聚乙烯纤维对再生混凝土性能的影响

梁 靖，刘胜兵，郑宇航

武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074

当前，我国建筑行业发展迅速，产生了许多建筑垃圾，其经过破碎、清洗和分级并取代部分或全部天然骨料拌制的混凝土称为再生混凝土（recycled concrete，RC）［1-2］。然而，由于再生骨料内部存在微裂缝以及表面残留有砂浆，致使RC 易开裂，抗压强度和劈裂抗拉强度有所降低［3-4］。

许多学者研究发现，纤维混凝土的抗压性能和抗拉性能良好，纤维可以抑制混凝土微裂纹的扩展，因此将纤维掺入RC 中可以拓展RC 的应用范围［5-6］。Gao 等［7］发现纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土类似，但抗折性能和韧性改善显著。Hossain 等［8］发现纤维可提高RC 的延性，橡胶可增强其能量吸收能力。Aslani 等［9］发现纤维对再生骨料自密实混凝土的工作性能有负面影响但仍能提高力学性能并减少开裂。李晓路［10］通过研究发现，当纤维体积分数为0.3%时，RC 的力学性能改善效果较好。全晓旖等［11］研究发现RC 抗压强度受不同玄武岩纤维体积分数的影响较大。元成方等［12］和周聪等［13］发现RC 中掺入聚丙烯纤维会降低其抗压性能，增强抗拉性能。综上可知，纤维再生混凝土是当前的研究热点之一，然而在RC 中掺入高强高模量聚乙烯纤维（polyethylene fiber，PF）方面的研究较少。PF 具有良好的亲水性和较高的抗拉强度，可以阻止混凝土微裂纹的出现和发展。本试验采用再生粗骨料取代部分天然粗骨料，其质量取代率为50%，分析PF 的体积分数对聚乙烯纤维再生混凝土（polyethylene fiber recycled concrete，PFRC）坍落度、抗压性能和抗拉性能的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

水泥：P.O42.5 级水泥；水：武汉市自来水；天然粗骨料：4.25～25 mm 的人工碎石；再生粗骨料：某建筑工地破碎的废弃混凝土，粗骨料基本性能见表1；天然细骨料：细度模数2.85 的普通河砂；PF（深圳特力新材料科技有限公司），性能指标见表2；减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率20%以上。

表1 粗骨料的主要性能指标Tab.1 Main performance indexes of coarse aggregate

表2 PF 的主要性能指标Tab.2 Main performance indexes of PF

1.2 试验设计

试验制备4 组设计强度为C30 的RC，其中PF体积分数分别为0、0.1%、0.2%和0.3%。RC 的基准配合比如下：水灰比为0.45，用水量为178 kg/m3，水泥用量为395 kg/m3，天然细骨料用量为667 kg/m3，天然粗骨料用量为568 kg/m3，再生粗骨料用量为568 kg/m3，减水剂用量为4.1 kg/m3。

1.3 试件制作及试验方法

搅拌时采用湿拌与撒入纤维的方法，预防纤维结团。首先将再生骨料与附加水倒入搅拌机进行拌合1～2 min，接着倒入天然骨料、砂石和胶凝材料拌合1 min，最后加水和减水剂的混合液并同时撒入纤维进行湿拌2～3 min，最后入模并振捣成型。每组制备6 个立方体试块（抗压强度和劈裂抗拉强度试验均采用非标准立方体试块100 mm×100 mm×100 mm），待24 h 后便可将试块拆模，放置标准养护室养护28 d。

坍落度试验按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》［14］规定进行测试，立方体抗压强度以及劈裂抗拉强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［15］采用SYE-2000A 压力试验机进行测试。

2 结果与讨论

2.1 坍落度

PFRC 坍落度试验现象和结果见图1。纤维体积分数为0.1%、0.2%和0.3%时，PFRC 坍落度较对比试件分别降低了6.4%、13.6%和18.2%。试验中可以看出新拌的PFRC 比RC 更黏稠，由于PF 是亲水性的合成纤维，对水的吸附能力较强，因此纤维表面需要水泥浆体包裹，从而使混凝土基体中水泥浆体数量相对减少，且PFRC 的内部空隙逐渐被填实，使PFRC 孔隙率和流动性下降，导致新拌PFRC 的坍落度降低。可以适当提高减水剂用量，增强其流动性；或者将再生骨料进行泡水预处理，可以减少其在拌合时对拌合水的吸附性，从而提高PFRC 的坍落度，改善其工作性能。

图1 PFRC 坍落度试验现象和结果：（a）试验现象，（b）试验结果Fig.1 PFRC phenomenon and results of slump test：（a）test phenomenon，（b）test results

2.2 破坏形态

未掺纤维的RC 进行立方体抗压强度试验时，随着荷载不断增大，试件裂缝逐步扩展，到达极限荷载后，试件突然破裂并伴随着混凝土块脱落，表现为脆性破坏。掺入PF 后，随着荷载不断增加，PFRC 产生许多微裂纹，到达极限荷载后，裂缝继续增大但试块裂而不碎，试块相对较完整，脆性明显改善。破坏形态见图2（a）。

