更多的变形和荷载，所以其荷载-变形曲线下降段呈非线性特征。此外，掺钢纤维时，峰值荷载呈增加的趋势，当纤维掺量为1.5%时，较无纤维RAC试件提高了37%；掺剑麻纤维时，峰值荷载表现出先升高后降低的趋势，当剑麻纤维掺量为0.3%时，峰值荷载较无纤维RAC试件提高了33%。而当剑麻纤维掺量为0.45%时，纤维掺量过大，出现结团现象，导致峰值荷载下降。以上结果表明，掺入钢纤维改善效果更佳。
图3 单掺纤维试件的荷载-挠度（P-δ) 曲线
Fig. 3 Load-deflection (P-δ) curves of single fiber reinforced specimens
图4 单掺纤维试件的荷载-裂缝张口位移（P-CMOD）曲线
Fig. 4 Load-crack opening displacement (P-CMOD) curves of single fiber reinforced specimens
图5为混杂纤维试件的荷载-挠度（P-δ)曲线，图6为混杂纤维试件的荷载-裂缝张口位移（P-CMOD）曲线。由图5、6可知，钢纤维掺量一定时，峰值荷载呈先增加后减小的趋势，这是由于剑麻纤维的加入，提高了RAC的韧性和抗裂性能。但随着剑麻纤维掺量的增加，RAC内部纤维过多，影响了混凝土的密实性和强度，导致峰值荷载下降。而当剑麻纤维的掺量一定时，钢纤维的加入提高了RAC的强度和韧性，使峰值荷载呈增加的趋势。值得注意的是，在剑麻纤维掺量为0.45%时，其对峰值荷载的影响较小。过高的纤维掺量会导致纤维分散不均匀，进而影响纤维的增强效果。当剑麻纤维掺量为0.3%时，掺1.5%的钢纤维与掺1.0%的钢纤维相比峰值荷载无明显提升，这是因为在这个掺量下，提升已经达到了饱和状态，继续增加并不能带来更大的增强效果。当剑麻纤维掺量0.3%及钢纤维掺量1.5%时，峰值荷载较素RAC试件提高了59.2%。从图5和图6中还可以看出，混杂纤维RAC试件的峰值荷载提升更为明显，且荷载-变形曲线下降速度更为缓慢。
以上情况说明，无论单掺纤维还是混掺纤维均可提高RAC试件的断裂韧性。但相较而言，混掺纤维RAC试件的提升效果更好。
图5 混杂纤维试件的荷载-挠度（P-δ) 曲线
Fig. 5 Load-deflection (P-δ) curves of hybrid fiber specimens
图6 混杂纤维试件的荷载-裂缝张口位移（P-CMOD）曲线
Fig. 6 Load-crack opening displacement (P-CMOD) curves of hybrid fiber specimens
2.4 裂缝扩展过程分析
采用DIC技术对试件的裂缝扩展情况进行探究。通过VIC-3D系统的分析，得到试件在荷载上升段50%峰值荷载（50%rmax(↑)、90%峰值荷载（90%rmax(↑)、峰值荷载（rmax）以及在荷载下降段90%峰值荷载（90%rmax(↓)、50%峰值荷载（50%rmax(↓)）作用下的水平应变云图和水平位移云图，如下图7和图8。
由图可知，在50%rmax(↑)时，应力较小，混凝土内部不均匀且存在初始裂缝，试件各点的应力和变形呈不均匀变化，此时裂缝尖端应变基本无变化，且位移云图呈现点块状分布，这说明再生混凝土还未开裂；荷载继续增加至90%rmax(↑)，裂缝尖端应变开始增大，混凝土产生了拉应变，应变云图呈现为微弱的“火苗”，此时水平位移也发生变化，说明再生混凝土已经开裂；当达到峰值荷载rmax时，裂缝尖端应变和散斑区域中点的水平位移进一步增大，此时“火苗”燃烧得更加旺盛；当荷载下降至90%rmax(↓)时，裂缝尖端应变和散斑区域中点的水平位移继续增大，应变云图中呈现“火苗”形状的区域增大；在50%rmax(↓)，裂缝尖端应变和散斑区域中点的水平位移迅速增大，表现为失稳后裂缝持续扩展直至试件最终破坏的过程，而且图中可以清楚地看到火苗扩展的方向与再生混凝土裂缝扩展的方向基本一致。因此，DIC技术可用于研究试件断裂破坏的整个过程，同时也是研究裂缝延伸过程的可靠方法。
图7 水平应变云图
Fig.7 Horizontal strain cloud map
图8 水平位移云图
Fig. 8 Horizontal displacement cloud image
3 断裂参数计算方法及结果分析
3.1 双K断裂参数
