废PET塑料纤维对再生混凝土基本性能的影响

彭全敏，陈炳蔚，张 彦,3，鹿 群,3，刘洛源，郭晓宇

(1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384； 3.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；4.无锡拈花湾文化投资发展有限公司，无锡 214091)

0 引 言

为持续满足混凝土材料的需求量,大量开山采石已引起生态环境破坏，与此同时,拆除旧的建筑和基础设施所产生的混凝土废弃物又因堆放而不断占用宝贵的土地资源,利用废弃混凝土制成再生骨料进而生产再生混凝土是混凝土材料可持续发展的必由之路。再生骨料自身存在微裂纹和表面附着老砂浆等缺陷，导致再生混凝土的力学性能和耐久性能略逊于普通的天然骨料混凝土[1-3]。为拓宽再生混凝土的应用范围，添加各种纤维来增强再生混凝土[4-7]成为近些年学术界和工程界研究的热点。

随着工业的发展，塑料制品逐渐增多，虽然可以回收再利用但仍有相当一部分被弃作垃圾而填埋。其中大量的塑料瓶、塑料桶主要由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料制成，该物质因不腐烂、难降解已引发环境污染，将废PET塑料制成混凝土增强材料已成为近些年国外学者研究的热点。PET回收再利用的方法之一是将收集的PET瓶通过热熔生产成纤维，将再生纤维掺入混凝土。基于这种方法，Ochi等[8]得出了用再生PET纤维增强普通混凝土性能可行的结论，并列举了再生PET纤维在日本应用的两个工程案例；Fraternali等[9-10]开展了再生PET纤维混凝土的各种物理力学性能试验；Kim等[11]对再生PET纤维混凝土配筋梁进行了弯曲试验。基于PET回收再利用的第二种方法，将收集的PET塑料瓶洗净后剪切成纤维条，Foti[12-13]开展了再生PET纤维混凝土的材料性能试验及配筋梁试验；Borg等[14]、Kumar等[15]均研究了PET纤维形状对混凝土性能的影响；Khalid等[16]对PET环状纤维开展了纤维抗拔强度研究；Thomas等[17]对掺少量高岭土和PET纤维的混凝土进行坍落度和强度试验；Mohammed等[18]将PET纤维应用于高强度混凝土，研究了纤维混凝土的力学性能试验及纤维混凝土配筋梁的结构性能。

就目前国外学者对PET纤维混凝土抗压强度的试验研究可以发现，因原材料的性能、几何尺寸、配合比等不同，PET纤维对混凝土抗压强度的影响规律各异。Kim等[11]指出，普通混凝土(水灰比0.41)的抗压强度随再生PET纤维掺量的增大而下降，降幅为1%～9%。Fraternali等[10]报道，与普通混凝土比，水灰比0.38的混凝土掺入两种不同形状PET纤维后，抗压强度分别降低5.7%、8.3%；Fraternali等[9]还得出，水灰比0.53的混凝土掺入三种不同再生PET纤维后，抗压强度比素混凝土高35.14%、22.03%和0.03%。Foti[12]试验发现，三种不同掺量、不同形状PET纤维掺入后，混凝土的抗压强度均低于素混凝土。Thomas等[17]报道，当纤维掺量不超过0.4%(体积分数)时，抗压强度逐渐增大，当掺量为0.6%和0.8%时，抗压强度分别下降7.4%、15.3%。Mohammed等[18]的试验结果显示，掺PET纤维使高强度混凝土的抗压强度、抗拉强度下降，且掺量越大，强度越小，抗拉强度损失小于抗压强度损失，纤维对高强度混凝土力学性能的影响与普通混凝土不同。Bui等[19]发现，水灰比0.45的全再生混凝土的抗压强度随废PET瓶纤维掺量的增大而减小。Irwan等[20]报道，PET纤维的体积掺量在0.5%时，纤维混凝土(水灰比0.65)的抗压强度比同水灰比素混凝土提高9.1%；掺量在1.0%、1.5%时，抗压强度分别比素混凝土低0.45%和17.65%。上述文献所用PET纤维特性见表1。

表1 文献所用再生PET纤维的基本信息Table 1 Basic information of recycled PET fibers used in literature

目前虽有用废地毯纤维[21-24]、再生钢纤维[25]、再生CFRP纤维[26]增强再生混凝土方面的研究，但废PET纤维增强再生混凝土的研究报道却较少。用废PET塑料纤维替代原生纤维，再生粗骨料替代天然粗骨料来制备混凝土，可更大限度地降低资源与能源的耗费，是实现绿色建筑的一种有益尝试，而开展废PET塑料纤维增强再生混凝土基本性能的研究则是开始绿色建筑材料尝试的第一步。

