恶劣条件下纤维再生混凝土力学性能及微观研究综述

程传，金应锡，张晓洁

(1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.北京市工业设计研究院有限公司，北京 100055；3.大连大学建筑工程学院，辽宁 大连 116622)

1 引言

使用建筑废料生产混凝土可以提高资源利用率，是对城市建设原材料的有效开发利用，可以缓解对废弃混凝土的浪费问题。然而，使用废旧混凝土粉碎后所产生的骨料，其表面会粘附水泥砂浆，在粉碎的过程中其材料内部也会产生新的裂缝。这将使得再生骨料同天然骨料相比有些不足，比如吸水率大、空隙多、表观密度低等[1]。且我国地理环境复杂，混凝土结构暴露在冰冻、海水侵蚀或者严重的灾害下使得耐久性降低，会缩短混凝土的使用寿命。为了弥补这些不足，可以通过掺加纤维以此提高再生混凝土性能，国内外学者对此进行了大量研究。

2 高温后纤维再生混凝土力学性能研究

2.1 抗压力学性能

纤维再生混凝土的宏观力学性能及骨料取代率和纤维掺量有关。目前，已有研究表明玄武岩纤维能耐高温和抗酸碱腐蚀，并且抗拉强度和延性优异。掺入聚丙烯纤维[2]降低了混凝土中的有害孔隙，减小了内部孔隙，从而有效地抑制了裂缝的产生和发展，提高了混凝土的抗冻抗蚀能力。再生混凝土中添加纤维后，其抗拉强度、抗弯承载力、断裂能力等均有明显改善。

孔祥清等[3]以玄武岩纤维掺量为变量，研究不同掺量和温度对纤维混凝土的力学性能影响。研究发现，在200℃条件下，纤维断裂抗拉强度有较大幅度的提高，增加幅度在3.7%～10.4%之间。而在200℃以上，纤维断裂强度的破坏程度明显增加。

范锦泽[4]以玄武岩纤维的体积掺量和再生集料的替代率为变量，对再生混凝土的机械性能影响进行了分析。结果表明，2.6kg/m3纤维体积分数的玄武岩纤维对自密实再生混凝土的提升作用最大，比常规的自密实混凝土高19.1%。在高温条件下，每一组试样在400℃下的受压强度都达到了最大值。

SAHIN FURKAN 等[5]研究了玄武岩纤维对砂浆性能的影响，结果表明，玄武岩纤维有积极的影响，特别是当使用0.8%～1.2%纤维掺量时，它能够使抗压强度结果增加25%，使抗折强度增加50%。

2.2 抗拉力学性能

朱如意[6]对试件进行了劈裂抗拉强度测试，结果表明，玻璃纤维能有效地抑制混凝土的松散、脱落，使其整体性能得到改善。抗压强度和劈裂抗拉强度随着加热温度的升高而降低。在此基础上，加入玻璃纤维可以在一定程度上提高再生混凝土的耐热性能，降低裂纹的产生。在200～400℃时，质量损耗速度显著增大。在高温条件下，加入玻璃纤维可以降低混凝土的质量损耗。

李长安[7]完成了对玄武岩纤维混凝土的高温试验，对其抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量的变化进行了系统研究。试验结果显示，玄武岩纤维混凝土在200℃以上的温度下，其抗压强度、抗拉强度、弹性模量都有明显差异。在200℃以下，随着温度的增加，抗压强度和拉伸强度逐渐增大，200℃以上反之则下降。在200℃以前，弹性模量没有明显改变，200℃以上，弹性模量随着温度的增加而下降。

Rafiei Pouya 等[8]通过研究新一代纤维增强混凝土工程水泥基复合材料（ECC），发现在加固的ECC 中加入BF，有效地提高了混凝土的抗拉和抗折强度，但抗压强度略有下降。在300～400℃范围内观察到明显下降，而当加热到300℃时，它平稳增加。加热到100℃时，抗压和抗折强度在获得轻微的应变后减弱了。这项研究为未来重点开发耐高温的ECC提供了研究基础。

