钢纤维再生混凝土的研究与展望★

熊毅 蒋华 何勇

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

1 再生混凝土的产生背景

据有关资料的显示，进入21世纪全世界每年消耗的混凝土为20亿m3左右，其中仅砂石用量至少在30亿t以上，而中国作为世界上最大的发展中国家，其中的消耗量更是占了其中的大多数。我国的幅员辽阔，随着经济的发展，越来越多的早期建筑逐渐到达了建筑的使用寿命的设计年限或者为了适应城市不断的发展需要，这些建筑都面临着要拆除的境地，并伴随着大量的建筑垃圾的产生。由于废弃混凝土的成分为基本水化完全的钙的硅酸盐、钙的铝酸盐，在自然环境中很难自然降解。原来的处理方法主要是填埋，需要占有大量的土地，对环境有极大的负面影响。再生混凝土，主要是来源于已有的建筑、桥梁、公路拆解或者破碎下来的废弃混凝土块，经筛选、清洗等环节，作为再生混凝土的骨料进行重新拌制产生的混凝土。用天然碎石或卵石以及砂子制作的混凝土称为原生混凝土。研究并使用再生骨料混凝土，可以在一定程度上解决大量混凝土废渣处理困难的问题并且缓解了生态环境所面临的巨大压力。此外，用再生骨料替代天然骨料，可以减少土木工程对自然资源的消耗，从根本上解决了由于大量的建设工程对生态环境带来的破坏，保护了人类的生存环境，符合我国提出的可持续发展的经济模式。

2 国内外研究历程

2.1 国内研究历程

抗压、抗拉强度低、脆性大、易开裂是再生混凝土的天然缺陷，其特点限制了再生混凝土在实际土木工程中的应用。通过实验发现，在再生混凝土中掺入钢纤维，可显著地改善再生混凝土的抗拉性能、抗弯性能、抗渗性能等，具有较好的延性及控制裂缝的能力，这可使再生混凝土的应用变得广泛。不过，钢纤维再生混凝土是最近十年才逐渐引起人们的注意，并有大量研究成果出现。这些成果主要是在钢纤维对混凝土的基本力学性质、应力—应变关系以及水灰比等一些方面的基础研究，以及把钢纤维再生混凝土制作成建筑构件(主要是柱和梁)研究其振动、冲击、耐火、耐环境侵蚀等方面的性能试验。这些钢纤维再生混凝土的研究在很大程度上是以对照已有的对原生混凝土研究成果为基础。目前我国很多大学院校以及一些专门的科研院所都在对再生混凝土进行研究，研究的内容比较丰富，研究成果也有许多，并且很多成果都逐渐应用在实际的工程领域中。我国的一些公路、机场跑道的建设都相继使用再生混凝土，如上海虹桥机场道路的路面铺设。但由于在建筑中的结构构件比公路道路结构的受力复杂，尤其考虑当建筑在地震、强风的作用下时，建筑物的受力还会产生相应的复杂变化。所以再生混凝土的建筑构件的研究是近十几年的再生混凝土研究的主要方向。

同济大学建筑工程系的肖建庄［1］教授等对再生混凝土梁抗弯刚度计算公式进行了研究。通过试验发现GB 5010-2002混凝土结构设计规范中的刚度计算公式不适用于再生混凝土梁。简单考虑再生混凝土的抗拉强度和弹性模量的降低，无法完全解释再生混凝土梁变形性能比普通混凝土降低的幅度。并且再生混凝土与钢筋间的粘结能力比普通混凝土与钢筋间的粘结能力低，以及受压区再生混凝土变形与同条件普通混凝土相比增大，对再生混凝土梁变形性能的影响不能忽略。

哈尔滨工业大学土木工程学院的杨海涛［2］等对钢筋与再生混凝土握裹力的试验研究发现，随着再生粗骨料取代率的增加，握裹强度呈现先上升再下降的趋势，但再生混凝土的握裹强度整体上都大于普通混凝土的握裹强度;再生混凝土的粘结滑移曲线基本上与一般混凝土的粘结滑移曲线没有区别，只不过再生混凝土滑移曲线的斜率要比普通混凝土的大;握裹强度随水灰比的增大而减小，为了提高再生混凝土的粘结性能，水灰比应在0.40 ～0.45区间内取值。大连理工大学的刘岳鑫等［3］通过研究钢纤维对钢筋自密实混凝土梁抗剪性能的影响，试验结果表明，在混凝土中加入一定掺量的钢纤维可以限制裂缝的产生和开展，增强了梁的整体性，明显提高钢筋混凝土无腹筋梁的抗剪承载力;少腹筋梁的抗剪承载力和对应的极限挠度随钢纤维掺量的增加而显著提高。在混凝土中加入一定掺量的钢纤维可以限制裂缝的产生和开展，增强了梁的整体性。明显提高钢筋混凝土无腹筋梁的抗剪承载力;少腹筋梁的抗剪承载力和对应的极限挠度随钢纤维掺量的增加而显著提高。

