纤维增强再生骨料混凝土的力学与耐久性能研究现状

杨文栋，孙成刚

(1 东北林业大学 土木与交通学院， 黑龙江 哈尔滨 150040；2 南京林业大学，江苏 南京 210042)

将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级，按照特定比例与级配混合砂、石等天然骨料后，再加入溶剂和胶凝材料，所形成的新混凝土称为再生混凝土，主要包括再生粗骨料混凝土和再生细骨料混凝土[1-2]。当前国内建筑工程中，地基加固、砌体墙和室外地坪垫层等施工中通常会使用一定量的再生混凝土，以提高废弃混凝土利用率，但应用范围相对有限，应用量较少，也尚未从根本上解决废弃混凝土处理问题。如能充分实现废弃混凝土的再利用，则能降低混凝土成本并节省天然骨料，缓解当前建筑工程中存在的骨料供需矛盾问题，提高工程经济效益，推动社会可持续发展。相较于普通混凝土，再生骨料混凝土流动性相对较差，其中加入的纤维成分能提高再生混凝土韧性，抑制混凝土结构收缩并提高抗拉强度。目前常用的废弃纤维主要包括涤纶纤维破碎材料、废弃丙纶地毯等[3]，这类废弃纤维可以作为再生混凝土增强材料，改善再生混凝土应用性能，避免由于填埋处理导致的废弃纤维浪费，可节约资源，实现环保效果。

作为新型绿色材料，再生混凝土的应用实现了建筑垃圾的资源化处理，同时避免了传统建筑工程中建筑垃圾难以处置的问题，符合可持续发展理念，有效提升建筑工程经济和社会效益，有利于推动城市建设工作的有序开展。但再生骨料相较于天然骨料而言，密度更低，孔隙率更大，且具有较高吸水率，内部结构也十分复杂[4]。为探究不同纤维对再生混凝土性能的影响，本文分析了碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维和聚丙烯醇纤维等材料对再生混凝土改性的增强效果，并探究纤维增强再生混凝土的耐久性能、力学性能变化，以期推动再生混凝土在建筑行业中的推广应用。

1 纤维材料概述

纤维增强再生骨料混凝土的性能由纤维改性增强，纤维的品种和长度都会对材料最终力学性能、耐久性能和工作性产生影响，因而建筑工程中实际应用纤维时，需要首先通过试验进行探究分析。为确保再生混凝土的增强效果，保证纤维再生混凝土的抗拉性能、抗劈裂性能，有效改善再生骨料混凝土抗渗性和抗碳化性能，试验所选纤维应当具备大于再生骨料混凝土的弹性模量。

当前，国内学界开展纤维再生骨料混凝土相关试验所选取的纤维材料主要包括废旧纤维、玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维，除此之外也有研究应用碳纤维、聚丙烯醇纤维等开展试验。国内以纤维为增强剂的再生骨料混凝土试验中，纤维材料可大致分为无机纤维和有机纤维。其中，无机纤维有玄武岩纤维、硼纤维、玻璃纤维、钢纤维、陶瓷纤维等，有机纤维包含PI纤维、M5纤维、PBI纤维、PBO纤维、PE纤维、丙纶纤维、锦纶纤维、腈纶纤维和涤纶纤维等。国外开展类似试验所用纤维和国内存在一定差别，但都是为探究再生骨料混凝土有关性能与纤维材料之间的关系。

2 纤维增强再生混凝土力学性能

2.1 抗压强度

张耀宗[5]选定0.15%体积率聚丙烯醇纤维和100%、70%、30%、0%替代率再生骨料，根据一定配合比制备再生混凝土，并分析其各项性能。结果显示，再生粗骨料替代率100%条件下，再生混凝土在加入0.15%体积掺量聚丙烯醇纤维后，抗压强度提升15.34%，制备所得再生混凝土抗压强度接近未加入纤维的天然骨料混凝土。孙呈凯等[6]通过试验分析得到了类似结论，试验中再生骨料替代率为30%，在水灰比0.50条件下，聚丙烯醇纤维体积掺量达到0.10%时为再生混凝土的最佳配合比。江涛锋等[7]试验结果显示，聚丙烯纤维体积掺量0.15%时，再生骨料替代率50%条件下的再生骨料抗压强度达到峰值，相较未掺纤维的天然骨料混凝土提升21.0%。