3 冻融后纤维再生混凝土的力学性能

3.1 抗压力学性能

在饱和水状态和冻融的循环交替作用下，混凝土因此产生了冻裂，导致混凝土弹性模量和力学性能严重降低，从而导致了混凝土的断裂。目前，纤维对混凝土的抗冻性能改善普遍认为有以下四个原因。第一，纤维在混凝土中三维空间分布特性，会明显抑制早期裂缝的生成；以及收缩裂缝和连通裂缝的产生；第二，掺加的适量纤维可优化混凝土内部孔隙结构，减小孔隙率，增加密实度，增大抗水腐蚀能力；第三，掺加纤维会使得混凝土内部含气量增大，减小冻融过程中的渗透压力和静水压力；第四，纤维对混凝土内部集料起到“承载”的作用，降低了混凝土表层析出、集料分离等问题的发生概率[9]。

朱柏衡[10]采用直接拉拔试验方法，对BFRP 筋与再生混凝土粘结-滑移特性进行了研究，并分析混合纤维（含0.2%纤维素纤维与0.2%玄武岩纤维）的掺入及冻融次数对混凝土性能的影响。研究结果表明，在相同的冻融循环下，玄武岩纤维与纤维素纤维混合后，可以显著地提高玄武岩纤维和BFRP 筋与再生混凝土的抗拉弹性模量，从而有效地提高了二者粘结-滑移曲线上的峰值结合强度。

3.2 抗拉力学性能

皇甫秉辉[11]利用快速冻融技术，对PVA 和玄武岩纤维在再生混凝土中的抗冻性影响进行了研究。研究发现，在冻融250 次后，普通的再生混凝土试样已不完整，而在300 次冻融循环后，掺入纤维试样表面粗糙集料暴露，但总体完整性良好。在相同的冻融循环次数下，两种不同掺量的纤维混合后能显著改善再生混凝土的抗冻性。

Peng Gaifei 等[12]对钢纤维再生混凝土的机械性能，包括抗压强度、拉伸劈裂强度和断裂能量进行研究，结果表明，钢纤维可以增强UHPC 和混凝土的强度和韧性。由于再生钢纤维的卷曲形状、较高的抗拉强度（1800～2000MPa）和适当的直径（1mm），UHPRSFRC 的钢纤维不会立即被拉断，缩颈现象明显。在60kg/m3的情况下，回收钢纤维或工业钢纤维的用量，UHPC 的拉伸劈裂强度可以提高25%～30%。

4 高温后纤维再生混凝土的微观研究

4.1 微观形貌研究

混凝土材料的宏观物性主要取决于其化学组成和孔隙结构，加快对微观结构的深入理解和掌握，对其性能的改善起着重要作用。在此基础上建立微观结构与宏观力学性能的联系，这对于改善材料的综合性能以及促进其设计与开发都有一定的指导作用。

王永贵等[13]利用电子显微镜和XRD对高温处理后的玄武岩纤维混凝土进行了显微观测。结果显示，随温度的增加，材料的烧失率增加，抗压强度和最佳的纳米氧化硅含量下降，砂浆基体、界面过渡区、纤维与砂浆之间的结合性能恶化，且CH 结晶和C-S-H 凝胶的质量浓度下降。随着取代速率和质量分数的增加，材料的烧失率和抗压强度随之下降，而砂浆的基质也会变得疏松。研究发现，不同的温度、骨料取代率、纳米氧化硅含量等因素会显著地影响再生混凝土的力学性能。

Xie Jianhe 等[14]通过扫描电子显微镜（SEM）研究了钢纤维再生混凝土的降解机制。研究发现，水的蒸发和混凝土中氢化物的分解是导致混凝土强度下降的主要原因。混凝土中的水分蒸发和氢化物的分解是导致RAC 抗压性能下降的主要原因。RAC 的抗压性能随着温度的升高而降低，但钢纤维的加入大大抵消了这种负面影响。得益于硅灰和钢纤维的卓越耦合效应，含有硅灰的钢纤维RAC（SRAC）在高温环境下表现出优异的抗压性能。