2.2 国外研究历程

钢纤维混凝土最早出现于20世纪初。在1910年，美国人Porter首创纤维混凝土的研究，一年之后美国的Graham正式将钢纤维掺加到混凝土中去，并初步验证了其优越性。从第二次世界大战后，世界各国进行了这方面的研究和开发利用。1963年由美国人J.P.Romualdi和B.Batson提出的基于线弹性断裂力学的纤维间距理论，并认为在向混凝土施加外力时，混凝土内部的裂缝、孔隙会扩展，最终导致混凝土的破坏。因此在混凝土掺入钢纤维之后，可以有效地提高混凝土受力前后阻止裂缝产生和发展的能力。20世纪70年代，国际熔钢抽丝技术的开发，很大程度上降低了钢纤维的生产成本，为钢纤维在混凝土工程中的大规模应用奠定了基础。

由于废弃混凝土的量越来越多，加上再生混凝土的研究和钢纤维生产工艺越来越完善，人们清楚地认识到再生混凝土的重要性和可行性。作为可以改善再生混凝土性能的重要措施之一，钢纤维再生混凝土的使用受到了大量的关注。世界上的化学公司都相继开发出钢纤维产品以满足世界对钢纤维再生混凝土的需要，如美国杜邦公司、3M公司、日本帝人公司等都开发出了多种水泥增强用纤维品种，并在道路、桥梁、超高层建筑、地铁、隧道等土木工程领域中获得了广泛应用，收到了理想的工程效果。纤维混凝土的强度、韧性和耐久性都得到了极大的提高，使之代替传统的钢筋混凝土或预应力混凝土处理某些特殊工程情况已经逐渐成为国际趋势。H.F.Porter［4］在一系列的水泥砂浆试块中加入短钢纤维进行试验，试验结果表明:在砂浆中加入钢纤维可以显著提高其抗拉、抗压强度。Graham将钢纤维加入混凝土中并进行力学性能试验，试验结果表明:钢纤维混凝土相比较于普通混凝土而言，其强度和延性都有较大幅度的提高，并以此申请到美国第一项 SFRC 技术专利［5］。J.P.Romualdi［6］和 G.B.Batson 通过研究提出了纤维间距理论(对拉伸应力起有效作用的平均间距决定钢纤维混凝土的开裂强度)，这在很大程度上促进了纤维混凝土的研究和应用。

3 再生混凝土尚需研究的问题

3.1 再生混凝土骨料的裹浆率

再生混凝土骨料大多数是从原有建筑物的拆迁现场经过分筛、清洗得到的。再生混凝土骨料来源于原有建筑的不同部位，经过进一步再破碎，分筛、清洗导致骨料的种类大概分三种:纯水泥砂浆碎块、水泥砂浆与原生粗骨料的混合物、原生粗骨料。纯水泥砂浆块的强度取决于之前建筑物修建时，混凝土的配制强度，经过一定年限的使用，受环境因素和使用情况的影响使这种再生骨料的强度一般低于原生混凝土的初始强度。原生粗骨料的碎石与卵石普遍高于混凝土的强度值，在国内外的再生混凝土实验中基本上没有看到在再生混凝土破坏中此种粗骨料自身发生破坏的。在再生混凝土使用过程中，使用此种骨料，混凝土的设计配合比基本上可以不用考虑粗骨料的强度就能满足使用要求，可以直接作为原生骨料使用，在强度方面的考虑可以直接参照现有的混凝土配合比的设计理论。

在再生混凝土强度的设计中，若再生粗骨料的强度不能达到一定的强度要求，那么使用这种骨料产生的再生混凝土的强度会有很大的影响。所以，在再生混凝土的强度设计过程中需要根据粗骨料的具体类型(水泥细骨料粘结块、水泥原生骨料的混合物、水泥原生粗骨料粘结块)来对现有的普通混凝土强度设计进行修正或应重新建立专门的再生混凝土强度设计公式。