姚艳芳[8]通过试验获得了相似结果，试验表明，再生混凝土掺入0.15%聚丙烯醇纤维改性时，再生粗细骨料替代率100%条件下，制备材料具有最高抗压强度，进一步提升纤维掺量会引起基体孔隙率上升，导致材料后期强度下降。张玉廷等[10]分析了塑钢短纤维、聚丙烯腈纤维复掺条件下的再生混凝土各项性能，结果显示掺入0.3%塑钢短纤维、1.0%聚丙烯腈纤维条件下，再生纤维混凝土的抗压强度提升最明显。于婧等[11]提出了一种新型混杂钢纤维增强混凝土的配合比计算方式，并进行试验探究：首先通过计算获取水泥浆水胶比，结合砂包裹情况、纤维掺杂情况具体确定砂率，在混凝土和易性满足要求的基础上确定实验室配合比，而后进行力学性能测定。结果显示，水胶比为0.40条件下，混凝土的最佳纤维体积掺量在1.5%以下，此时所得材料的28d力学性能达到最大值。

2.2 抗折强度

归纳分析现有文献，分析钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维掺加后再生混凝土抗折强度变化。李娜等[12]分析不同聚丙烯纤维掺量下再生骨料混凝土的抗折强度变化，结果显示再生骨料掺量和聚丙烯纤维掺量分别为30%、1.0%条件下，再生骨料混凝土抗折强度比天然骨料混凝土提升38.0%。元成方等[13]通过试验探究废弃砖、废弃混凝土混掺条件下，再生骨料混凝土掺加聚丙烯纤维后性能变化，结果显示掺入0.13%体积掺量聚丙烯纤维后，再生骨料混凝土抗折强度比未掺纤维时提升13.3%。除此之外，还有学者通过试验分析了废弃纤维再生混凝土的结构承载性能[14]，探究再生骨料、纤维体积、纤维长度不同条件下，掺入纤维对再生混凝土的力学性能影响，并总结抗折强度计算表达式，为建筑工程应用废弃纤维再生混凝土梁奠定了理论基础。

2.3 劈裂抗拉强度

周陈旭等[15]探究了再生骨料替代率20%时，钢纤维体积掺量分别为2.0%、1.5%、1.0%和0.5%条件下再生混凝土的劈裂抗拉强度，结果显示，再生混凝土劈裂强度随钢纤维体积掺量提升，表现出先提升后降低的趋势，其中材料劈裂抗拉强度在钢纤维体积掺量1%条件下达到最大值，为7.69MPa。然而杨潇等[16]研究发现，再生混凝土的劈裂抗拉强度影响因素中，钢纤维体积率的影响较大，再生骨料取代率影响较小，因此，应用适当掺量的钢纤维能显著提升混凝土劈裂抗拉强度，推荐最佳配合比条件下，再生骨料取代率为50%，钢纤维体积率为2.4%。

学者周静海等[17]分析了废弃纺织纤维用于改善再生混凝土性能的应用效果，探究不同种类纺织纤维、纤维体积掺量、纤维长度、再生混凝土的养护时间、水灰比、取代率等对再生混凝土拌和物抗拉强度、和易性的影响，并提出废弃纤维再生混凝土配合比设计方法，为建筑工程应用废弃纺织纤维再生混凝土提供理论依据。另外，通过配合比试验与微观分析，探究了废弃纤维混凝土的工程应用[18]，结果显示掺入废弃纤维后混凝土抗拉强度显著提升，应用废弃纤维再生混凝土有利于提高再生骨料利用率，降低工程造价，拓展废弃纤维应用范围，促进固体废弃物治理工作的有序开展。

