廢舊輪胎鋼纖維在混凝土中的應(yīng)用

李 毅

（浙江浙交檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江杭州 310015）

出于對(duì)可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的需求，將廢輪胎用于改善混凝土性能已成為當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)。人口不斷增長(zhǎng)、高速城鎮(zhèn)化以及生活水平的不斷提高，使得車(chē)輛數(shù)量大幅增加，造成了環(huán)境污染問(wèn)題。據(jù)調(diào)查可知，印度的廢舊輪胎數(shù)量約為每年1.12億個(gè)，汽車(chē)輪胎的平均壽命通常僅有10年，大量的廢輪胎的產(chǎn)生使得如何處置廢棄的輪胎成為亟待解決的問(wèn)題。

大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家由于填埋深度不夠、處理設(shè)施落后和缺乏技術(shù)手段將廢輪胎回收加工程有價(jià)值的產(chǎn)品，使其大量占用自然空間并污染環(huán)境。

1 廢輪胎中鋼纖維性能與SFRC的制備

廢輪胎中所獲得的鋼纖維通常為線性，部分存在輕微變形。纖維的直徑在0.23～1.8 mm，其直徑取決于使用的分離方法。通過(guò)粉碎廢輪胎分離的纖維直徑約為0.23 mm，通過(guò)微波誘導(dǎo)熱解分離的纖維直徑在0.8～1.5 mm。廢輪胎中分離的鋼纖維通常表面光滑，其長(zhǎng)度分布廣泛。長(zhǎng)纖維的長(zhǎng)度通常在19～60 mm，將長(zhǎng)纖維摻入混凝土中可以有效地消除裂紋，并為硬化后的混凝土提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。短纖維的長(zhǎng)度通常在2～10 mm。鋼纖維物理特性由長(zhǎng)徑比定義，WTSF和ISF的技術(shù)性能比較如表1所示。

表1 鋼纖維物理特性對(duì)比

由于纖維直徑足夠小，因此可以隨機(jī)分散在混凝土中。Amuthakkanna認(rèn)為混凝土拌和過(guò)程中纖維的均勻分散后通過(guò)纖維與混凝土的黏附力使得鋼纖維混凝土力學(xué)性能大幅提升。Bentur和Mindess將纖維增強(qiáng)混凝土描述為一種由兩相混凝土組成的復(fù)合材料，代表基體相的混凝土，纖維成分代表包裹體相。

根據(jù)Nasir研究顯示，基體強(qiáng)度、纖維模量、纖維類(lèi)型、纖維長(zhǎng)徑比、纖維強(qiáng)度、纖維表面黏結(jié)特性、纖維取向、纖維含量和聚集體尺寸效應(yīng)被證明與鋼纖維混凝土的彈性模量密切相關(guān)，混凝土中的鋼纖維通過(guò)改善混凝土早期的抗拉和抗彎強(qiáng)度，提高混凝土的抗干縮和塑性收縮能力。

Chanh研究表明，鋼纖維混凝土所需的水泥和骨料含量高于普通混凝土，說(shuō)明適用于兩種混凝土的混合料級(jí)配設(shè)計(jì)有所不同，為減少實(shí)際使用過(guò)程中所需的水泥，可以使用粉煤灰、硅石、石灰石、鋼渣粉、稻殼灰、偏高嶺土、高爐造粒礦渣等輔助類(lèi)膠凝材料代替水泥。在拌和過(guò)程中，通常將鋼纖維成分在拌和最后一個(gè)環(huán)節(jié)中摻入。

ACI委員會(huì)頒布了纖維增強(qiáng)混凝土正常質(zhì)量范圍對(duì)應(yīng)的不同集料級(jí)配取值范圍，如表2所示。

表2 鋼纖維混凝土級(jí)配范圍

由表2可知，隨著粗骨料尺寸的變化，混合料配比產(chǎn)生變化，表現(xiàn)為隨著骨料尺寸的增加水灰比降低，水泥、鋼纖維和骨料數(shù)量增加，這是由于較小的集料比較大的集料具有更大的比表面積。工業(yè)生產(chǎn)鋼纖維和廢輪胎分離鋼纖維都已被證實(shí)可用于混凝土性能強(qiáng)化，但在使用過(guò)程中依然存在性能不良的情況，多數(shù)都是由纖維摻量過(guò)大（纖維含量的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)2%）導(dǎo)致的結(jié)團(tuán)、纖維摻入速度過(guò)快、纖維摻入順序錯(cuò)誤（纖維一開(kāi)始就摻入）和粗骨料過(guò)多導(dǎo)致[1]。

