纖維增強再生骨料混凝土的力學與耐久性能研究現(xiàn)狀

楊文棟，孫成剛

(1 東北林業(yè)大學 土木與交通學院， 黑龍江 哈爾濱 150040；2 南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210042)

將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級，按照特定比例與級配混合砂、石等天然骨料后，再加入溶劑和膠凝材料，所形成的新混凝土稱為再生混凝土，主要包括再生粗骨料混凝土和再生細骨料混凝土[1-2]。當前國內(nèi)建筑工程中，地基加固、砌體墻和室外地坪墊層等施工中通常會使用一定量的再生混凝土，以提高廢棄混凝土利用率，但應用范圍相對有限，應用量較少，也尚未從根本上解決廢棄混凝土處理問題。如能充分實現(xiàn)廢棄混凝土的再利用，則能降低混凝土成本并節(jié)省天然骨料，緩解當前建筑工程中存在的骨料供需矛盾問題，提高工程經(jīng)濟效益，推動社會可持續(xù)發(fā)展。相較于普通混凝土，再生骨料混凝土流動性相對較差，其中加入的纖維成分能提高再生混凝土韌性，抑制混凝土結(jié)構(gòu)收縮并提高抗拉強度。目前常用的廢棄纖維主要包括滌綸纖維破碎材料、廢棄丙綸地毯等[3]，這類廢棄纖維可以作為再生混凝土增強材料，改善再生混凝土應用性能，避免由于填埋處理導致的廢棄纖維浪費，可節(jié)約資源，實現(xiàn)環(huán)保效果。

作為新型綠色材料，再生混凝土的應用實現(xiàn)了建筑垃圾的資源化處理，同時避免了傳統(tǒng)建筑工程中建筑垃圾難以處置的問題，符合可持續(xù)發(fā)展理念，有效提升建筑工程經(jīng)濟和社會效益，有利于推動城市建設工作的有序開展。但再生骨料相較于天然骨料而言，密度更低，孔隙率更大，且具有較高吸水率，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也十分復雜[4]。為探究不同纖維對再生混凝土性能的影響，本文分析了碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維和聚丙烯醇纖維等材料對再生混凝土改性的增強效果，并探究纖維增強再生混凝土的耐久性能、力學性能變化，以期推動再生混凝土在建筑行業(yè)中的推廣應用。

1 纖維材料概述

纖維增強再生骨料混凝土的性能由纖維改性增強，纖維的品種和長度都會對材料最終力學性能、耐久性能和工作性產(chǎn)生影響，因而建筑工程中實際應用纖維時，需要首先通過試驗進行探究分析。為確保再生混凝土的增強效果，保證纖維再生混凝土的抗拉性能、抗劈裂性能，有效改善再生骨料混凝土抗?jié)B性和抗碳化性能，試驗所選纖維應當具備大于再生骨料混凝土的彈性模量。

當前，國內(nèi)學界開展纖維再生骨料混凝土相關試驗所選取的纖維材料主要包括廢舊纖維、玻璃纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維，除此之外也有研究應用碳纖維、聚丙烯醇纖維等開展試驗。國內(nèi)以纖維為增強劑的再生骨料混凝土試驗中，纖維材料可大致分為無機纖維和有機纖維。其中，無機纖維有玄武巖纖維、硼纖維、玻璃纖維、鋼纖維、陶瓷纖維等，有機纖維包含PI纖維、M5纖維、PBI纖維、PBO纖維、PE纖維、丙綸纖維、錦綸纖維、腈綸纖維和滌綸纖維等。國外開展類似試驗所用纖維和國內(nèi)存在一定差別，但都是為探究再生骨料混凝土有關性能與纖維材料之間的關系。

2 纖維增強再生混凝土力學性能

2.1 抗壓強度

張耀宗[5]選定0.15%體積率聚丙烯醇纖維和100%、70%、30%、0%替代率再生骨料，根據(jù)一定配合比制備再生混凝土，并分析其各項性能。結(jié)果顯示，再生粗骨料替代率100%條件下，再生混凝土在加入0.15%體積摻量聚丙烯醇纖維后，抗壓強度提升15.34%，制備所得再生混凝土抗壓強度接近未加入纖維的天然骨料混凝土。孫呈凱等[6]通過試驗分析得到了類似結(jié)論，試驗中再生骨料替代率為30%，在水灰比0.50條件下，聚丙烯醇纖維體積摻量達到0.10%時為再生混凝土的最佳配合比。江濤鋒等[7]試驗結(jié)果顯示，聚丙烯纖維體積摻量0.15%時，再生骨料替代率50%條件下的再生骨料抗壓強度達到峰值，相較未摻纖維的天然骨料混凝土提升21.0%。