起裂韧度
和失稳韧度
被用作混凝土双K断裂特性的控制参数[21]。
起裂韧度
的计算公式如式（1）所示。
式中：Pini为起裂荷载，kN；m为支座之间的试件质量，kg；g为重力加速度，9.8m/s2；S为试件两支座的跨度，m；a0为初始裂缝长度，m；d为试件厚度，m；h为试件高度，m。为缝高比和跨高比相关的函数式；a为缝高比，m。
失稳韧度
的计算公式如式（2）所示。
式中：Pmax为最大荷载，kN；ac为有效裂缝长度，m。
ac为有效裂缝长度，可通过经验公式计算[22]。计算公式如式（3）所示。
式中：h0为固定引伸计刀口的钢片厚度，m；CMODc为裂缝张口位移临界值，μm；E为弹性模量，GPa。
其中，弹性模量的计算公式如式（4）所示。
E=
[3.7 + 32.6tan2 
× 
] （4）
式中：k 为 P-CMOD曲线的线性段斜率。
3.2 断裂能
混凝土断裂能是用于表征混凝土断裂过程消耗的总能量。可根据试件的P-δ曲线来计算。试件断裂能Gf的计算式[23]如式（5）所示。
式中：W0为曲线从开始加载直至拟合点时的包络面积；W1为加载前两支座间的试件自重所做的功，W1≈0；W2为拟合点前重力所做的附加功；W3为尾部幂函数拟合曲线的包络面积；A为韧带断面的面积。
3.3 断裂参数结果分析
根据上式计算各断裂参数，结果如表4所示。分析表4可知，单掺钢纤维时，RAC的起裂韧度虽有提高但不受纤维掺量的影响，这是因为钢纤维在RAC开裂后承担局部应力，减小裂缝宽度。单掺剑麻纤维时，起裂韧度最佳掺量为0.15%，较RAC试件提高了55.3%。这是因为剑麻纤维可以提高RAC的内聚力和黏结力，但掺量过高时纤维之间的相互作用导致起裂韧度下降。无论是单掺钢纤维还是单掺剑麻纤维均可以提高失稳韧度和断裂能。当钢纤维体积掺量为1.5%时，较RAC试件提高了421.33%和708.10%。当剑麻纤维掺量为0.3%时，较RAC试件提高了409.07%和575.88%。可以看出，钢纤维对RAC的断裂性能改善效果更优。
对于混杂纤维RAC试件，当钢纤维掺量一定时，剑麻纤维掺量的增大对断裂参数及断裂能产生影响。具体来说，随着剑麻纤维掺量的增加，失稳韧度及断裂能呈现先上升后下降的趋势，而起裂韧度呈下降的趋势。当钢纤维掺量为1.0%及剑麻纤维掺量为0.3%时，断裂参数及断裂能效果最佳，较RAC试件分别提高83.92%、575.86%和1244.05%。当剑麻纤维掺量一定时，钢纤维掺量对失稳韧度和断裂能产生影响。当剑麻纤维掺量为0.15%和0.45%时，掺1.5%的钢纤维效果最佳，较RAC试件分别提高351.44%和881.64%、307.55%和768.35%。可以看出，当钢纤维掺量为1.0%及剑麻纤维掺量为0.3%时，其各项断裂参数值最高。
表4 RAC试件的各项断裂参数
Table 4 Fracture parameters of RAC specimens
4 结论
试验通过三点弯曲试验研究混杂纤维对RAC断裂性能的影响，得出以下结论：
1）单掺或混掺纤维的RAC试件，在受力时表现出较好的韧性，裂缝扩展速度较慢，在扩展至截面上缘后仍能够承受外部载荷，呈现出“裂而不断”的破坏形态。
2）无论是单掺纤维还是混掺纤维，峰值荷载都得到了一定程度的提高，同时荷载-变形曲线的包络面积也有所增加。但混杂纤维RAC试件的荷载-变形曲线下降速度更为缓慢且提升效果更好，剑麻纤维掺量0.3%及钢纤维掺量1.5%时峰值荷载较RAC试件提高了59.2%。
3）单掺钢纤维RAC试件的起裂韧度与纤维掺量无关，其失稳韧度和断裂能明显提升。单掺剑麻纤维RAC试件的起裂韧度逐渐降低，失稳韧度和断裂能先增加后降低。混杂纤维RAC试件的断裂参数均优于单掺纤维RAC试件。其中，混杂效果最为理想的是体积掺量为1.0%的钢纤维和体积掺量为0.3%的剑麻纤维，其各项断裂参数分别提高了83.92%、575.86%和1244.05%。
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文章摘自：王二成，李格格，柴颖珂等.钢-剑麻混杂纤维再生混凝土断裂性能研究[J/OL].硅酸盐通报：1-10[2023-08-03].https：//doi.org/10.16552/j.cnki.issn1001-1625.20230619.002.