本文将收集来的废PET塑料瓶经人工剪切成一定宽度的纤维条，以纤维长度和掺量为变量，研究废PET塑料纤维对再生混凝土工作性能和基本力学性能的影响，探求废PET纤维增强再生混凝土作为结构混凝土的可能性。

1 实 验

1.1 材料与配合比

以P·O 42.5普通硅酸盐水泥为胶凝材料，细骨料为表观密度2 610 kg/m3、细度模数2.2的天然细砂。天然粗骨料为粒径5～20 mm的碎石，再生粗骨料从某再生骨料加工厂购得，粒径为5～20 mm，二者基本特性见表2。拌制时为获得较好的流动性掺入萘系高效减水剂，并使用自来水拌和。洗净的废矿泉水瓶取瓶身用切纸机裁成宽度为1～2 mm的纤维条，再剪成20、30、40 mm三种长度的PET纤维。用微机控制的电子万能试验机进行废PET塑料瓶片进行拉伸试验，测得纤维基本性能见表3。

表2 粗骨料基本性能Table 2 Basic properties of coarse aggregates

表3 PET纤维基本性能Table 3 Basic properties of PET fiber

以废PET纤维的长度和掺量为变量，共设计10组配合比，其中不掺纤维的再生混凝土(recycled aggregate concrete， RAC)一组，废PET纤维再生混凝土(fiber reinforced recycled aggregate concrete， FRRAC)9组，PET塑料纤维长度为20、30、40 mm，体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%(即7.1、14.2、21 kg/m3)。混凝土设计强度为C40，水灰比0.43，m(水泥) ∶m(细骨料) ∶m(粗骨料)=391 ∶643 ∶1 305，RAC的再生粗骨料质量取代率为50%，并根据再生粗骨料吸水率加入附加水，萘系减水剂掺量为水泥质量的1%。

1.2 试件制作与试验加载

采用强制式搅拌机拌合混凝土。搅拌程序如下：水泥与PET纤维先干拌1 min，随后加砂与三分之二的水搅拌1 min，再加入粗骨料搅拌2 min，最后加减水剂和剩余水搅拌1 min。出料后对各组新拌混凝土进行坍落度试验。

参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)，每组配合比制作6个边长100 mm的立方体试块，用于测试立方体抗压强度和劈裂抗拉强度。所有试块用塑料膜覆盖1 d随后拆模，在实验室水中养护28 d取出进行力学试验，抗压试验和劈裂抗拉试验的加载速率分别为5 kN/s和1.5 kN/s。

2 结果与讨论

2.1 坍落度试验

各配合比下新拌混凝土的坍落度值见图1。由图1可知，掺入纤维后，FRRAC的坍落度随纤维掺量的增大而下降，且纤维越长，坍落度降幅也越大。当纤维掺量为0.5%时，FRRAC的坍落度是RAC的84%～97%；纤维掺量超过0.5%后，FRRAC坍落度大幅下降，当体积掺量为1.0%和1.5%时，FRRAC的坍落度分别是RAC坍落度的46%～69%和32%～40%。PET塑料纤维的加入给浆体的自由流动增加了阻力，且纤维越多、越长，其阻碍作用也越大，混凝土流动性降低。国外学者在废PET纤维混凝土[17,26]和再生PVC纤维混凝土[27]的坍落度试验中均有类似发现，即纤维掺量越大，纤维混凝土的坍落度越小。

图1 不同混凝土的坍落度Fig.1 Slump of different concrete

2.2 抗压强度试验

根据RAC和FRRAC的28 d立方体抗压强度实测值分别绘出PET纤维掺量和长度对RAC抗压强度的影响，如图2所示。FRRAC的抗压强度是RAC强度的98%～120%，除掺入1.0%和1.5% 30 mm纤维的试件强度略低外，废PET塑料纤维对RAC抗压强度均有不同程度的提高。