姚艷芳[8]通過試驗獲得了相似結(jié)果，試驗表明，再生混凝土摻入0.15%聚丙烯醇纖維改性時，再生粗細骨料替代率100%條件下，制備材料具有最高抗壓強度，進一步提升纖維摻量會引起基體孔隙率上升，導致材料后期強度下降。張玉廷等[10]分析了塑鋼短纖維、聚丙烯腈纖維復摻條件下的再生混凝土各項性能，結(jié)果顯示摻入0.3%塑鋼短纖維、1.0%聚丙烯腈纖維條件下，再生纖維混凝土的抗壓強度提升最明顯。于婧等[11]提出了一種新型混雜鋼纖維增強混凝土的配合比計算方式，并進行試驗探究：首先通過計算獲取水泥漿水膠比，結(jié)合砂包裹情況、纖維摻雜情況具體確定砂率，在混凝土和易性滿足要求的基礎上確定實驗室配合比，而后進行力學性能測定。結(jié)果顯示，水膠比為0.40條件下，混凝土的最佳纖維體積摻量在1.5%以下，此時所得材料的28d力學性能達到最大值。

2.2 抗折強度

歸納分析現(xiàn)有文獻，分析鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維摻加后再生混凝土抗折強度變化。李娜等[12]分析不同聚丙烯纖維摻量下再生骨料混凝土的抗折強度變化，結(jié)果顯示再生骨料摻量和聚丙烯纖維摻量分別為30%、1.0%條件下，再生骨料混凝土抗折強度比天然骨料混凝土提升38.0%。元成方等[13]通過試驗探究廢棄磚、廢棄混凝土混摻條件下，再生骨料混凝土摻加聚丙烯纖維后性能變化，結(jié)果顯示摻入0.13%體積摻量聚丙烯纖維后，再生骨料混凝土抗折強度比未摻纖維時提升13.3%。除此之外，還有學者通過試驗分析了廢棄纖維再生混凝土的結(jié)構(gòu)承載性能[14]，探究再生骨料、纖維體積、纖維長度不同條件下，摻入纖維對再生混凝土的力學性能影響，并總結(jié)抗折強度計算表達式，為建筑工程應用廢棄纖維再生混凝土梁奠定了理論基礎。

2.3 劈裂抗拉強度

周陳旭等[15]探究了再生骨料替代率20%時，鋼纖維體積摻量分別為2.0%、1.5%、1.0%和0.5%條件下再生混凝土的劈裂抗拉強度，結(jié)果顯示，再生混凝土劈裂強度隨鋼纖維體積摻量提升，表現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，其中材料劈裂抗拉強度在鋼纖維體積摻量1%條件下達到最大值，為7.69MPa。然而楊瀟等[16]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的劈裂抗拉強度影響因素中，鋼纖維體積率的影響較大，再生骨料取代率影響較小，因此，應用適當摻量的鋼纖維能顯著提升混凝土劈裂抗拉強度，推薦最佳配合比條件下，再生骨料取代率為50%，鋼纖維體積率為2.4%。

學者周靜海等[17]分析了廢棄紡織纖維用于改善再生混凝土性能的應用效果，探究不同種類紡織纖維、纖維體積摻量、纖維長度、再生混凝土的養(yǎng)護時間、水灰比、取代率等對再生混凝土拌和物抗拉強度、和易性的影響，并提出廢棄纖維再生混凝土配合比設計方法，為建筑工程應用廢棄紡織纖維再生混凝土提供理論依據(jù)。另外，通過配合比試驗與微觀分析，探究了廢棄纖維混凝土的工程應用[18]，結(jié)果顯示摻入廢棄纖維后混凝土抗拉強度顯著提升，應用廢棄纖維再生混凝土有利于提高再生骨料利用率，降低工程造價，拓展廢棄纖維應用范圍，促進固體廢棄物治理工作的有序開展。