3 纤维增强再生混凝土耐久性

3.1 抗冻性

王丽丹等[19]设计正交试验，探究聚丙烯纤维再生混凝土抗冻性能，结果显示：掺入0.9kg/m3聚丙烯纤维，再生骨料替代率50%条件下，混凝土抗冻强度达到峰值，为基准组的106.8%；掺入聚丙烯纤维后，混凝土抗冻融性能显著提升；再生骨料替代率、粉煤灰掺量对材料抗冻性能影响最大，聚丙烯纤维掺量的影响次之。然而，对比张玉廷等[10]的研究成果可知，掺入10%硅灰、0.2%塑钢纤维、1.0%聚丙烯腈纤维条件下，再生骨料混凝土抗冻性能达到最大，其中钢纤维、硅灰和聚丙烯腈纤维在再生骨料混凝土抗冻性能影响因素中比重最大。李金泽等[9]研究结果显示，掺入0.9kg/m3聚丙烯纤维，再生骨料取代率60%条件下，再生骨料抗冻性能有效提升。陈爱玖等[20]设计正交试验分析了再生骨料混凝土抗冻性能的主要影响因素，结果显示，掺合料的种类、再生骨料掺量对混凝土抗冻性能影响效果显著。

3.2 抗渗性

姜健等[21]研究了聚丙烯纤维掺量不同条件下混凝土的抗渗性能，结果显示在一定水灰比条件下，聚丙烯纤维掺量从0%提升至10%时，抗渗等级提升范围为P8到P13，聚丙烯纤维的最佳掺量在7%～10%之间。顾月芹[22]通过试验探究发现，掺入0.2%聚丙烯纤维时再生混凝土抗渗性能得到明显改善，而掺入聚丙烯纤维体积掺量在0.4%以上时，不掺纤维和掺入纤维试件的渗水高度基本一致。

3.3 抗碳化性能

杨潇等[16]试验分析结果显示，随掺入钢纤维体积率提升，再生混凝土碳化深度先降低后提升，掺入1.8%体积率钢纤维，再生骨料取代率50%时，钢纤维再生混凝土碳化深度达到最小值，密实度较大，具有最佳的抗碳化性能。闫春岭等[23]分析了再生混凝土抗碳化性能在钢纤维掺量、再生粗骨料取代率、水灰比不同条件下的变化，结果显示钢纤维体积率对钢纤维再生混凝土碳化过程产生的影响最明显，其次为再生粗骨料取代率，水灰比影响最小。闫春岭等人研究显示，再生混凝土碳化深度在掺入1.0%体积率钢纤维时降低，可见掺入钢纤维有助于抑制再生混凝土的碳化现象。还有学者[24]分析了再生混凝土中掺入废弃纤维的应用效果，分析再生混凝土碳化深度、碳化程度和抗压强度在碳化时间、浓度不同条件下的变化，总结废弃纤维再生混凝土碳化深度的各项计算公式，为深入分析再生混凝土的抗碳化性能提供了依据。

4 结语

在建筑行业应用的再生骨料混凝土中，选用的再生骨料虽获取便利、来源广泛，但性能差异巨大，限制了其大规模的推广应用。经过数十年发展，混凝土生产工艺、配合比设计方法均已成熟，但目前工程实践中依旧存在原材料质量波动频繁的问题，使得混凝土配合比调整困难，引发混凝土质量问题，这也是目前进一步强化混凝土质量控制效果的主要方向。鉴于此，给出如下建议：

（1）未来需进一步深入分析再生细骨料、再生粗骨料和混合再生骨料的体系化建设，包括分类、生产和质量标准等。

（2）再生骨料混凝土耐久性能影响因素众多，减水剂种类、矿物掺合料类型、纤维品种等都会产生影响，目前学界虽已有大量研究，但还需要进行归纳整理，实现数据的系统化、信息化。

（3）建筑行业针对再生纤维的报道不多，且涉及再生混凝土抗碳化、抗侵蚀及抗渗性能的研究大多停留在单一因素影响条件下，因此还需要通过正交试验法，综合分析多种因素复合影响下的再生混凝土性能差异，这也将是后续研究的主要方向。