纤维增强再生混凝土抗拉性能的研究进展①

□□ 陆 俊，王建苗，李 静，桑 伟，张彧铭

(1.浙江永坚新材料科技股份有限公司，浙江 绍兴 312369；2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

引言

随着城市化进程的发展，伴随着新建筑的建造和旧结构的拆除，导致大量建筑垃圾的产生。把拆除后的混凝土破碎成再生粗骨料取代天然骨料是有效处理此类建筑垃圾的一种方式，常用于路基基层。用再生骨料制备再生混凝土(RAC)，建造再生混凝土结构是混凝土骨料可持续发展的重要途径之一，可保护环境、节约资源。上海某再生混凝土示范性高层建筑如图1所示，该工程结构高49.2 m，建筑面积为15 000 m2，再生骨料取代率为30%。但再生骨料相比天然骨料具有更高的孔隙率、更低的表观密度和更高的压碎值[1-2]，用再生骨料代替天然骨料制备的RAC，其抗拉强度明显降低。为了降低再生骨料表层粘附老砂浆带来的不利影响，许多学者提出了不同的方法来提高RAC性能，如添加纳米材料、矿粉等外加剂[3]，机械处理、热处理和酸处理去除再生骨料表层粘附的老砂浆[4-5]、改变搅拌工艺以及掺加纤维[6]。据研究发现掺入纤维可显著提升RAC抗拉强度，这主要是由于纤维对裂缝的萌发和扩展起到了抑制作用[7]。

图1 再生混凝土示范性工程

一般在混凝土中使用的纤维可分为天然纤维和人造纤维，天然纤维主要来源于剑麻、竹子、黄麻、叶子等，人造纤维主要有钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维等[8]。已有不少学者研究了人造纤维对RAC力学性能的影响，本文将系统分析不同类型人造纤维对RAC抗拉强度的影响。

1 钢纤维增强再生混凝土的抗拉强度

钢纤维通常由冷拉钢丝、钢板和其他形式的钢制成。钢纤维具有抗拉强度高、延性好、耐疲劳等特点。另外由于金属纤维具有波纹表面，钢纤维与混凝土之间有良好的粘结作用[9]。Afroughsabet V等[10]通过对比试验发现，1%掺量的钢纤维对RAC抗拉强度的提升比对NAC更为明显，可见RAC内部再生骨料粗糙的表面使钢纤维与之产生了更好的粘结[10-11]。

有关研究表明，钢纤维可显著提升RAC的抗拉强度[12-13]，图2显示了不同钢纤维掺量对RAC抗拉强度的影响。由图2可见，随着钢纤维掺量增加，RAC抗拉强度逐渐增加，推测钢纤维较高的抗拉强度、弹性模量、锚固性能有效阻止了RAC中裂缝的形成和扩展[10]。然而，金宝宏、安学旭等[13-14]发现随着钢纤维的持续掺入，RAC抗拉强度出现了下降趋势，这可能是由于过量钢纤维的掺入，导致纤维在RAC拌和过程中成团，形成了薄弱区域。除此之外，唐佳军等[15]人采用一次端钩型钢纤维和两次端钩型钢纤维组成的混杂钢纤维，通过分层人工均匀撒布一定量的钢纤维，发现钢纤维随着撒布层数的增加，RAC抗拉强度也随之增加，撒布层数为7层时，RAC抗拉强度增长最大，较基准RAC提高了36.1%。也有学者对比了钢纤维与其他纤维对RAC抗拉强度的影响，比较发现钢纤维对RAC抗拉强度的提升更加有效[16-17]，这是由于钢纤维具有较高的抗拉强度以及钩型的端部，与RAC粘结锚固作用更强[17]。

图2 钢纤维掺量对RAC抗拉强度的影响[9,18-23]

2 聚合纤维增强再生混凝土抗拉强度

聚合纤维根据其原料和生产工艺可分为合成纤维和天然纤维。其中合成纤维包括聚丙烯纤维(PP)、聚乙烯醇纤维(PVA)和聚乙烯纤维(PE)等。合成纤维不易受腐蚀、碱性反应、酸性水、盐、氯、化学品和微生物等的影响[24]。聚丙烯纤维强度较高，耐酸耐碱，并且价格低廉。然而，在热、氧、紫外线等外界因素作用下易发生化学变化，恶化其使用性能。另外，由于聚丙烯纤维化学结构的规整性和极性功能的缺乏，以及表面的光滑性使得纤维与水泥基体间的粘结性能较差，限制了聚丙烯纤维在高性能混凝土中的有效应用。聚乙烯纤维具有疏水性，它的力学性能主要取决于分子量和玻璃化转变温度[25]。合成纤维往往价格昂贵，在生产过程中需要消耗大量能源，且无法完全生物降解。天然纤维主要包括动物纤维(如丝绸和羊毛纤维)和植物纤维(如大麻、亚麻和剑麻加工的特殊纤维)[26]。

