不同骨料替代率纤维RAC力学性能的研究进展

马 骏，王 晨

不同骨料替代率纤维RAC力学性能的研究进展

马 骏1，王 晨2

（1.渤海大学 辽宁 锦州 121013；2.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）

在查阅大量国内外文献的基础上，对现阶段不同再生骨料替代率纤维掺量对RAC力学性能影响的研究成果进行深入归纳总结。重点阐述再生骨料与纤维掺量的关系，在不同骨料替代率下钢、聚丙烯和混掺两者纤维RAC的力学性能，最后总结并作出相应发展展望，以此期望为纤维再生混凝土在工程上更好地运用与推广提供便利。

再生骨料替代率；纤维掺量；再生混凝土；力学性能；纤维再生混凝土

随着城镇化水平的不断提高和城市发展的需要，大量早期民用建筑因年久失修，失去原有设计使用功能或因城镇整体规划需要而被拆除，由此产生大量的建筑垃圾(construction and demolition waste，CDW)，日益成为不可忽视的环境问题。据中国住房和城乡建设部提供的测算数据，2021年我国城市建筑垃圾的年产生量已超过20亿t，而相应的资源化利用率却不足5%，相比之下仍有大量建筑垃圾无法得到有效处理。为了改变这一现状，国内外的学者开展了大量有关建筑垃圾回收、再利用的研究。

增强再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)就是CDW回收再利用研究中的其中之一，在相关研究中，再生骨料的使用可降低建筑材料10%～20%的成本[1]，可减少65%的温室气体排放和58%不可再生能源的使用[2]，实现了经济、绿色、低碳。以上RAC的特点不仅满足装配式墙板对绿色、经济材料的需求，而且更符合国家双碳目标。目前RAC的研究上较少涉及装配式墙板，而装配式墙板发展的今天，RAC与装配式墙板的结合必是一种绿色发展的方向。

接下来以不同骨料替代率纤维掺量对RAC力学性能的影响作为总框架，在相同骨料替代率下，找出纤维掺量与RAC的力学性能之间的规律，以表格量化为实现RAC的各项力学性能如何选择纤维以及指出相应的最佳掺量或范围，为今后研究RAC装配式墙板打下基础。

1 再生骨料替代率与纤维掺量

近几年来，再生混凝土迎合社会发展的需要逐渐成为国内外研究的焦点，众多学者进行了大量的研究，大体分为2类，第1类是关于再生骨料替代率(R)对RAC的力学性能影响，其中包含了对再生骨料的处理技术，主要侧重寻找最优的再生骨料处理方法使其到达或超过天然骨料的效果；第2类是关于纤维掺量对RAC力学性能的影响，主要侧重利用纤维特性弥补再生骨料存在的不足，从而可达到预想的最佳效果。对比2类，在考虑经济性和实用性2方面，第1类明显处于劣势，其原因有：①在成本上再生骨料的处理高于直接掺加适量纤维；②相比之下骨料处理技术过于复杂不易掌控。而在第2类的研究上，则主要涉及R与纤维掺量的微妙关系。首先RAC的强度多少会受R的影响，但这方面的研究并不绝对，一种观点认为再生骨料的掺入会引起混凝土力学性能的降低，替代率越高RAC的强度下降得越快[3]；一种观点表示再生骨料的使用不会降低混凝土的强度或影响较小[4-6]，还有一种观点则发现在强度上，RAC高于天然骨料混凝土[7]，而产生差异的主要原因集中在骨料种类的差异和再生骨料的初始强度[8]。其次，纤维掺量则与R截然相反，总体上呈现出随纤维掺量的增加RAC的强度先增大后减小的趋势[9]，当其强度达到峰值时则为对应最佳掺量。而对应2者之间的微妙关系是指一定R与相应适量纤维的组合平衡关系，即再生骨料与纤维的充分利用，使达到相对轻质高强的最佳效果。

2 不同Rp下纤维RAC的力学性能

2.1 钢纤维(SF)

钢纤维(steel fiber，SF)是一种新型、高性能的纤维品种，作为结构型纤维对RAC增强增韧方面效果显著[10]，具体到不同的R下又有所区别。

在20%的R下，周陈旭等[11]在试验中发现SF的掺入对RAC的基本力学性能都有一定的改善，其中1.0%的SF掺量为最佳；吴维熙[12]在疲劳寿命结果分析中发现，SF掺量为1.0%时试件的平均寿命等各项指数最高。

