废纤维改性再生混凝土材料性能研究进展*

柯 胜，汝茹彤，赵 莉，胡玉叶

(安徽新华学院城市建设学院，安徽 合肥 230088)

随着城市建筑更新力度的快速发展，许多破旧、利用率低的建筑被拆除后重建，从而产生大量的废旧混凝土，重建中耗费大量的天然骨料，因此将建筑垃圾中的混凝土重复利用，既可以规范的处理废旧混凝土，又可以起到节约天然资源、缓解骨料紧张等问题，达到可持续发展的目的。再生骨料混凝土可以较好地解决施工产生的建筑垃圾难处理的问题，最终实现建筑垃圾回收后再循环利用。然而，破碎后的再生骨料会产生大量微裂缝、有较大的吸水率和表面包裹过多水泥浆等缺陷，导致再生骨料混凝土的力学性能有不同程度的降低，使其在实际工程中的推广出现局限性。纤维废料基本都来源于纺织行业以及废旧的纤维制品，废弃纤维基本上都是难以降解的涤纶、丙纶等，目前对废弃纤维的处理方式基本都是焚烧或填埋，这种处理方式均会对生态环境造成破坏，而将废弃纤维掺入再生混凝土中制备废弃纤维再生混凝土，既可以作为增强纤维，还可以弥补再生混凝土抗拉强度低等不足[1-3]。目前，废弃纤维再生混凝的改性研究逐渐成为复合材料领域一个研究热点，并取得了一定的研究果。废弃纤维再生混凝土作为一种环保型建筑材料，其广泛应用可以将大量的建筑垃圾和废弃纤维变废为宝，又可以解决混凝土中本身存在的缺陷。

1 废弃纤维再生混凝土的配制技术

1.1 配制原则

(1)再生骨料的处理：再生骨料来源于人工破碎的废弃混凝土，经破碎后的再生骨料，外层有大量的水泥砂浆，破碎会使再生骨料产生微裂缝，故再生骨料的孔隙率和吸水率会增大。因此，制备再生混凝土时按照普通混凝土的配合比，会使水灰比有所降低，所以配制再生混凝土时要增加附加水，即在普通混凝土配方章多加10～15 kg的附加水来解决在再生骨料吸水率大的问题。

(2)纤维的处理：废弃纤维材质多为聚丙烯纤维，将废弃纤维进行拆分后再裁剪成短纤维，长度为16～19 mm, 之后在再生混凝土中加入废弃纤维作为增强纤维，原混凝土的配合比不需改变。

1.2 配制方法

废弃纤维再生混凝土的计算配合比与普通混凝土的计算方法基本一致，配制过程的不同之处在于需要在再生混凝土中加入废弃纤维，试验过程中为了防止纤维的聚团现象，一般采用两种方法：干拌法和二次投料法。

1.2.1 干拌法

干拌法[4]是把再生骨料和胶凝材料放入强制式拌和机中，并干拌30 s，之后加入废弃纤维进行搅拌60 s，随后加入拌合水和外加剂进行湿拌180 s。搅拌后的试样装入标准试模中，经振捣成型24 h后拆模，放入标准养护条件下进行养护28天，养护温度为(20±2)℃，保持95%以上的相对湿度。

1.2.2 二次投料法

采用二次投料法制备废弃纤维混凝土试块可分为四个步骤：(1)完成初步配合比后，将天然骨料、再生骨料和砂进入搅拌机中，并搅拌2 min使骨料混合均匀；(2)在加入废弃纤维之前，将废弃纤维均匀打散后再加入混凝土拌合物中，以解决废弃纤维成团、成堆的问题；(3)之后再把水泥加到搅拌机中，均匀搅拌1 min，达到均匀搅拌的目的；(4)最后加入拌合水，持续均匀搅拌1 min。养护中在试件表面采用表面空气隔绝法，即在混凝土表面覆盖塑料薄膜，从而避免水分快速蒸发而导致干缩裂纹的产生。养护过程中需要每天浇水，特别是前期，两天后拆模；若是试件梁则在养护七天后拆模。拆模之后，对试块进行编号，并两天浇水一次，养护龄期为28天。

2 废弃纤维再生混凝土的力学性能

王建坤等[5]研究涤纶和回收涤纶作为增强纤维对再生混凝土的影响。实验结果表明涤纶再生混凝土与普通再生混凝土是相比，涤纶作为增强纤维可使抗压强度提高7.4%～26.45%，回收涤纶再生混凝土具有一样的效果。

2012年，张东[6]研究了废弃聚丙烯纤维对再生混凝土梁受弯性能的影响，废弃纤维来源了废弃地毯，具体研究了纤维长度和掺量对其性能的影响。研究发现：废弃纤维加入后延缓了裂缝的产生，并提高了7.40%的屈服荷载，极限承载力也得到了提高(9.75%)。按现行规程规范计算结果显示，受弯承载力与挠度均偏于安全，裂缝宽度中相对粘结系数需要修正；废弃纤维掺量为0.08%时，修正系数取值为1.15，掺量为0.12%时，修正系数为1.40。

