废旧轮胎钢纤维在混凝土中的应用

李 毅

（浙江浙交检测技术有限公司，浙江杭州 310015）

出于对可持续发展与环境保护的需求，将废轮胎用于改善混凝土性能已成为当前行业研究的热点。人口不断增长、高速城镇化以及生活水平的不断提高，使得车辆数量大幅增加，造成了环境污染问题。据调查可知，印度的废旧轮胎数量约为每年1.12亿个，汽车轮胎的平均寿命通常仅有10年，大量的废轮胎的产生使得如何处置废弃的轮胎成为亟待解决的问题。

大多数发展中国家由于填埋深度不够、处理设施落后和缺乏技术手段将废轮胎回收加工程有价值的产品，使其大量占用自然空间并污染环境。

1 废轮胎中钢纤维性能与SFRC的制备

废轮胎中所获得的钢纤维通常为线性，部分存在轻微变形。纤维的直径在0.23～1.8 mm，其直径取决于使用的分离方法。通过粉碎废轮胎分离的纤维直径约为0.23 mm，通过微波诱导热解分离的纤维直径在0.8～1.5 mm。废轮胎中分离的钢纤维通常表面光滑，其长度分布广泛。长纤维的长度通常在19～60 mm，将长纤维掺入混凝土中可以有效地消除裂纹，并为硬化后的混凝土提供结构强度。短纤维的长度通常在2～10 mm。钢纤维物理特性由长径比定义，WTSF和ISF的技术性能比较如表1所示。

表1 钢纤维物理特性对比

由于纤维直径足够小，因此可以随机分散在混凝土中。Amuthakkanna认为混凝土拌和过程中纤维的均匀分散后通过纤维与混凝土的黏附力使得钢纤维混凝土力学性能大幅提升。Bentur和Mindess将纤维增强混凝土描述为一种由两相混凝土组成的复合材料，代表基体相的混凝土，纤维成分代表包裹体相。

根据Nasir研究显示，基体强度、纤维模量、纤维类型、纤维长径比、纤维强度、纤维表面黏结特性、纤维取向、纤维含量和聚集体尺寸效应被证明与钢纤维混凝土的弹性模量密切相关，混凝土中的钢纤维通过改善混凝土早期的抗拉和抗弯强度，提高混凝土的抗干缩和塑性收缩能力。

Chanh研究表明，钢纤维混凝土所需的水泥和骨料含量高于普通混凝土，说明适用于两种混凝土的混合料级配设计有所不同，为减少实际使用过程中所需的水泥，可以使用粉煤灰、硅石、石灰石、钢渣粉、稻壳灰、偏高岭土、高炉造粒矿渣等辅助类胶凝材料代替水泥。在拌和过程中，通常将钢纤维成分在拌和最后一个环节中掺入。

ACI委员会颁布了纤维增强混凝土正常质量范围对应的不同集料级配取值范围，如表2所示。

表2 钢纤维混凝土级配范围

由表2可知，随着粗骨料尺寸的变化，混合料配比产生变化，表现为随着骨料尺寸的增加水灰比降低，水泥、钢纤维和骨料数量增加，这是由于较小的集料比较大的集料具有更大的比表面积。工业生产钢纤维和废轮胎分离钢纤维都已被证实可用于混凝土性能强化，但在使用过程中依然存在性能不良的情况，多数都是由纤维掺量过大（纤维含量的体积分数超过2%）导致的结团、纤维掺入速度过快、纤维掺入顺序错误（纤维一开始就掺入）和粗骨料过多导致[1]。

2 拌合状态混凝土性能

2.1 工作性（坍落度）

纤维增强混凝土其增强性能取决于纤维是否均匀分散于混凝土中，大量文献研究显示，掺入纤维会降低混凝土的工作性。Atis和Karahan的研究表明，随着钢纤维掺量的增加，施工和易性下降；Mohammadi等研究了长径比对SFRC的影响，研究结果表明，随着长径比的增加，施工和易性呈线性下降；Figueiredo和Ceccato建议减小长径比，以增加混凝土的流动性。

即使在相同的水灰比的情况下，SFRC相比普通混凝土也会更硬且难以拌和，因此人们通过加入高效引气剂和减水剂，以增强混凝土的施工和易性和延长初凝时间。

Wafa研究表明，纤维增强混凝土的坍落度随着纤维含量从0%增至2%而降低；Syaidathul和Izni将废轮胎中提取的钢纤维掺入混凝土混合物中，研究结果表明，新鲜制备的混凝土的施工和易性随纤维含量的增加而降低。因此，可以推断，工业生产的钢纤维和废轮胎钢纤维对施工和易性都有类似的影响。

2.2 离析

Mastali和Dalvand研究显示，坍落度流动试验和V形漏斗试验适用于测试废轮胎钢纤维混凝土离析，结果表明，对于分散性良好的纤维，纤维与混凝土成分间不会发生离析。Figueiredo和Ceccato的研究表明，纤维的存在是阻碍混凝土流动的因素，使用短纤维可以减少流动性损失。Libre等研究表明，与钢纤维相比，聚丙烯纤维对离析的影响较小，研究结果显示纤维的存在通常会在混凝土中形成网状结构，减少离析[3]。Chen和Liu研究表明混凝土中纤维的存在可防止骨料离析并促进混合物的均匀性。因此，通常建议使用短的钢纤维控制SFRC的离析现象。

3 终凝后混凝土性能

Nasir研究了纤维长度和纤维体积分数对废轮胎钢纤维增强混凝土抗压强度产生的影响，纤维长度分别为20、40、60 mm，体积分数分别为0%，0.5%，1%和1.5%，结果表明纤维长度40 mm、体积分数1.5%时，具有最大抗压强度。Ndayambaje对从废弃轮胎中提取的钢纤维进行了试验，纤维长度为20、40、60 mm，体积分数为0%、0.3%、0.5%、1%和1.2%，研究表明纤维长度为40 mm、体积分数为1.2%时，效果最佳[4-5]。

Mastali和Dalvand研究了体积分数（0%、0.25%、0.5%、0.75%）在纤维长度40 mm下的抗压强度，研究结果表明体积分数在0.75%时获得最高抗压强度。Syaidathul和Izni研究了体积分数（0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%）和纤维长度随机分布在20～99 mm之间时对抗压强度的影响，结果表明体积分数为0.4%的WTSF可获得最佳的抗压强度结果[6]。结果存在差异的原因可能与钢纤维含量、直径和抗拉强度的变化有关。

WTSF抗压强度结果如表3所示。

表3 使用WTSF所得抗压强度结果

4 结语

综上所述，本文研究了废轮胎中提取钢纤维加强混凝土的改性手段，研究表明废轮胎钢纤维的新拌混凝土和硬化后混凝土性能差异较大。纤维含量、长度、直径和纤维拉伸强度的不同是造成这种差异的主要原因。中混凝土中纤维含量和长度极易改变，通过改变这两项参数可获得均匀的钢纤维混凝土，但纤维直径和纤维拉伸强度的变化较难控制，因为钢纤维的来源不是工业生产的，而是一种废轮胎再生利用产品，其产品差异性较大。