废易拉罐粗纤维增强再生混凝土基本性能

彭全敏， 李文轩， 张慧， 李宏恩， 郭少龙， 李金钊

(1.天津城建大学土木工程学院， 天津 300384； 2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室， 天津 300384； 3.天津城建大学理学院，天津 300384； 4.中国电建市政建设集团有限公司， 天津 300384)

随着建筑业的发展，被广泛使用的混凝土材料一方面在消耗大量的砂石料，另一方面又因基础设施建设、城镇化建设和旧城改造等产生了大量建筑垃圾。为节约自然资源、减少环境污染，用废弃混凝土制成再生骨料来代替天然骨料，用再生混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)代替天然骨料混凝土(natural aggregate concrete, NAC)是建筑业的一条可持续发展之路。然而因再生骨料吸水率高、孔隙率大、强度低等自身缺陷，以此生产出的再生混凝土在力学性能等方面稍逊于普通混凝土[1-4]，如何对其增强成为近些年学术界和工程界研究的热点。

大量科学研究和工程实践都已表明，掺入原生的钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维等可提高再生混凝土的强度、韧性和延性[5-9]，但这些纤维的生产在耗费自然资源的同时还带来二氧化碳排放。为此有学者用废弃物粗加工成纤维来增强再生混凝土。周静海等[10]研究了再生骨料掺量、废丙纶地毯纤维长度和掺量、水灰比等因素对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响报道。Kein等[11]研究了废PET塑料瓶纤维和废塑料袋纤维对再生混凝土力学性能和耐久性能的影响。为最大限度实现固废资源化，尝试用装啤酒、饮料的废易拉罐加工成纤维条，代替原生纤维掺入再生混凝土中，并对纤维再生混凝土进行工作性能和力学性能的试验，探究废易拉罐粗纤维增强再生混凝土的有效性。

1 实验方案

1.1 材料与配合比

胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为表观密度2 610 kg/m3的天然细砂，细度模数2.17。天然粗骨料为碎石，再生粗骨料从再生骨料加工厂购得，二者基本特性如表1所示。为获得较好的流动性采用萘系高效减水剂，自来水拌合。将收集来的易拉罐洗净后取瓶身人工剪成瓶片，游标卡尺测得其厚度为0.1 mm，试验测得其密度为1.113 g/cm3，抗拉强度260～330 MPa，图1为用电子万能试验机对瓶片进行拉伸试验。为制备纤维混凝土，将易拉罐瓶片进一步裁剪成宽1～2 mm，长20、30、40 mm长的纤维状，如图2所示。

表1 粗骨料基本特性Table 1 Basic properties of coarse aggregates

为考查易拉罐纤维的长度和掺量对再生混凝土基本性能的影响，共设计11种配合比，其中两种不掺纤维的天然骨料混凝土和再生骨料混凝土，9种纤维再生混凝土，纤维长度取20、30、40 mm，纤维体积掺量取0.5%、1.0%、1.5%(即5.6、11.0、15.7 kg/m3)。混凝土设计强度为C40，水灰比为0.44，水泥∶细骨料∶粗骨料质量比为391∶643∶1 305，再生混凝土的再生粗骨料取代率为50%，根据骨料吸水率加入附加水，减水剂掺量为水泥质量的1%。

1.2 试件制作与试验加载

采用强制式搅拌机拌合混凝土。搅拌程序为：首先，水泥与易拉罐纤维干拌1 min；随后加入砂与2/3水搅拌1 min；然后加入粗骨料搅拌2 min，最后加减水剂和剩余水搅拌1 min。出料后，对各组新拌混凝土进行坍落度试验。

参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)，每个配合比制作6个边长100 mm的立方体试块，每3个一组分别用于测试立方体抗压强度和劈裂抗拉强度。所有试块用塑料膜覆盖1 d后拆模，在实验室水中养护28 d取出进行力学实验。抗压和劈裂抗拉试验均按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)在力学试验机上进行，加载速率分别为5 kN/s和1.5 kN/s。

图1 废易拉罐瓶片抗拉强度试验Fig.1 Tensile test of waste soft drink can slice

图2 不同长度的废易拉罐纤维Fig.2 Waste can fibers with different length

2 试验结果与分析

2.1 坍落度试验

由新拌混凝土的坍落度值(图3)可知，因再生骨料表面粗糙、吸水率大，RAC的坍落度略低于NAC。易拉罐纤维增强再生混凝土(fiber reinforced recycled aggregate concrete, FRRAC)的坍落度总体上随纤维掺量和长度的增大而下降。当纤维掺量在0.5%时，纤维再生混凝土的坍落度与不掺纤维的再生混凝土、天然骨料混凝土相当，甚至略有提高；纤维掺量超过0.5%后，再生混凝土坍落度大幅下降，但体积掺量在1.0%～1.5%变化时，坍落度变化幅度不大，分别是不掺纤维再生混凝土坍落度的67%～79%和62%～70%。产生该现象的原因是，掺入的纤维增大了混凝土流动的阻力，且纤维越长阻力越大，但因易拉罐纤维较轻薄、表面光滑，小掺量下对混凝土自由流动的阻碍作用不大。鉴于现有文献关于类似废金属纤维增强混凝土或再生混凝土的研究甚少，参考钢纤维混凝土的文献进行比较，陈爱玖等[12]、Shariful等[13]、Gao等[14]有相似报道，随着再生骨料和钢纤维的加入，混凝土的坍落度逐渐减小。