2013年，杜园芳等[7]将钢纤维与尼龙纤维混杂，钢纤维来源于废旧轮胎，研究了纤维对再生混凝土的基本力学性能。从结果可以看出，不同纤维掺量均可提高不同再生骨料取代率下的混凝土的力学性能。

2016年，周静海等[8]以二维废弃聚丙烯纤维为分布模型，采用ABAQUS研究废弃纤维对于再生混凝土受拉性能的影响。结果显示：混凝土的破坏机理不受废弃纤维分布的影响，废弃纤维加入后可提高混凝土的抗裂能力；废弃纤维的排列方向与试件的受力方向接近时，废弃纤维角度对抗拉承载力影响显著，但对变形能力影响很小，由此说明混凝土的变形能力受废弃纤维分布的均匀性与聚拢程度的影响明显。

迟翠萍[9]研究了混杂纤维再生混凝土梁的基本力学性能，再生混凝土中加入的混杂纤维为废弃丙纶纤维与聚丙烯腈，结果表明：再生混凝土梁的抗压强度和抗拉强度在废弃混杂纤维加入后得到了明显改善，且混凝土梁的抗裂效果明显提高；梁的承载力在混杂纤维总掺入量为0.1%时得到显著提高。

刘慈等[10]采用ANSYS有限元模拟分析法，研究了不同组合废弃纤维再生混凝土梁的抗裂性能，结果发现：混杂聚丙烯腈及废弃丙纶纤维可有效阻止裂缝发展，尤其使在再生混凝土初裂阶段，梁的韧性得以提高；梁的挠度在屈服阶段降低了1.19%～10.09%，由此推断，废弃纤维加入后再生混凝土梁裂缝的发展被有效阻止。

周静海，刘丹[11]等采用废弃纤维再生混凝土棱柱体试件与刚性元件组合的方法，测试了混凝土块的应力-应变曲线。废弃纤维的加入到再生混凝土后，材料之间的黏结强度会增大，因此混凝土的轴心抗压强度可显著增大；废弃纤维再生混凝土的应力-应变曲线与普通混凝土一样，都分为上升段和下降段。

杨成智[12]研究了不同掺量的混杂纤维对再生混凝土力学性能的影响，混杂纤维由废弃水泥包装袋制备的废弃纤维和玄武岩纤维组成，结果表明：当掺入低量的废弃聚丙烯纤维时，废弃纤维再生混凝土的劈拉强度有明显提高，并且混凝土的韧性也明显提高。

张晓曼[13-14]采用ABAQUS有限元分析软件模拟分析了废弃纤维再生混凝土梁和柱的应力-应变曲线，在结论中得出了平截面假定的适应情况，最终模拟分析表明，废弃纤维混凝土梁的承载能力随废弃纤维掺量而提高，在废弃纤维长度为 19 mm时提高最多；当废弃纤维的体积掺量为012%时，废弃纤维再生混凝土柱的强度明显提高；结果显示，废弃纤维再生混凝土柱的应力-应变曲线分为上升段和下降段。

周静海，康天蓓[15-16]等分别制作了4组和5组废弃纤维再生混凝土板，具体分析了其受力特征，结果中显示废弃纤维的加入可提高再生混凝土板的承载能力，可显著减少破坏过程中裂纹的数量和降低开裂的速度，实验结果与计算过程相辅相成较好的给出了板的承载力。

刘子赫等[17-18]制备了不同废弃纺织纤维长度、不同再生混凝土取代率下的标准试块，研究了梁柱节点抗震性能，结果发现在反复荷载下，废弃纤维掺量和长度对梁柱节点抗震性能都有影响，但废弃纤维掺量的影响更大。在再生混凝土中加入废弃纺织纤维后，废弃纤维再生混凝土的梁柱节点会有一定的延性和耗能能力，且节点处的滞回曲线很饱满，特别是后期承载力优于普通混凝土，当废弃纤维长度为19 mm时，抗震性能会明显提高。

林庆哲[19-20]论证了利用ABAQUS有限元模拟软件分析废弃纤维再生混凝土柱轴压和抗震性能的可行性，柱子的滞回曲线最饱满、延性性能最好、抗震性能最高时的纤维掺量为0.12%，废弃纤维长度为19 mm；结果还发现，废弃纤维再生混凝土柱子的轴压比较小时会更有利于抗震。

废弃纤维再生混凝土的轴心抗压强度明显提高的原因在于废弃纤维的加入，抑制了原始裂缝在早期混凝土中的发生和发展，使微裂缝的数量和尺度大量减少，从而废弃纤维的加入在一定程度上限制了混凝土的开裂，因此柱子的变形有所延缓，证明与普通混凝土柱相比，废弃纤维再生混凝土柱的延性更优。