图2 纤维对RAC抗压强度的影响Fig.2 Effect of fiber on compressive strength of RAC

由图2(a)可知，与RAC相比，当掺入0.5%废 PET纤维时，FRRAC的抗压强度明显提高，增幅达16%～20%；当PET纤维掺量为1.0%时，FRRAC抗压强度有所下降，增幅降至-2%～7%，除纤维长度30 mm试件的抗压强度略低以外，总体上仍不小于RAC；PET纤维掺量从1.0%增大到1.5%时，FRRAC抗压强度基本维持不变，增幅为0%～6%。由此可见，0.5%小掺量的废PET塑料纤维对再生混凝土的抗压强度明显有利，20～40 mm长PET纤维的最佳体积掺量为0.5%。此外，由图2(a)还可以看出，20、30 mm长的PET纤维对抗压强度的增强效果相差不大，而长度40 mm PET纤维的增强效应显著，增幅为6%～20%，明显优于20、30 mm的纤维。其原因是，当纤维掺量小时，混凝土中引入的纤维与基体间的孔隙或薄弱界面过渡区少，且在相同体积掺量下，因长纤维数量少，孔隙或薄弱界面过渡区更少，纤维对抗压强度的不利影响有限，与此同时，长纤维可以比短纤维更好地发挥桥接裂缝作用，其有利效应增大，故小掺量长纤维能提高再生混凝土的抗压强度。

由图2(b)可知，废PET塑料纤维掺量为0.5%时再生混凝土的抗压强度最高，且强度随纤维长度的增大而增大；掺量为1.0%和1.5%时，长度不大于30 mm的短纤维对RAC抗压强度的影响不大，当纤维长度增大到40 mm时，抗压强度增大，较RAC提高6%～7%。综上可知，在本文纤维长度和掺量的研究范围内，废PET塑料纤维有利于RAC抗压强度增大的最佳长度是40 mm。

2.3 劈裂抗拉强度试验

掺入废PET纤维后，FRRAC的劈裂抗拉强度显著提高，劈裂抗拉强度与抗压强度之比为由RAC的0.07提高到0.08～0.11，表明FRRAC的脆性有所改善，且PET纤维对抗拉强度的增强效果大于抗压强度， FRRAC的劈裂抗拉强度可达到RAC强度的1.38～1.57倍。与相关文献比较，掺入废PET纤维可对再生混凝土实现与宏观聚丙烯纤维[5]、钢纤维[28-29]相似的增强效果。

废PET塑料纤维的掺量和长度对RAC劈裂抗拉强度的影响见图3。由图3(a)可知，纤维从无到有(掺量0%～0.5%)时，再生混凝土劈裂抗拉强度提升幅度最大，之后随纤维掺量(掺量0.5%～1.5%)的增大，强度变化幅度逐渐减小。对于20 mm废PET纤维，当掺量不超过1.0%时，FRRAC的劈裂抗拉强度随纤维掺量的增大而提高，较RAC增长57%；掺量进一步增大到1.5%时，强度有所下降，增幅为47%；纤维掺量对20 mm纤维影响较大。对于30、40 mm废PET纤维，当掺量在0.5%～1.5%变化时，FRRAC的劈裂抗拉强度随纤维掺量小幅增减，掺30、40 mm废 PET纤维的FRRAC的劈裂抗拉强度分别是RAC的1.38～1.46倍和1.43～1.48倍，此时40 mm 废PET纤维的掺量对劈裂抗拉强度的影响不大。相比较而言，掺入一定量短PET纤维(1.0%的20 mm纤维)或掺入长PET纤维(0.5%～1.5%的40 mm纤维)均是提高再生混凝土抗拉强度的有效手段，这是因为增加纤维数量或纤维长度均可增大混凝土抗裂缝滑移的能力。

图3 纤维对RAC劈裂抗拉强度的影响Fig.3 Effect of fiber on splitting tensile strength of RAC

由图3(b)可知，废PET塑料纤维掺量为0.5%时，FRRAC的劈裂抗拉强度随纤维长度的增大而增长，纤维长度对劈裂抗拉强度的影响较明显；掺量为1.0%和1.5%时，FRRAC的劈裂抗拉强度随纤维长度时增时减，纤维长度的影响因受掺量影响而不明朗；PET纤维越长，掺量对劈裂抗拉强度的影响越小，因为较长的宏观塑料纤维可跨越更多裂缝，较好地发挥桥接作用并传力，其影响开始大于掺量的影响。可见，PET纤维的掺量和长度对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响存在此消彼长的现象。PET纤维掺量为0.5%时，3个不同纤维长度的FRRAC劈拉破坏后的断面如图4所示，可以看出， 40 mm长纤维的桥接裂缝能力最强，劈开的试块虽有多条贯穿裂缝但裂而不碎。

图4 劈裂受拉试件断裂面Fig.4 Fracture surfaces of splitting tensile specimens

结合现有PET增强天然骨料混凝土[16,20]和再生混凝土[19]的研究成果可以发现，废PET塑料纤维对普通强度的天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度均有增强效应。