大量学者研究聚丙烯纤维增强RAC的性能，与钢纤维增强RAC类似，聚丙烯纤维掺入能够有效提升RAC抗拉强度(如图3所示)。聚丙烯纤维能够在混凝土破坏时起到桥接作用，转移应力到聚丙烯纤维上，从而提升RAC抗拉强度[27]。但聚丙烯纤维掺量过多，也会引起RAC抗拉强度的降低[28-30]，Das C S等[29]认为这是由于在劈裂过程中纤维端部和较短纤维中应力较高，而纤维掺量的增加使得临界点增加，使得抗拉强度有所降低。另外，随着再生骨料取代率的变化，最佳纤维掺量也随之变化，Das C S等[29]发现再生骨料取代率为100%时，掺入0.5%纤维对再生混凝土的抗拉强度提升效果最佳。另外，也有学者发现再生骨料取代率为15%、30%时，纤维掺量为1.5%的RAC抗拉强度最大，而再生骨料取代率为45%时，纤维掺量为1%的RAC抗拉强度最大[30]。此外，聚丙烯纤维长度对抗拉强度有所影响，周静海等[31]发现长度为19 mm的聚丙烯纤维比长度为12 mm和30 mm的聚丙烯纤维对RAC抗拉强度的提升作用更大。除了聚丙烯纤维外，孙呈凯等[32]试验测试表明掺入聚乙烯醇纤维也可提高RAC抗拉强度。

图3 聚丙烯纤维对RAC抗拉强度的影响[27-30,33-35]

3 无机纤维增强再生混凝土抗拉强度

3.1 玄武岩纤维增强再生混凝土抗拉强度

关于无机纤维，研究较多的为玄武岩纤维，玄武岩为火山岩中得到的天然物质，熔融温度在1 500～1 700 ℃之间。通过熔融纺丝拉伸工艺，在极高温的条件下，将玄武岩高温熔融，再通过喷丝板拉伸得到玄武岩纤维。玄武岩纤维有较高的弹性模量、抗拉强度和极限应变率，耐碱性能良好；另外玄武岩纤维的导热系数极低，具有一定的隔声性和绝缘性，阻燃、防爆性好，且成本较低；然而，玄武岩纤维质量与母材质量、种类以及生产工艺密切相关[36]。

Katkhuda H等[5]发现掺入短切玄武岩纤维对RAC抗拉强度提升非常明显，再生骨料取代率为20%时，掺入1.5%的玄武岩纤维，RAC抗拉强度较未掺纤维时增强了40%，且增强效果明显比普通混凝土高。并且，用盐酸浸泡去除再生骨料表层老砂浆后，掺入1%～1.5%的玄武岩纤维，RAC抗拉强度比等掺量纤维增强NAC抗拉强度高。FANG S E等[16]也发现掺入玄武岩纤维后RAC抗拉强度有明显的增加。图4给出了RAC抗拉强度与玄武岩纤维掺量的关系，从图4可见，存在玄武岩纤维降低RAC抗拉强度的情况。DONG J F[7,37]、FANG S G[16]等也发现了这种现象，DONG J F等[7]认为这可能是由于玄武岩纤维与水泥的化学反应导致粘结减弱。李晓路等[38]对不同取代率下的玄武岩纤维增强再生混凝土做了试验研究，测试表明再生骨料取代率<70%时，RAC抗拉强度随着纤维掺量(0～0.3%)的增加先增大后减小再增大；当再生骨料取代率>70%时，RAC抗拉强度先增大后减小，但仍比未掺纤维时RAC抗拉强度大。此外，WANG Y G等[39]发现再生骨料取代率为50%时的RAC抗拉强度最大，这是由于在100%再生骨料取代率下，骨料本身缺陷较多，而且玄武岩纤维与水泥基体的反应导致再生骨料与玄武岩纤维粘结减弱。

图4 玄武岩纤维对RAC抗拉强度的影响[7,16,40-42]

3.2 玻璃纤维增强再生混凝土抗拉强度

玻璃纤维具有较好的耐火、拉伸强度和耐化学性质[43]。然而玻璃纤维质脆易断，在搅拌过程中易受到损坏；另外玻璃纤维耐碱性差，仅能在低碱水泥混凝土中使用或采用耐碱玻璃纤维，使其使用范围也受到较大的限制。姚运等[44]试验研究了玻璃纤维增强RAC的力学性能，发现随着再生粗骨料取代率的增加，RAC抗拉强度呈下降趋势。Ali B等[17]发现再生骨料取代率为50%、100%时，玻璃纤维最佳掺量在0.5%～0.75%之间，RAC抗拉强度最大可提高19%。