在30%的R下，吴维熙在抗折疲劳试验中得出结论：1.0% SF掺量为最佳值，此时能使废弃混凝土最大程度地利用，使其满足实际的工程需求。

当R为40%时，杨粉等[13]将2种0.5%的SF掺入RAC进行对比试验，发现SF对RAC的抗压强度和弹性模量不敏感，但可明显改善其劈拉和抗折强度，通过图1可以发现剪切端钩型SF整体好于铣削型SF。

图1 两种不同SF的对比

50%的R是一个转折点[14]，在SFRAC基本力学性能的研究上，何文昌等[15]同样发现SF的掺入对RAC劈裂抗拉和抗折强度的影响要远大于抗压强度的规律，图2具体表现增幅；在抗冲击试验中孔祥清等[16]发现，RAC的延性比整体随着纤维掺量的增加而提高，但可以发现纤维掺量在0.5%～1.0%之间时，延性比变化相对较小，原因可能有：①再生骨料自身内部存在着差异，②试验过程中拌合物的流动性随骨料的增加逐渐减小，出现搅拌不均匀、结团、局部空洞等现象；而在对应的动态冲击试验中，骆豪等[17]发现随着SF掺量的增大，试件粉碎性破坏形态的趋势变小，2.0%的纤维掺量为最佳，此时SF的桥接作用充分发挥，裂缝尖端部位的应力集中问题得到缓解[18]、抗冲击性能得到增强；而涉及环境评价和力学性能方面，Yuan等[19]认为SF为1%时可以获得更好的抗弯性能和低碳排放的优势。

R到达60%，Merin等[20]、Mathew等[21]的研究不仅认为60%为最佳R，而且还在此基础上研究了SFRAC梁的剪切性能，发现使用SF纤维能有效提高混凝土的抗剪强度和韧性，当掺量为1.5%时为最佳状态。相比未掺基体，其初始裂缝荷载可以提高60%。

100%的R时，孔祥清等[16]研究了SFRAC的抗冲击性，选择了端钩型和波纹型2种SF进行比较，见图3。发现端钩型明显优于波纹型，同时随SF掺量的增加，延性比呈直线上升，这与R为50%时呈现出显著差异；在微观领域，何文昌等[15]对SFRAC力学性能进行了微观结构的研究，对比了不同的2种SF，发现端钩型SF与水泥浆体有良好的化学胶结力，而波纹型则在过渡区域形成较多晶体状水化产物。

总体来看，R在0～50%时，所需纤维体积掺量的辅助较少，在此范围再生骨料的正面影响大于负面影响，当R超过50%后，随着再生骨料负面影响超过正面影响，所需纤维体积掺量逐渐升高。SF在不同纤维体积掺量下的表现如表1所示。

图2 基本力学性能的增幅情况

图3 两种不同SF的比较

表1 SF在不同纤维体积掺量下的表现

注：1～4表示影响程度，由强到弱；“*”表示最佳纤维掺量

2.2 聚丙烯纤维(PPF)

PPF具有抗拉强度高、耐腐蚀、混合工艺简单、韧性高、价格低等优点，是继钢纤维之后发现的能够有效改善RAC力学性能的纤维。

R为30%时，王坤[25]发现，PPF的掺入不利于RAC抗压强度的改善，但可以明显改善劈裂抗拉和抗折强度，具体纤维掺入的变化趋势均为先增后减的态势，得出最佳纤维掺量为0.15%；在研究废弃轮胎的橡胶屑、再生骨料和纤维3者结合RAC力学性能的表现中，Hossain等[26]发现PPF掺量为2%时，有最高的抗压强度、韧性和延展性；在改善含铁尾矿再生骨料混凝土(TRAC)的高脆性方面，Xu等[27]验证了掺入PPF的可行性，并提出在保证强度和废弃物利用率的前提下，其最佳掺量为0.6%。

R到达50%时，王坤[25]发现，试件在抗折强度的变化上与R=30%差异较小，而在劈裂抗拉上差异较大，即劈裂抗拉和抗折强度的最佳掺量分别为0.10%、0.15%；Ahmed等[28]指出PPF的最佳掺量为0.6%，此时抗压强度提高了24.8%；Zhu等[29]发现当纤维掺量达到1.0 kg/m3时，PPFRAC的抗压强度和抗弯强度均超过天然骨料混凝土，且PPFRAC损伤后仍能保持裂纹不发生断裂；朱红兵等[30]在抗折疲劳性能的研究上，发现1.6 kg/m3的PPF掺入可分别提高RAC23.9%的抗折强度和2.5倍的抗折疲劳寿命；