2.2 抗压强度试验

图4显示出各配合比混凝土试件的28 d立方体抗压强度实测平均值。取代率50%再生混凝土的抗压强度比天然骨料混凝土低6%，纤维再生混凝土的抗压强度是天然骨料混凝土强度的81%～98%，是再生混凝土强度的87%～105%，除个别配合比试件的抗压强度较小外，大部分纤维试件的抗压强度与不掺纤维再生混凝土试件相当，易拉罐粗纤维对抗压强度影响不大。纤维掺量及长度对再生混凝土抗压强度的影响如图5所示。

图3 不同混凝土拌合物的坍落度Fig.3 Slump of different concrete mix

图5显示废易拉罐纤维对再生混凝土抗压强度的影响规律不显著，尤其在20 mm短纤维以及0.5%小掺量条件下，此时粗纤维的作用未能很好发挥。究其原因，掺纤维具有双重效应，一方面纤维可跨越裂缝，具有桥接裂缝、传递应力的有利效应；而另一方面，光滑的金属纤维与砂浆的黏结性能差，掺纤维会在混凝土基体中引入新的裂隙或低强度的界面过渡区，带来负面效应。

由图6纤维再生混凝土的扫描电镜照片可以看出，尽管较低水灰比的水泥砂浆可包裹金属纤维表面，但被疏松水泥石包裹后的粗纤维仍与周围水泥石存在明显裂隙。因此，纤维对混凝土抗压强度是增强还是削弱实际是两种效应此消彼长的结果。由图5(a)可知，纤维掺量为1%时，纤维混凝土的抗压强度随纤维长度的增大(20～40 mm)而降低，相对于无纤维的再生混凝土试件，抗压强度由增长4%到下降3%，说明此时纤维的负面效应逐渐增大；掺量为1.5%时，抗压强度随纤维长度的增大(20～40 mm)先降后升，说明掺量增大后20～30 mm短纤维对抗压强度不利，40 mm长纤维对抗压强度最有利，桥接裂缝作用充分发挥，抵消了薄弱界面过渡区带来的负效应。

由图5(b)可知，当纤维掺量大于等于0.5%时，再生混凝土的抗压强度呈现出随30 mm纤维掺量的增大而降低，但随40 mm纤维掺量的增大而提高的趋势，掺1.5%长40 mm纤维的试件抗压强度最高，较无纤维的再生混凝土试件提高5%，表明长

图4 不同类型混凝土的抗压强度Fig.4 Compressive strength of different concrete

图5 废易拉罐纤维对再生混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of waste can fibers on compressive strength of RAC

图6 纤维再生混凝土SEM照片Fig.6 SEM Photograph of FRRAC

纤维随其掺量的增大逐步发挥出较大的正面效应，若继续增大纤维的掺量和长度，再生混凝土抗压强度可能会进一步提高。

陈爱玖等[12]研究发现，再生混凝土的抗压强度随钢纤维的增加(0.5%、1%)而增大3%～10%、5%～13%。Shariful等[13]将50 mm长的低质钢纤维以0.5%、1%的体积分数掺入再生砖骨料混凝土中发现，随钢纤维掺量的增加，各龄期混凝土的圆柱体抗压强度略有提高。Gao等[14]试验得出，再生混凝土抗压强度随30 mm钢纤维掺量(0～2.0%)的增加而增大。高丹盈等[15]研究表明，剪切波纹型、铣削型和切断弓型钢纤维对天然混凝土的抗压增强比分别为 0.93、1.04 和 1.14，对再生混凝土的抗压增强比分别为 0.95、1.18 和 1.23，不同型式的钢纤维对同一再生混凝土基体有利也有弊。因所用的废金属纤维源于废易拉罐人工剪制而成，在材质和尺寸上不如原生纤维控制精准，废易拉罐纤维对再生混凝土抗压强度的影响规律不明显，在再生混凝土抗压强度上的增强效果不如商用原生钢纤维。

2.3 劈裂抗拉强度试验

劈裂抗拉强度是衡量混凝土抗裂的重要指标，反映混凝土抗拉性能。图7显示出各试件28 d劈裂抗拉强度实测平均值。取代率50%的再生混凝土劈裂抗拉强度比天然骨料素混凝土低31%，其抗拉强度降幅大于抗压强度降幅，拉压强度比由天然骨料混凝土的1/11降低到1/14，表明所采用的再生粗骨料对抗拉强度的影响明显大于抗压强度，再生粗骨料大幅削弱混凝土的抗拉能力。相关文献也有类似结论：Dong等[7]研究表明，再生粗骨料取代率为50%和100%的再生混凝土具有与天然骨料混凝土相似或略高的抗压强度，但劈裂抗拉强度却随粗骨料取代率的增大而下降，取代率100%时的劈裂抗拉强度是天然骨料混凝土的67%；何文昌等[16]研究表明，随着再生粗骨料取代率由0提高到50%和100%时，试件的立方体抗压强度值分别降低了4%和7.8%，劈裂抗拉强度值分别降低了9.5%和15.4%，再生骨料对混凝土抗拉强度的劣化大于抗压强度。