PFRC 进行劈裂抗拉试验时，随着荷载逐步增大，试件微裂缝逐渐扩展，当达到极限强度时，试块并未劈裂为2 块，呈现塑性破坏，其破坏形态见图2（b）。主要是因为PF 能对PFRC 基体中的裂缝起到“桥架作用”，阻止微裂纹的扩展，承担混凝土由于开裂释放的部分应力，能够充分发挥PF 的延性特性。而RC 进行劈裂抗拉试验时，当达到极限强度，试件沿破裂面断开直接劈裂为2 块，断裂面较为平整，脆性特征显著。

图2 PFRC 破坏形态：（a）抗压强度，（b）劈拉强度Fig.2 Damage form of PFRC：（a）compressive strength，（b）splitting tensile strength

2.3 抗压强度和劈裂抗拉强度

为了研究PFRC 力学性能与纤维体积分数的关系，可用增强系数来分析纤维的作用，如式（1）所示：

式中：f为PFRC 的抗压强度和劈裂抗拉强度、f1为RC 的抗压强度和劈裂抗拉强度。β为增强系数。当β＞1.0 时，纤维对PFRC 力学性能产生正效应，当β＜1.0 时，纤维对PFRC 力学性能产生负效应。

PFRC 的抗压强度和劈裂抗拉强度如表3所示。

表3 PFRC 的抗压强度和劈裂抗拉强度Tab.3 Compressive strength and split tensile strength of PFRC

增强系数与PF 体积分数的关系如图3（a）所示。当PF 的体积分数为0.2%时，抗压强度增强系数达最大值。PF 的体积分数为0.1%、0.2% 和0.3%时，抗压强度较对比试件分别提高了5.5%、10.3%和4.8%。原因主要是纤维体积分数越大，PFRC 坍落度下降，基体薄弱界面增加，薄弱界面最先产生裂纹，导致PFRC 抗压强度降低。同时可以发现，PF 对PFRC 抗压性能的影响并不明显，主要是因为PF 的弹性模量偏低所致。

劈裂抗拉强度增强系数总体上呈现上升趋势，纤维体积分数越高，PFRC 劈裂抗拉强度增强越显著，当纤维体积分数分别为0.1%、0.2% 和0.3%时，劈裂抗拉强度较对比试件分别提高了6.9%、16.1%和22.5%。且随着纤维掺量的增加，其抗拉性能改善效果更显著。

混凝土的拉压比可以表征其脆性性能，拉压比愈小，混凝土的脆性越大。由图3（b）可以发现，PFRC 的拉压比随纤维体积分数的增大而提高，纤维体积分数增加到0.3%时，PFRC 的拉压比最大，较基准RC 提高了16.9%。PF 可提升PFRC 的黏结力，阻止其内部微裂缝的扩展，使PFRC 拉压比逐渐增大，说明PF 能改善再生混凝土的脆性，使之由脆性破坏转变为延性破坏。

图3 增强系数和拉压比与聚乙烯纤维体积分数关系：（a）增强系数，（b）拉压比Fig.3 Relationship between enhancement factor and tension-compression ratio and volume fraction of polyethylene fiber：（a）enhancement factor，（b）tension-compression ratio

2.4 纤维作用机理

根据纤维间距理论可知，复合材料与纤维间距有关，外荷载作用下产生的应力使复合材料因内部缺陷而产生损伤。因此，可通过改善复合材料内部缺陷增强其韧性。将纤维均匀掺入混凝土中，当产生的裂纹长度大于纤维间距时，纤维则会制约裂纹的扩展，裂纹则在复合材料内部产生较小影响的狭小孔洞。

PF 的亲水性较好，可附着较多的水化产物，纤维表面可牢牢地锁住水分，降低水分的流失。因此，PFRC 水化反应更加充分并可减少裂纹的产生，抗裂性能相应提高。PFRC 受力的过程中，当外力逐渐增大至试件抗裂强度时，试件出现裂纹，纤维便横跨裂纹承受外力，从而抑制裂纹的持续发展。

PFRC 受压时，PF 能延缓混凝土裂纹的扩展，新裂纹出现时，PF 再次起到阻裂作用，如此反复，在混凝土内部出现许多微裂纹且发展途径变得曲折，使试块裂而不碎，从而起到增韧、阻裂的效果。此外，PF 增强PFRC 的抗裂性能主要体现在2 个方面：①当PFRC 硬化收缩时，PF 抑制了其收缩变形，从而减少因收缩变形产生的裂纹；②当试件承受外荷载时，PF 能够抑制混凝土内部的应力集中和尖端效应，在微裂纹出现和微裂缝发展初期，起到黏结作用，有效地阻止裂缝的发展。同时，当微裂缝不断扩大，PF 则会被拔出，此过程消耗大量的能量，增强了PFRC 的韧性。

3 结 论

本文研究了PF 体积分数对PFRC 坍落度、抗压性能和抗拉性能的影响规律与作用机理，主要结论如下：

（1）随着PF 体积分数的增加，PFRC 坍落度逐渐降低，掺入体积分数为0.3%的PF 时，坍落度较对比试件降低幅度最大（18.2%）。

（2）PF 对PFRC 立方体抗压强度有一定的增强作用，当PF 纤维体积分数为0.2%时立方体抗压强度提升幅度最大（10.3%）。

（3）PF 具有较好的阻裂作用。在一定范围内，纤维体积分数越高，PFRC 的劈裂抗拉强度提高幅度越大，当PF 体积分数为0.3%时，劈裂抗拉强度和拉压比较对比试件分别提高了22.5%、16.9%。