2 拌合狀態(tài)混凝土性能

2.1 工作性（坍落度）

纖維增強(qiáng)混凝土其增強(qiáng)性能取決于纖維是否均勻分散于混凝土中，大量文獻(xiàn)研究顯示，摻入纖維會(huì)降低混凝土的工作性。Atis和Karahan的研究表明，隨著鋼纖維摻量的增加，施工和易性下降；Mohammadi等研究了長(zhǎng)徑比對(duì)SFRC的影響，研究結(jié)果表明，隨著長(zhǎng)徑比的增加，施工和易性呈線性下降；Figueiredo和Ceccato建議減小長(zhǎng)徑比，以增加混凝土的流動(dòng)性。

即使在相同的水灰比的情況下，SFRC相比普通混凝土也會(huì)更硬且難以拌和，因此人們通過(guò)加入高效引氣劑和減水劑，以增強(qiáng)混凝土的施工和易性和延長(zhǎng)初凝時(shí)間。

Wafa研究表明，纖維增強(qiáng)混凝土的坍落度隨著纖維含量從0%增至2%而降低；Syaidathul和Izni將廢輪胎中提取的鋼纖維摻入混凝土混合物中，研究結(jié)果表明，新鮮制備的混凝土的施工和易性隨纖維含量的增加而降低。因此，可以推斷，工業(yè)生產(chǎn)的鋼纖維和廢輪胎鋼纖維對(duì)施工和易性都有類(lèi)似的影響。

2.2 離析

Mastali和Dalvand研究顯示，坍落度流動(dòng)試驗(yàn)和V形漏斗試驗(yàn)適用于測(cè)試廢輪胎鋼纖維混凝土離析，結(jié)果表明，對(duì)于分散性良好的纖維，纖維與混凝土成分間不會(huì)發(fā)生離析。Figueiredo和Ceccato的研究表明，纖維的存在是阻礙混凝土流動(dòng)的因素，使用短纖維可以減少流動(dòng)性損失。Libre等研究表明，與鋼纖維相比，聚丙烯纖維對(duì)離析的影響較小，研究結(jié)果顯示纖維的存在通常會(huì)在混凝土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少離析[3]。Chen和Liu研究表明混凝土中纖維的存在可防止骨料離析并促進(jìn)混合物的均勻性。因此，通常建議使用短的鋼纖維控制SFRC的離析現(xiàn)象。

3 終凝后混凝土性能

Nasir研究了纖維長(zhǎng)度和纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)廢輪胎鋼纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，纖維長(zhǎng)度分別為20、40、60 mm，體積分?jǐn)?shù)分別為0%，0.5%，1%和1.5%，結(jié)果表明纖維長(zhǎng)度40 mm、體積分?jǐn)?shù)1.5%時(shí)，具有最大抗壓強(qiáng)度。Ndayambaje對(duì)從廢棄輪胎中提取的鋼纖維進(jìn)行了試驗(yàn)，纖維長(zhǎng)度為20、40、60 mm，體積分?jǐn)?shù)為0%、0.3%、0.5%、1%和1.2%，研究表明纖維長(zhǎng)度為40 mm、體積分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，效果最佳[4-5]。

Mastali和Dalvand研究了體積分?jǐn)?shù)（0%、0.25%、0.5%、0.75%）在纖維長(zhǎng)度40 mm下的抗壓強(qiáng)度，研究結(jié)果表明體積分?jǐn)?shù)在0.75%時(shí)獲得最高抗壓強(qiáng)度。Syaidathul和Izni研究了體積分?jǐn)?shù)（0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%）和纖維長(zhǎng)度隨機(jī)分布在20～99 mm之間時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明體積分?jǐn)?shù)為0.4%的WTSF可獲得最佳的抗壓強(qiáng)度結(jié)果[6]。結(jié)果存在差異的原因可能與鋼纖維含量、直徑和抗拉強(qiáng)度的變化有關(guān)。

WTSF抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表3 使用WTSF所得抗壓強(qiáng)度結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文研究了廢輪胎中提取鋼纖維加強(qiáng)混凝土的改性手段，研究表明廢輪胎鋼纖維的新拌混凝土和硬化后混凝土性能差異較大。纖維含量、長(zhǎng)度、直徑和纖維拉伸強(qiáng)度的不同是造成這種差異的主要原因。中混凝土中纖維含量和長(zhǎng)度極易改變，通過(guò)改變這兩項(xiàng)參數(shù)可獲得均勻的鋼纖維混凝土，但纖維直徑和纖維拉伸強(qiáng)度的變化較難控制，因?yàn)殇摾w維的來(lái)源不是工業(yè)生產(chǎn)的，而是一種廢輪胎再生利用產(chǎn)品，其產(chǎn)品差異性較大。