R为100%时，RAC力学性能的研究上，霍俊芳等[31]发现，掺量为0.8 kg/m3时，轴心抗压、劈裂抗拉和抗折强度分别提高15.8%、40.5%、39.6%；在高掺PPF时，何文昌等[32]发现RAC的抗压强度会有小幅度的降低，抗折强度在0.9%的掺量为最佳，同时微观领域的界面情况也有具体指出；Ahmed等[28]发现在R不同时，0.6%的PPF掺量仍为最佳，此时抗压强度增幅与50%的R相近；Luo等[33]研究PPF与人造砂复合RAC的工作性能和力学性能，发现纤维的最佳掺量随混凝土强度等级的不同而不同，在纤维掺量为0.6 kg/m3时，各强度等级混凝土的抗压强度均有明显提高。PPF在不同骨料替代率下的表现如表2所示

表2 PPF在不同骨料替代率下的表现

注：1～4表示影响程度，由强到弱；“*”表示最佳纤维掺量

2.3 钢纤维与聚丙烯纤维混掺

通过前面2种纤维的综述可以发现，SF可以限制裂缝出现直至破坏阶段的发展，PPF可限制早期的裂缝出现和发展，混杂SF和PPF的使用对RAC的力学性能存在良好的耦合效应。

混掺SF与PPF方面，孔祥清等做了大量的研究，已形成较为成熟的体系。在断裂性能的研究上，孔祥清等[34]发现RAC的抗断裂性在SF和PPF的掺入下均有提高，其中SF的改善效果优于PPF，且SF掺量为1.5%、PPF掺量为0.9%时改善效果最理想；在基本力学性能上，孔祥清等[35-37]指出：当SF掺量为117 kg/m3，PPF掺量为0.6 kg/m3时，混杂纤维RAC的增强效果表现较好，

提升抗压强度建议采用单掺SF，在抗拉、抗折和抗冲击性能的改善上则建议混掺。此外，章文姣等[38]通过试验也发现了上述的对比规律，并指出SF是RAC弹性模量的主要影响因素；在微观领域He等[39]利用SEM清楚地观察到混掺之后的水泥浆体密度和均匀性更好；在弯曲韧性上，孔祥清等[40]得出结论：混掺纤维的效果优于单掺，SF掺量为1.0%、PPF掺量为0.9%时，RAC抗弯性能最佳。

3 总结及展望

通过上述对不同R下2种不同纤维混掺的研究分析，可以得出如下结论与展望：

(1)SF对于RAC的增强上，主要集中于抗拉、抗折、抗剪和抗冲击这4个方面。需要特别指出，本文相同R下存在不同最佳纤维掺量值，原因主要集中于再生骨料的初始强度和试验所掺加的其它材料。此外，还需注意多种因素的耦合作用、施工技术上的改良，并着重微观领域对纤维增强机理的进一步研究。

(2)PPF在RAC中的表现上主要集中于抗拉、抗折以及早期的抗裂方面，同时可以发现在不同的文献中对PPF在增强RAC抗压性能上存在分歧。回到不同的R条件下，对应纤维掺量需结合与试验的相似性进行选择。在施工上，除与SF有相同问题外。在搅拌时PPF自身柔软体质易造成断裂破碎等现象，后续影响的研究尚需进一步探索。

(3)在混掺SF和PPF上存在最佳组合，分别是1.5%掺量的SF和0.9%掺量的PPF。两者最佳组合可以有效的增强RAC的基本力学性能。在对比单掺与混掺上，单掺仅在增强RAC抗压强度上表现其优越性，而在其他性能上混掺会更胜一筹。

(4)当前，墙板发展面临2大问题，①门窗洞口的应力集中，②墙板相对轻质高强的材料，而恰好在这2方面纤维RAC存在一定优势，但需要验证2个问题：①SF与PPF的混掺是否有益于墙板洞口应力分散，②纤维掺量与R的微妙关系是否能实现一定质量的减轻。

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Research Progress on Mechanical Properties of RAC Fibers with Different Aggregate Replacement Rates

MA Jun1, WANG Chen2

（1. Bohai University, Jinzhou, Liaoning 121013, China;2.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Based on a large number of literatures at home and abroad, the current research results on the effects of fiber content with different regenerated aggregate replacement rate on RAC mechanical properties were summarized. The relationship between recycled aggregate and fiber content, the mechanical properties of steel, polypropylene and blended fiber RAC under different aggregate replacement rates, and the corresponding development prospects are summarized and pointed out in order to provide convenience for the better application and promotion of fiber recycled concrete in engineering.

regenerated aggregate replacement rate; fiber content; recycled concrete; mechanical properties; fiber recycled concrete.

10.15916/j.issn1674-3261.2023.05.011

TU528

A

1674-3261(2023)05-0337-05

2023-06-19

马骏(1970-)，男，天津人，高级工程师，本科。

责任编辑：孙 晶