纤维再生混凝土材料力学性能试验研究

关晓迪，马 迪，魏欢欢，亢佳伟，雷天奇

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048;2.西安交通工程学院土木工程学院，陕西 西安 710300;3.杨凌职业技术学院建筑工程学院，陕西 咸阳 712100;4.陕西铁路工程职业技术学院道桥与建筑学院，陕西 渭南 714099)

在工程实践中，再生混凝土的研究和使用较好地解决了建筑垃圾处理问题以及天然砂石资源短缺问题[1]，然而再生混凝土的骨料强度低、易破碎、耐久性差等特性限制了其在建筑行业的广泛应用[2]。经研究发现，纤维均匀分布于混凝土内部形成三维网状结构，可以改善再生混凝土的力学性能，因此研究纤维再生混凝土力学性能及纤维增强再生混凝土的机理可以推进再生混凝土的工程应用。

现阶段，国内外学者对纤维再生混凝土的试验和理论研究方面研究较多。Feldman等[3]通过开展试验，发现钢纤维和聚丙烯纤维分别提高了改性混凝土极限强度、韧性。Banthia[4]通过将不同类型纤维混合加入普通强度混凝土中，研究了聚丙烯纤维对混凝土韧性的影响。孙家瑛[5]通过开展试验，研究了纤维混凝土的抗渗性能，明晰了纤维对各龄期混凝土抗氯离子渗透性能及抗冻融循环耐久性能的影响。罗洪林等[6]、张悦[7]、雷江[8]通过研究聚丙烯纤维在混凝土中的应用，探讨了长径比对聚丙烯混凝土的力学性能的影响。佟钰等[9]通过开展试验，研究了聚丙烯纤维对水泥土的增强增韧作用，研究结果表明聚丙烯纤维明显地提高水泥基材料的力学性能。孔祥清等[10-11]通过开展试验，发现混杂纤维对再生混凝土的力学性能和抗冲击性能呈现混杂增强效应。周静海等[12-14]通过研究废弃纤维再生混凝土在不同再生骨料掺入量、纤维长度和水灰比条件下劈裂抗拉强度，得到了纤维显著增强了再生混凝土的强度和韧性的结论。上述研究成果均有益地推进了纤维再生混凝土试验和理论研究方面的发展。

值得注意的是，针对纤维种类对再生混凝土材料性能的影响，以及纤维直径、长度和掺入量对再生混凝土力学性能的影响方面还缺乏系统的研究。基于此，本文开展了不同纤维种类对再生混凝土材料力学性能的影响，以及采用正交试验的方法设计，分析了聚丙烯纤维直径、纤维长度和质量比对添加聚丙烯纤维再生混凝土材料性能的影响。研究成果以期为纤维在再生混凝土中推广应用提供一定的参考。

1 试验概述

1.1 试验材料

该再生混凝土试验主要原料为废砖块、废混凝土、水泥和不同纤维，其中废砖块和废混凝土取自陕西省西安市鄠邑区余下镇吴家堡村当地砖厂提供废砖块和废混凝土的破碎和筛分；水泥取自陕西省耀县秦岭牌P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，密度为3.10 g/cm3，初凝时间130 min，终凝时间310 min，28 d抗折、抗压强度分别为8.8、52.2 MPa，水泥主要化学组成见表1，显然水泥的主要成分为碱性物质，水解后会在混凝土中形成碱性环境；植物纤维和聚丙烯纤维在网上购置，见图1，左一为植物纤维，中间为直聚丙烯纤维，右一为曲聚丙烯纤维，纤维基本性能参数见表2。试验中，将废砖块中较粗的(粒径5 ～15 mm)作为粗骨料，将废混凝土中较细的(粒径5 mm以下)作为细骨料，再生粗细骨料见图2。

表1 水泥化学组成

图1 植物纤维与聚丙烯纤维

表2 不同纤维基本性能参数

图2 再生骨料

1.2 试样制备

1.3 试验方案

首先通过控制再生混凝土材料中纤维的种类，对比分析了纤维种类对再生混凝土材料力学性能的影响，具体的材料组成见表3；然后采用正交试验的方法设计，考察3个影响因素：聚丙烯纤维直径、纤维长度和纤维质量比对添加聚丙烯纤维再生混凝土材料性能的影响，试件编号及配合比结果见表4。试验测试每组试样的力学性能，包括单轴抗压和劈裂抗拉试验，每种强度测试有3个试样，取其均值作为强度值，分别测试其7、28 d的单轴抗压强度和劈裂抗拉强度。

表3 不同再生混凝土试样的材料属性

表4 正交试验方案设计

2 试验结果及分析

2.1 不同纤维再生混凝土的试验结果与分析

2.1.1纤维种类对试样的破坏形态影响分析

图3为不同纤维再生混凝土试样破坏形态。由图可知：K1和K4试样破坏程度较为严重，其中K1试样边缘破坏严重，K4试样中心及下部破坏严重；K2和K3试样出现延性破坏，试样表面出现未贯通裂隙，但整体性较好，试样基本上未发生脱落和破碎现象。这是由于植物纤维和直聚丙烯纤维均可以抑制再生混凝土破坏，而曲聚丙烯纤维不能抑制再生混凝土破坏。

图3 不同纤维再生混凝土试样破坏形态

2.1.2纤维种类对试样应力应变曲线影响分析

图4为不同纤维再生混凝土试样应力应变曲线。由图可知：养护7 d时，K2试样的抗压强度和劈裂抗拉强度均比K1试样大，养护28 d时，K2与K1试样的强度较为接近。这是由于随着养护时间的增加，植物纤维在再生混凝土中发挥的作用逐渐减小；同时在养护周期内K3试样的抗压强度和劈裂抗拉强度均大于K1试样，K4试样均小于K1试样。