3 纖維增強再生混凝土耐久性

3.1 抗凍性

王麗丹等[19]設計正交試驗，探究聚丙烯纖維再生混凝土抗凍性能，結(jié)果顯示：摻入0.9kg/m3聚丙烯纖維，再生骨料替代率50%條件下，混凝土抗凍強度達到峰值，為基準組的106.8%；摻入聚丙烯纖維后，混凝土抗凍融性能顯著提升；再生骨料替代率、粉煤灰摻量對材料抗凍性能影響最大，聚丙烯纖維摻量的影響次之。然而，對比張玉廷等[10]的研究成果可知，摻入10%硅灰、0.2%塑鋼纖維、1.0%聚丙烯腈纖維條件下，再生骨料混凝土抗凍性能達到最大，其中鋼纖維、硅灰和聚丙烯腈纖維在再生骨料混凝土抗凍性能影響因素中比重最大。李金澤等[9]研究結(jié)果顯示，摻入0.9kg/m3聚丙烯纖維，再生骨料取代率60%條件下，再生骨料抗凍性能有效提升。陳愛玖等[20]設計正交試驗分析了再生骨料混凝土抗凍性能的主要影響因素，結(jié)果顯示，摻合料的種類、再生骨料摻量對混凝土抗凍性能影響效果顯著。

3.2 抗?jié)B性

姜健等[21]研究了聚丙烯纖維摻量不同條件下混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果顯示在一定水灰比條件下，聚丙烯纖維摻量從0%提升至10%時，抗?jié)B等級提升范圍為P8到P13，聚丙烯纖維的最佳摻量在7%～10%之間。顧月芹[22]通過試驗探究發(fā)現(xiàn)，摻入0.2%聚丙烯纖維時再生混凝土抗?jié)B性能得到明顯改善，而摻入聚丙烯纖維體積摻量在0.4%以上時，不摻纖維和摻入纖維試件的滲水高度基本一致。

3.3 抗碳化性能

楊瀟等[16]試驗分析結(jié)果顯示，隨摻入鋼纖維體積率提升，再生混凝土碳化深度先降低后提升，摻入1.8%體積率鋼纖維，再生骨料取代率50%時，鋼纖維再生混凝土碳化深度達到最小值，密實度較大，具有最佳的抗碳化性能。閆春嶺等[23]分析了再生混凝土抗碳化性能在鋼纖維摻量、再生粗骨料取代率、水灰比不同條件下的變化，結(jié)果顯示鋼纖維體積率對鋼纖維再生混凝土碳化過程產(chǎn)生的影響最明顯，其次為再生粗骨料取代率，水灰比影響最小。閆春嶺等人研究顯示，再生混凝土碳化深度在摻入1.0%體積率鋼纖維時降低，可見摻入鋼纖維有助于抑制再生混凝土的碳化現(xiàn)象。還有學者[24]分析了再生混凝土中摻入廢棄纖維的應用效果，分析再生混凝土碳化深度、碳化程度和抗壓強度在碳化時間、濃度不同條件下的變化，總結(jié)廢棄纖維再生混凝土碳化深度的各項計算公式，為深入分析再生混凝土的抗碳化性能提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

在建筑行業(yè)應用的再生骨料混凝土中，選用的再生骨料雖獲取便利、來源廣泛，但性能差異巨大，限制了其大規(guī)模的推廣應用。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，混凝土生產(chǎn)工藝、配合比設計方法均已成熟，但目前工程實踐中依舊存在原材料質(zhì)量波動頻繁的問題，使得混凝土配合比調(diào)整困難，引發(fā)混凝土質(zhì)量問題，這也是目前進一步強化混凝土質(zhì)量控制效果的主要方向。鑒于此，給出如下建議：

（1）未來需進一步深入分析再生細骨料、再生粗骨料和混合再生骨料的體系化建設，包括分類、生產(chǎn)和質(zhì)量標準等。

（2）再生骨料混凝土耐久性能影響因素眾多，減水劑種類、礦物摻合料類型、纖維品種等都會產(chǎn)生影響，目前學界雖已有大量研究，但還需要進行歸納整理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化、信息化。

（3）建筑行業(yè)針對再生纖維的報道不多，且涉及再生混凝土抗碳化、抗侵蝕及抗?jié)B性能的研究大多停留在單一因素影響條件下，因此還需要通過正交試驗法，綜合分析多種因素復合影響下的再生混凝土性能差異，這也將是后續(xù)研究的主要方向。