图7 不同类型混凝土的劈裂抗拉强度Fig.7 Splitting tensile strength of different concrete

废易拉罐纤维长度和掺量对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响如图8所示。由图8(a)可知，当纤维掺量为0.5%时，掺20 mm纤维的再生混凝土劈裂抗拉强度最高，此后随纤维长度的增大，纤维再生混凝土抗拉强度下降；当纤维掺量为1.0%时，在纤维长度不超过30 mm的条件下，纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度随纤维长度的增大而增长，纤维长度增大到40 mm时，抗拉强度小幅下降；当纤维掺量为1.5%时，纤维再生混凝土的抗拉强度随纤维长度的增大(20～40 mm)而微幅上涨，此掺量下纤维长度对抗拉强度的影响较小。周静海等[17]也对取代率50%的再生混凝土进行劈裂抗拉强度试验，结果是废丙纶地毯纤维掺量为0.08% 时，劈裂抗拉强度随纤维长度的增加先升后降；纤维掺量为0.12%和0.16% 时，再生混凝土劈裂抗拉强度随着纤维长度的增加下降；纤维长度30 mm时，掺量对劈拉强度影响减弱。

由图8(b)可知，纤维从无到有(即掺量从0到0.5%)时，再生混凝土劈裂抗拉强度提升幅度最大；掺量大于0.5%后，再生混凝土劈裂抗拉强度小幅增长或下降，纤维掺量为1.5%时抗拉强度最低，此时各纤维长度下的混凝土劈裂抗拉强度相近。对于20 mm的纤维，在掺量为0.5%时纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度最高，较不掺纤维的再生混凝土增长48%，之后强度随掺量逐渐下降，增幅降低到25%；对于30 mm和40 mm的纤维，当掺量不超过1.0%时，纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度随纤维掺量的增大较再生混凝土强度分别增长40%～47%和39%～41%，超过此掺量后强度下降，增幅降至25%和27%。可见，纤维掺量过大不利于混凝土抗拉强度的提高，掺少量的短纤维比大量的长纤维更益于混凝土抗拉性能的增强。

图8 废易拉罐纤维对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.8 Effect of waste can fibers on splitting tensile strength of RAC

图9为40 mm易拉罐纤维增强再生混凝土劈裂抗拉试件破坏后的断裂面，可以看出，当纤维较长且掺量较大时，纤维易弯曲折叠于断面，导致纤维作用未能有效发挥，试件抗拉强度反而低于同长度低掺量试件。不同纤维类型对混凝土抗拉性能的影响不同，张丽娟等[18-19]掺入体积分数0.5%～2%长约30 mm钢纤维后，再生混凝土的劈拉强度随钢纤维体积分数的增加而增大；周静海等[17]在取代率50%的再生混凝土中掺入长度12、19、30 mm废弃丙纶地毯纤维后发现劈裂强度均有所提高，纤维掺量不超过0.12%时强度随纤维掺量的增加而增大，纤维掺量0.12%～0.16%随纤维掺量的增多而减小。

3 结论

采用废易拉罐剪制成20、30、40 mm长纤维条，以0.5%、1.0%、1.5%的体积分数掺入再生混凝土，探究纤维对再生混凝土性能的影响，得出如下结论。

(1)再生粗骨料对抗拉强度的影响明显大于抗压强度，再生粗骨料对混凝土的抗拉强度的劣化程度明显大于抗压强度。

(2)废易拉罐粗纤维掺量较小(0.5%)时，纤维再生混凝土的流动性与不掺纤维再生混凝土相当；掺量较大(1.0%～1.5%)时，纤维再生混凝土的坍落度随纤维掺量和长度的增大而减小。

(3)废易拉罐粗纤维对再生混凝土抗压强度的影响不明显，尤其在短纤维以及小掺量条件下增长效应不大，但对再生混凝土劈裂抗拉强度的增强效果显著。掺废易拉罐粗纤维后，再生混凝土的劈裂抗拉强度可达到天然骨料混凝土强度的86%～102%，是再生混凝土强度的1.25～1.48倍；掺量为0.5%、长度20 mm纤维的再生混凝土试件劈裂抗拉强度最高，而各纤维长度均在掺量为1.5%时，纤维再生混凝土的抗拉强度最低，掺少量的短纤维比大量的长纤维更能大幅提高再生混凝土抗拉强度。

(4)尽管废易拉罐纤维对再生混凝土抗压强度的影响规律不如原生纤维显著，但基于研究结果，用废易拉罐作为再生混凝土的纤维增强材料是环保可行的，可考虑对废易拉罐进行分拣，并机械加工成统一规格的纤维，开展废易拉罐纤维增强再生混凝土的深入研究。