图4 不同纤维再生混凝土试样应力应变曲线

图4 不同纤维再生混凝土试样应力应变曲线

2.1.3纤维种类对试样强度影响分析

表5为不同纤维再生混凝土的试样强度。由表可知：随着养护时间增加，不同纤维再生混凝土试样的单轴抗压强度和劈裂抗拉强度逐渐增加，且前者增加幅度大于后者，说明养护时间对试样单轴抗压强度的影响更明显；养护7 d时，K2、K3试样的单轴抗压强度和劈裂抗拉强度均大于K1试样，其中抗压强度分别增大8.9%和22.8%，抗拉强度分别增大17.7%和21.0%，养护28 d时，K2试样的抗压、抗拉强度与K1试样基本相等，K3试样的抗压和抗拉强度的增大幅度接近30%，K4试样的抗压和抗拉强度小于K1试样。

表5 不同纤维再生混凝土的试样强度

上述分析表明：直聚丙烯纤维增强了再生混凝土的力学性能，曲聚丙烯纤维削弱了力学性能，这可能是由于后者因为波动不能较好地与水泥浆体胶结，使得未胶结部位成为薄弱点；植物纤维养护初期增强了再生混凝土的力学性能，而养护后期增强作用逐渐消失，这是由于再生混凝土内部是碱环境，植物纤维在碱环境中会不断地受到腐蚀，导致强度和结构受到破坏。

——不管别人已经做过多少研究，每个“点”自己都要动手摸一遍；若干年后将这些“点”串联起来，便是“线”，是自己构建的“自己的解释体系”(历史就是这样由不同之人构建的能够“自圆其说”的解释体系).

2.2 聚丙烯纤维再生混凝土的试验结果与分析

2.2.1聚丙烯纤维物理特性对试验结果影响分析

表6为不同纤维物理特性条件下再生混凝土试样强度。由表可知：Z3试样的力学性能最好，28 d抗压强度仅次于Z9试样，28 d抗拉强度仅次于Z5、Z7试样，表明聚丙烯纤维直径为0.2 mm，长度为40 mm，掺入质量比为0.3%时性能较好。

表6 聚丙烯纤维物理特性对再生混凝土强度的影响 单位：MPa

2.2.2纤维物理特性对抗压强度的极差分析

表7为不同纤维物理特性条件下再生混凝土试样抗压强度P的极差分析。由表可知：养护7 d时，纤维长度对抗压强度的影响最大，掺入质量比次之，纤维直径最小，养护28 d时，掺入质量比对抗压强度的影响最大，纤维长度次之，纤维直径最小；且养护7 d时，聚丙烯纤维直径、长度分别为0.2、40.0 mm，掺入质量比为0.1%时，再生混凝土的抗压强度最优，养护28 d时，聚丙烯纤维直径、长度分别为1、20 mm，掺入质量比为0.1%时，再生混凝土的抗压强度最优。

表7 不同纤维物理特性条件下再生混凝土抗压强度的极差分析

2.2.3纤维物理特性对抗拉强度的极差分析

表8为不同纤维物理特性条件下再生混凝土试样抗拉强度T的极差分析。由表可知：养护7 d时，掺入质量比对抗拉强度的影响最大，纤维直径次之，纤维长度最小，养护28 d时，纤维长度对抗拉强度的影响最大，掺入质量比次之，纤维直径最小，表明随着凝结硬化愈加充分，纤维长度对于抗拉强度的改善作用愈加明显；且养护7 d时，聚丙烯纤维直径、长度分别为0.5、40.0 mm，掺入质量比为0.6%时，再生混凝土的抗拉强度最优，养护28 d时，聚丙烯纤维直径、长度分别为0.2 、40.0 mm，掺入质量比为0.3%时，再生混凝土的抗拉强度最优。

表8 不同纤维物理特性条件下再生混凝土抗拉强度的极差分析

2.2.4纤维物理特性对试样强度的方差分析

表9为不同纤维物理特性条件下再生混凝土试样强度的方差分析。由表可知：聚丙烯纤维质量比对抗压和抗拉强度均有显著影响，纤维长度对抗拉强度影响显著，纤维直径仅对抗拉强度有影响。对于抗压强度，质量比的影响程度最大，长度次之，直径最小，对于抗拉强度，长度的影响程度最大，质量比次之，直径最小，这与极差分析的结果相吻合。表明聚丙烯纤维质量比和长度是影响再生混凝土材料强度的重要因素。

表9 不同纤维物理特性条件下再生混凝土试样强度的方差分析

3 结论

a)植物纤维和直聚丙烯纤维均可以抑制再生混凝土的破坏，曲聚丙烯纤维不能抑制再生混凝土的破坏；植物纤维和直聚丙烯纤维可以增强再生混凝土的峰值强度和变形模量，随着养护时间的增加，植物纤维的增强效果减弱，曲聚丙烯纤维会削弱再生混凝土的峰值强度和变形模量。

b)对于抗压强度，掺入质量比的影响程度最大，纤维长度次之，纤维直径最小，对于抗拉强度，纤维长度的影响程度最大，掺入质量比次之，纤维直径最小。

c)聚丙烯纤维质量比对抗压强度和抗拉强度均有显著影响，聚丙烯纤维长度对抗拉强度影响显著，说明纤维质量比和长度是影响再生混凝土材料强度的重要因素。