3 影响因素显著性分析

运用统计学中的双因素方差分析，对影响再生混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的两个因素，即纤维掺量和纤维长度进行影响因素的显著性分析，结果见表4。

由表4可知，在0.05显著性水平下，废PET塑料纤维的掺量对再生混凝土抗压强度的影响显著，而纤维长度以及掺量与长度的交互作用对抗压强度影响不显著；然而，纤维的掺量、长度以及二者相互作用均对再生混凝土的劈裂抗拉强度影响显著，相比较而言，纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响稍弱于纤维长度和二者的交互作用。

表4 纤维再生混凝土强度的双因素方差分析结果(α=0.05)Table 4 Results of two-way analysis of variance for strength data of FRRAC (α=0.05)

因受力状态不同，废PET塑料纤维对再生混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响完全不同，针对不同的强度指标，PET纤维再生混凝土的最佳配合比也必定不同。在本研究中，掺0.5%长度40 mm废PET纤维的再生混凝土试块抗压强度最高，而掺1.0%长度20 mm废PET纤维的再生混凝土试块劈裂抗拉强度最高。综合考虑施工时的流动性以及使用时的抗压和抗拉强度需求，在取代率50%的RAC中掺入0.5%长度40 mm废PET纤维制成的FRRAC性能较优。

4 微观结构分析

图5 素混凝土RAC试件SEM照片Fig.5 SEM image of plain concrete RAC

从破坏的劈裂抗拉试件中取样喷金，用扫描电子显微镜进行微观结构分析，结果如图5和图6所示。由图5可知，RAC的絮状水化产物C-S-H凝胶中有未水化的C3S颗粒、较多的原始孔和少量板层状Ca(OH)2，结构疏松。由此可见，被老砂浆包裹的再生粗骨料的加入影响了水泥的水化，导致RAC的水泥石不密实。由图6(a)清楚可见，纤维虽有少量水化物包裹，但与水泥石之间的界面过渡区出现了裂隙；图6(b)和(c)显示FRRAC水泥水化反应较好，其水泥石较RAC密实，有极少的原始孔和微裂纹。基于图6所反映的微观形貌以及前文纤维对强度的影响分析可以得出，虽然掺纤维会引入薄弱的界面过渡区，但结构较致密的水泥石以及纤维桥接裂缝的作用使FRRAC的强度整体上不低于RAC，且因纤维与基体的裂隙对劈裂抗拉强度影响较弱，而受拉状态下纤维阻裂效应较强[19]，FRRAC的劈裂抗拉强度反而明显高于RAC。

图6 RAC-PET1.0%-40的SEM照片Fig.6 SEM images of RAC-PET1.0%-40

5 结 论

1)废PET纤维掺量较小(0.5%)时，FRRAC的流动性略低于RAC，但掺量较大(1.0%～1.5%)时，FRRAC的坍落度随纤维掺量和长度的增大而显著减小。

2)总体上看，掺废PET塑料纤维基本不会降低再生混凝土的抗压强度，当长度20～40 mm的 PET纤维以0.5%的掺量掺入时，FRRAC的抗压强度最高，较RAC提高了16%～20%，且随纤维长度的增大而增大。1.0%和1.5%的PET纤维掺量对FRRAC抗压强度的影响相似，增强效果不如0.5%的小掺量；长度20、30 mm的PET纤维对再生混凝土抗压强度的影响相似，增强效果不如40 mm长纤维显著。

3)废PET塑料纤维对再生混凝土劈裂抗拉强度的增强效果显著，FRRAC的劈裂抗拉强度可达RAC强度的1.38～1.57倍，掺入1.0%长度20 mm PET纤维时, FRRAC的抗拉强度达到最高。掺入一定量的短PET纤维(1.0%的20 mm纤维)或掺入长PET纤维(0.5%～1.5%的40 mm纤维)均可更有效地提高再生混凝土的抗拉强度。PET纤维在0.5%掺量时，FRRAC的劈裂抗拉强度随纤维长度的增大而增长，与抗压强度的影响规律一致。

4)双因素方差分析表明，废PET纤维掺量对再生混凝土的抗压强度有显著影响，而废PET纤维的掺量、长度以及掺量与长度的交互作用均对再生混凝土的劈裂抗拉强度有显著影响。

5)微观结构分析表明，乱向分布的PET纤维虽在基体中引入间隙，但适量掺入反而使水泥石结构较致密，加上纤维的阻裂效应，再生混凝土的抗压强度不会降低，且劈裂抗拉强度显著提高。