4 碳纤维增强再生混凝土抗拉强度

碳原子之间可以形成特殊的共价键，一维下碳原子排列产生超高强度纤维，俗称碳纤维[45]。碳纤维是一种环保无害的新型有机材料，不仅强度高，而且还具有耐超高温、耐疲劳、耐腐蚀等多种优越的力学性能。目前主要有两类碳纤维，分别为聚合碳纤维和碳纳米纤维[46]。

图5给出了碳纤维掺量与RAC抗拉强度的关系，掺入碳纤维对抗拉强度有明显的提升作用，碳纤维掺量在0.3%左右时达到了最佳[47]。此外，郭磊等[48]发现碳纤维对RAC抗拉强度的提升作用要高于抗压强度，这可能是因为RAC中存在的微小裂缝对于抗拉强度的影响要远大于抗压强度，碳纤维对裂缝的抑制作用改善了抗拉强度。

图5 碳纤维对RAC抗拉强度的影响[47,49]

5 混杂纤维增强再生混凝土抗拉强度

把两种或两种以上不同性质纤维混合掺入混凝土，纤维与纤维之间会互相弥补不足，发挥“正混杂效应”，从而获得更好的增加韧性和阻止裂缝扩展的作用[50-51]。

据研究发现，混掺聚丙烯和钢纤维相比于单掺时，RAC抗拉强度提升更大，章文娇等[51]比较钢纤维和聚丙烯纤维的单掺和混掺效果，发现单掺钢纤维和聚丙烯纤维时，随着纤维掺量的增加，RAC抗拉强度随之增加；在混掺钢纤维和聚丙烯纤维时，当聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3、0.9 kg/m3时，混杂纤维对RAC抗拉强度的提升作用明显高于单掺，提高达53.8%；但聚丙烯纤维掺量为1.2 kg/m3时，RAC抗拉强度有所降低。孔祥清等[52]发现在钢纤维和聚丙烯纤维混合掺入时，随着聚丙烯纤维和钢纤维掺量的增加，RAC抗拉强度随之提升；混掺0.6 kg/m3聚丙烯纤维和117 kg/m3钢纤维相比于未掺纤维时，RAC抗拉强度提升了57.88%；但高于0.6 kg/m3聚丙烯纤维的掺量，过多的聚丙烯纤维对RAC抗拉强度的提升变缓。此外，TIAN S S等[53]研究了聚丙烯纤维与玄武岩纤维的混掺效果，当混掺纤维掺量为0.3%时，调整两种纤维的混合比例，发现随聚丙烯纤维比例的增加，RAC抗拉强度增加。AN H等[54]试验研究了掺入不同长度的玄武岩纤维以及聚丙烯纤维对RAC抗拉强度的影响，发现聚丙烯纤维长度为6～12 mm时降低了RAC抗拉强度，降幅达33.9%～45.5%。而掺入长度为19 mm的聚丙烯纤维后，RAC抗拉强度提升了13.3%，这可能是由于合适的纤维长度形成了“支撑网络结构”，有效阻止了裂缝的发展，减小了应力集中。

6 结语

通过介绍各类纤维的特性，较系统论述了钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维及混掺纤维对再生混凝土抗拉强度的影响，得出如下结论：

(1)相比于其他类型纤维，钢纤维粗糙的表面及特种弯曲端钩，都有效增加了钢纤维与RAC的粘结，可显著提升RAC的抗拉强度。

(2)聚合纤维耐酸耐碱，不易受腐蚀，但其表面较为光滑，一定程度上降低了聚合纤维与RAC基体的粘结，在聚合纤维分散良好条件下，仍可较大程度地提升RAC的抗拉强度。

(3)玻璃纤维因其耐碱性差、脆性易断，在RAC强碱性基体中的应用受到较大程度的限制。玄武岩纤维可提高低再生骨料取代率混凝土的抗拉强度，而对高再生骨料取代率混凝土抗拉强度的贡献不明显。

(4)碳纤维虽然强度高、耐超高温、耐疲劳、耐腐蚀，可显著增强RAC抗拉强度，但碳纤维价格高，经济性差，难以广泛用于增强RAC抗拉强度的工程实践。

(5)在合适的复合纤维混掺比例和掺量条件下，由于纤维复掺的“正混杂效应”，纤维复掺比单掺可更有效地提升RAC抗拉强度。

已有研究在纤维增强RAC抗拉强度方面取得了一定的研究成果，以后可重点关注以下研究方向：

(1)系统研究纤维长度、长径比、表面形貌等因素对RAC抗拉强度的影响。

(2)系统研究纤维掺量对RAC抗拉强度的影响，确定最优纤维掺量和复掺比例。

(3)由废旧轮胎可制备废弃钢纤维，由废弃织物可制备废弃织物纤维。未来可加强废弃纤维增强RAC抗拉强度的研究。

(4)综合考虑纤维的耐久性、经济性、环保性以及增强效果，选择合适纤维类型增强RAC抗拉强度。