4.2 孔结构研究

混凝土作为一种多孔介质，其孔隙结构在混凝土研究中起着举足轻重的作用，对混凝土的抗渗、抗冻性、强度等宏观物理力学特性具有很大的影响。通过对混凝土孔隙结构的研究，可以有效地揭示混凝土的力学性能机理和预测其宏观力学性能变化规律。

袁少林[15]利用SEM 技术，观察和分析了聚丙烯-玄武岩混合纤维RAC 在高温下的显微结构，探讨了不同温度对RAC 显微形态的影响。在室温下，水泥浆体组织及呈连续块状C-S-H 凝胶均完整、致密，Ca(OH)2为不规则的片状结晶，未水化的水泥颗粒为球状。在200℃下，由于水在汽化过程中所产生的水蒸气会加速水泥颗粒的水化作用，从而使结构变得更为致密。200℃以后，随着加热温度的增加，C-S-H 与Ca(OH)2结晶逐渐脱水、分解，使其内部的空隙逐渐增加，并且结构更加疏松。

5 冻融后纤维再生混凝土的微观研究

5.1 微观形貌研究

吴永强[16]利用电子显微镜对试件的显微组织进行了扫描，结果表明，玄武岩纤维的长度越大，越容易产生有害的孔隙，而不利的孔隙在冻融循环中会使混凝土的力学性能严重下降，粉煤灰中细小的球形粒子能够填充微孔，提高其工作性能，增强其抗冻融能力。

张秉宗等[17]根据现场取样，通过XRD 对混凝土水化产物进行分析，采用核磁共振技术，从微观角度对混凝土内部的孔隙变化情况进行了分析。结果表明，PFRC 可以提高混凝土在复盐体系中的冻融次数，并显著降低混凝土的脱落。当试验结束时，0.9kg/m3纤维掺量的PFRC 与常规混凝土相比，降低了3.61%。在细观层面，聚丙烯纤维的加入使混凝土的微观孔隙结构得到了轻微的改善，但并不显著。聚丙烯纤维对“加速劣化”期混凝土的毛细孔和非毛细孔的增加具有明显的抑制作用。从微观形态上看，在混凝土中产生的腐蚀产物是导致裂缝发生的主要原因，而PP 纤维对AFt、CaSO4等腐蚀产物的形成没有起到抑制作用。

5.2 孔结构研究

赵燕茹等[18]以纤维体积率和冻融循环次数为主要参数，对玄武岩纤维混凝土的抗盐冻性能进行了试验，采用3.5%的氯化钠水溶液浸泡冻融后，观测玄武岩纤维混凝土的微观形貌。研究发现，进行冻融循环后，掺加玄武岩纤维能大大减少混凝土的质量损耗，并能放缓其相对动弹性模量的下降速率，玄武岩纤维的添加能起到一定的抑制开裂作用，减小基体孔隙、孔洞的数目，延缓初期开裂和互相贯穿裂缝的发生，从而使混凝土的抗盐冻性能比一般混凝土好。

ORTEGA-LOPEZ VANESA 等[19]利用压汞法对纤维混凝土进行孔隙率、孔径大小的测量，MIP 分析和毛细管吸水试验结果表明，纤维增强的CEAFS 总体上具有良好的性能，可以承受腐蚀性的环境。未增强的CEAFS 显示出稍差的性能，预示着较弱的耐腐蚀性。

6 总结及展望

由上述分析可以看出，掺加适量纤维对再生混凝土的性能都有很大提高，但是影响因素单一，实际工程应用比较复杂，很少遇到单一因素影响，当前需要对多重因素的复杂环境下进行更深入的研究。我国地理环境复杂，今后需对多重耦合的复杂环境条件，如冻融、盐蚀、碳化和荷载共同作用下的耐久性能进行研究，这样能更好地应用于工程实际。

分形维数本质上是反映多孔介质孔隙结构在空间分布中复杂度的一个参量，随着分形维数的增加，孔隙的空间形状和形状的变化越复杂。目前已有许多测量混凝土内部孔隙结构的方法，如光学法、压汞法、吸附法、X 射线衍射法等。可以围绕这些测孔方法数据建立分维模型，计算孔容分维、孔表面积分维、孔隙率分维，可以根据这些分形维数来确定孔隙的复杂性。