3.2 再生混凝土骨料来源的问题

由于再生混凝土的骨料基本来源于已有的建筑、桥梁、公路。由于原生混凝土的骨料类型、原生混凝土的强度、工程使用环境、使用年限的不同，导致再生粗骨料具有非常大差异性。如何把这些骨料用好是一个到目前为止在工程上还没有得到共识的问题。由于国家现有规范还没有这方面的涉及，并且出于工程安全性的角度，目前，主要的混凝土废渣的主要用途基本是将具有一定强度保证的混凝土废渣用来当作路基的填料，或者是某些小型边坡的填料。在土木工程的其他领域应用还不是很多。此外，某些场合的混凝土是不适于当作再生混凝土的骨料的。比如，在受海水浸泡的桥墩拆解下来的混凝土，有化工工业腐蚀的混凝土以及在核电站或者暴露在放射性环境中的混凝土均不适合用于再生混凝土当中。

3.3 钢纤维在再生混凝土中的使用

查阅大量的有关再生混凝土的论文，再生混凝土的本身强度基本上都会低于原生混凝土强度。为弥补再生混凝土强度上的天然缺陷，往往在再生混凝土中掺入一些纤维掺料或者其他的一些矿物，比如钢纤维、碳纤维、玄武岩连续纤维、钒钛矿渣等。在钢纤维再生混凝土这方面，钢纤维在再生混凝土中的作用基本上延缓混凝土的开裂现象，从而增加再生混凝土的强度。但是，通过大量的实验发现，在再生混凝土破坏时，再生混凝土开裂，而掺入的钢纤维基本上没有什么变形或者破坏。钢纤维的强度基本上没有发挥出来，形成钢纤维的强度“浪费”。但是，若是降低钢纤维的含量，不能起到防止再生混凝土过早开裂，提高混凝土强度的目的。如何达到使用钢纤维的最佳平衡点，仍是以后需要进一步研究的问题。

4 再生混凝土的发展与展望

再生混凝土本身单纯作为混凝土骨料，无论是从骨料的纯度以及骨料强度的稳定性来看，其应用前景并不是很大。现在应用前景较为广阔的是，将钢纤维加入再生混凝土中形成钢纤维再生混凝土。其抗拉、抗裂性能都比单纯的再生混凝土有较大提高。由于钢纤维具有锁住再生混凝土粗骨料，防止再生混凝土过早开裂的作用。在再生混凝土拌合时，钢纤维可以使再生混凝土的流动性降低，可以用于混凝土早期流动性比较低，需要短时间能定性的工程环境。比如，在隧道开挖时需要使用喷射混凝土进行临时支护，以及在一些边坡治理与加固的工程环境中，利用钢纤维再生混凝土流动性低，内部含有钢纤维进行拉结的特点，配合锚杆的使用可以使边坡的加固效果更好。另外，由于再生混凝土中含有大量的钢纤维，再生混凝土的抗偶然荷载的能力也有所提高，在军事建筑工程领域也可以列于抗爆工程的范围。此外，在建筑物的某些次要部位使用钢纤维再生混凝土，可以使建筑物在遭受地震作用的时候，钢纤维再生建筑构件在破坏之前可以吸收较多的能量，从而减缓地震能量对建筑本身的破坏，起到一定的抗震作用。

5 结语

钢纤维再生混凝土与普通原生混凝土相比，虽然在力学性能上有一定的不足，但是其对于环境保护、资源的可持续利用方面具有重大的意义。其具有的独特的工程特性也是一般混凝土所不具备的，如果能在正常的工程环境中，合理的使用钢纤维再生混凝土，那么其价值会与普通原生混凝土相当。

［1］肖建庄.再生混凝土梁抗弯刚度计算公式的研究［A］.首届全国再生混凝土研究与应用学术交流会［C］.2008.

［2］杨海涛，田石柱.钢筋与再生混凝土握裹力的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2013(3):6-10.

［3］刘岳鑫，丁一宁，刘思国，等.钢纤维对钢筋自密实混凝土梁抗剪性能的影响［J］.混凝土，2009(10):83-87.

［4］Porter H F.The Preparation of Concrete-Form Selection of Materials to Final Deposition［J］.Journal Proceedings of American Concrete Institute，1910，6(2):296.

［5］Ronald F Z.Fiber-reinforced concrete:an overview after 30 years of development［J］.Cement and Concrete Composites，1997，19(2):107-122.

［6］Romualdi J P，Mandel J A.Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed and closely spaced short lengths of wire reinforcement［J］.ACI Journal，1964，61(6):67-71.

［7］欧阳幼玲，陈迅捷，陆采荣，等.钢纤维和仿钢纤维喷射混凝土性能［J］.东南大学学报(自然科学版)，2010，40(Z2):44-48.

［8］刘庆涛，岑国平，蔡良才，等.机场道面再生混凝土的性能与应用［J］.中南大学学报(自然科学版)，2012，43(8):3263-3269.