3 废弃纤维再生混凝土的耐久性能

3.1 抗渗、抗侵蚀性能

周静海等[21]利用自然扩散法对废弃纤维再生混凝土的氯离子抗渗性能进行了系统的研究，废弃纤维来自于废旧地毯中的聚丙烯纤维，研究了不同废弃纤维长度和不同废弃纤维掺量对其影响，结果表明：在加入废弃纤维后再生混凝土的贯通裂缝出现的可能性降低，因此废弃纤维的加入可有效提高其抗渗性，废弃纤维掺量对抗渗性的影响要比废弃纤维长度的影响小；废弃纤维的体积掺量为0.16%、长度为19 mm时，材料的抗渗性最佳。

戚玥[22]制备了废旧丙纶地毯纤维再生混凝土试块，研究了盐蚀条件下废弃纤维再生混凝土梁抗弯性能。研究表明：加入废丙纶纤维后再生混凝土的微观结构得以改变，废弃纤维加入会吸附在盐溶液周围，降低了氯离子的浓度，从而减弱盐的化学腐蚀；废弃纤维体积掺量为0.16%时，钢筋的锈蚀率最低，抗氯离子的侵蚀作用最明显，原因是纤维是一种弹性材料，加入后使混凝土的膨胀压力降低，从而提高其抗腐蚀作用。

岳秀杰[23]开展了6组的废弃纤维再生混凝土的抗渗和抗侵蚀性能研究，实验结果显示：废弃纤维会不同程度的提高再生混凝土的抗氯离子和抗硫酸盐的腐蚀；废弃纤维掺量越高氯离子、表观扩散系数越小，Na2SO4溶液比NaCl溶液的腐蚀要严重；当废弃纤维长度在一定范围时，随废弃纤维体积分数的增大废弃纤维再生混凝土的抗腐蚀性而逐渐提高。

李贺等[24]研究了废弃纤维掺量对再生混凝土抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性的影响规律，试验中采用硫酸盐干湿循环法。通过实验发现，干湿循环次数的不同废弃纤维混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能不同，15次干湿循环为最佳点，耐蚀系数为117%；水灰比适中、废弃纤维掺量在0.02%～0.04%时，达到最佳的抗硫酸盐侵蚀性能和抗渗性能。

再生混凝土的内部孔隙结构随废弃纤维的加入而改变，从而改善氯离子和硫酸对混凝土的腐蚀作用，废弃纤维掺量和体积分数会不同程度的影响其性能，并不是掺量越多越好，掺量过多会引起纤维的聚团现象从而使抗渗性和抗侵蚀性能降低，不同实验中有一定的最佳掺量。

3.2 碳 化

陆佳韦[25]研究了废弃纤维再生混凝土的碳化规律，采用快速碳化实验过程。研究发现：废弃纤维再生混凝土抗碳化能力最好时的废弃纤维掺量为0.12%；其次掺和料会不同程度的影响其碳化深度，碳化深度随粉煤灰的增加而越深、随矿渣增加而先增加后减小；外加剂(减水剂)的加入会提高抗碳化能力；碳化深度随水灰比和再生骨料增大而增大；

周静海，康天蓓等[26]用压汞试验及快速碳化试验研究了废弃纤维再生混凝土的碳化性能的分形特征和孔隙结构，试件达到28天碳化深度时，采用酚酞溶液进行，结果显示废弃纤维加入后会提高混凝土的碳化性能，可抑制有害空隙的形成。

王建超等[27]对废弃纤维再生混凝土的碳化模型及可靠度进行分析后，表明混凝土强度、纤维掺量的增加和保护层的厚度会提高其抗碳化能力；碳化率为50%、废弃纤维掺量为8%、保护层为20 mm时，建筑物的碳化寿命是47年。

因此，对于废弃纤维再生混凝土而言，可以通过改善材料内部的空隙特征来提高其抗碳化能力，为废弃纤维的加入可以使内部结构更加均匀，但不宜太多，否则会造成缺陷，因此适量纤维会增加其寿命会为耐久性的研究提供研究依据。

4 结 语

再生混凝土虽然降低了混凝土的物理性能，但加入废弃纤维后，具很好的改善了其力学性能，有比较明显的增强效果，说明废弃纤维再生混凝土作为新兴的混凝土材料是可行的，解决环境问题的同时又可创造经济效益和社会效益。目前阶段的主要任务是要回收利用生活中旧衣服、毛毯以及废弃布料等生活用品，并且要对回收的废弃纤维物品进行加工处理，或者在性能方面进行一定的改良，提高它的弹性、亲水性以及抗侵蚀性，使其能和水泥砂浆较好地相融并且可以均匀分布在构件中，同时增强废弃纤维的抗盐蚀能力，使其可以在盐碱地区起到一定作用，使废弃纤维再生混凝土成为更好的环保材料。