纤维种类对再生混凝土力学性能影响分析

鞠豪 蒋瑞智

再生混凝土（RAC）由于旧骨料替代的原因，其基本力学性能有不同程度的降低，限制了其在实际工程中的应用，因此有必要对再生混凝土进行增强处理，采用纤维对再生混凝土进行增强改性可以有效地改善再生混凝土的力学性能，在查阅大量国内外文献的基础上，以钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、混杂纤维进行分类，总结分析不同种类的纤维对再生混凝土基本力学性能的影响规律，并提出了纤维增强再生混凝土尚未解决的问题，为未来相关领域的研究提供新思路。

再生混凝土； 力学性能； 纤维种类

TU528.572 A

［定稿日期］2022-05-12

［作者简介］鞠豪（1997—），男，硕士，研究方向为道路材料。

近年来，随着我国城市建设脚步的加快，建筑垃圾逐年增多，目前每年产生的建筑垃圾可达24亿t，其在城市垃圾中占比达40%［1］。 对建筑垃圾特别是废弃混凝土进行回收利用有助于资源、环境相互协调共同发展，而再生混凝土（RAC）就是将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分档过后，按一定比例部分或全部代替砂石等天然集料配制得到混凝土［2］。本文查阅了大量有关纤维增强RAC力学性能的国内外文献，在此基础上，重点分析不同种类的纤维对RAC力学性能的影响，具体包括混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度等性能，并提出了相关的问题及建议，为纤维增强RAC的进一步研究和应用提供新思路。

1 钢纤维

钢纤维（SF）作为一种新型的高性能纤维，其拉压性能、弹性模量较高，近年来，学者们加大了对钢纤维再生混凝土（SFRAC）力学性能方面的试验研究，利用SF的增强增韧作用来改善再生混凝土的力学性能。

多数研究表明SF能够提高RAC的抗压强度。姜鹏飞［3］研究了不同SF掺量对16%粗骨料替代率的RAC抗压强度影响，发现对于掺入1.5%、2%的SFRAC，其立方体抗压强度分别增加了19.4%、14.2%。汪振双等［4］对不同体积掺量的SFRAC进行了研究，结果表明掺入SF，RAC抗压强度的提高不明显，但显著提高了RAC的劈裂抗拉强度和抗折强度。Huo J等［5］则认为1.5%的SF为最优掺量。吴全强等［6］也得出了类似的结论，认为钢纤维的合理掺量为 1.5%左右。研究认为，抗压强度下降的原因在于，SF 掺量过多，RAC内部钢纤维容易簇团，搅拌不均匀，对强度提升造成不利影响，甚至使得抗压强度下降。

SF具有高弹性模量、高抗拉强度等性质，相较于RAC的抗压强度，SF对RAC的劈裂抗拉和抗折强度影响更加显著。Huo J等［5］的研究表明，粗骨料替代率为20%，当SF含量为2%时，RAC的劈裂抗拉提高了44.8%，抗折强度提高了34%。Carneiro等［7］研究发现，对于粗骨料替代率为25%的RAC，当SF含量为0.75%时，RAC的劈裂抗拉和抗折强度分别提高22%和38%。何文昌等［8］研究了不同掺量与种类的SF对RAC力学性能的影响，结果表明，SF的掺入显著提高了 RAC 的劈裂抗拉和抗折强度，且端钩型SF相对于铣削型和波纹型SF对RAC性能增强效果更加明显。

2 玄武岩纤维

玄武岩纤维（BF）作为一种新型纤维，具有抗拉强度高、密度小、耐酸碱性好的特点，且绿色环保、造价较低、经济优势明显，近年来，玄武岩纤维再生混凝土（BFRAC）也受到了广大学者的关注。

研究表明，BF对RAC抗压强度的影响较小，甚至会降低RAC的抗压强度。白睿奇［9］研究了100%粗骨料替代率下，BF对RAC力学性能的影响，发现随着BF掺量的提高，RAC抗压强度先升后降，纤维体积掺量为 0.1%时，其抗压强度提高最明显，而此时RAC的抗压强度仅提高了7.9%。Chen等［10］也得出了类似的结论，并给出了BF的最优掺量为0.15%。姬枫［11］则以混凝土龄期为变量，研究不同BF掺量下RAC强度的变化规律，结果表明，BF的掺入会降低RAC前中期的抗压强度，但却可以有效提高RAC后期的抗压强度。高银等［12］以BF的长度与体积掺量为变量，研究了其对50%粗骨料替代率的RAC强度的影响规律，发现，一定掺量下，适当长度的BF可以增强RAC的抗压强度，并确定了BF的最优长度为12 mm。

由于BF在RAC中的乱向分布，在RAC内形成网状结构，加之BF的桥接作用，BF对RAC的劈裂抗拉和抗折强度影响显著。田凯［13］研究了6 kg/m3的BF掺量对粗骨料替代率为50%的RAC力学性能的影响规律，结果表明，RAC的劈裂抗拉与抗折强度较未掺BF分别提高了48.8%、10.5%。许安邦等［14］研究发现，100%粗骨料替代率下，对比不掺BF的试件，掺 0.3%BF试件抗折强度提高了50.6%。董江峰等［15］研究了不同BF掺量下，不同粗骨料替代率的RAC的物理力学性能，发现粗骨料替代率为50%时，BF最优掺量为4 kg/m3，粗骨料替代率为100%时，BF最优掺量为2 kg/m3。童瑶［16］则进一步研究了不同BF的长度和掺量对RAC力学性能的影响，结果表明，BF长度为12 mm时，其对RAC力学性能改善效果最佳，在粗骨料替代率为20%，掺入适量BF，RAC的劈裂抗拉与抗折强度分别提高了43.47%、32.21%。

3 聚丙烯纖维

聚丙烯纤维（HPP）作为一种新型的混凝土增强纤维，性价比高，耐腐蚀，近年来很多学者对聚丙烯纤维再生混凝土（HPPRAC）力学性能方面进行了深入的研究，取得了一定的研究成果。

研究发现，HPP的掺入对RAC抗压强度影响并不显著。Das等［17］研究了HPP对100%粗骨料替代率的RAC抗压强度的影响，发现掺入0.5%的HPP，RAC抗压强度值仅增加5%，随着HPP的进一步掺入，RAC的抗压强度下降。元成方等［18］也得出了类似的结论，当HPP掺量为0.6 kg/m3时，RAC的抗压强度略有提高，随着纤维掺量的增加，RAC的抗压强度有所降低。Lei等［19］的研究则表明掺入HPP在一定程度上降低了RAC的抗压强度，但不同的纤维尺寸可以减少这种负面影响。Hossain等［20］研究了在不同粗骨料替代率下HPP对RAC力学性能的影响规律，结果表明，10%粗骨料替代率的RCA的抗压强度增加，但30%粗骨料替代率下RCA的抗压强度降低。由此可见，相比于钢纤维（SF），聚丙烯纤维（HPP）对RAC抗压强度影响较小。

相反，HPP对RAC的劈裂抗拉和抗折强度的提升却十分有效，HPP在混凝土中的乱向分布削弱了再生混凝土内部的应力集中，且在混凝土开裂的过程中能承受拉应力，对裂缝的发展起到抑制的效果。吴宝等［21］研究发现，RAC中掺入HPP后，其劈裂抗拉强度显著提高，当骨料替代率为50%，0.3%的HPP体积掺量使RAC劈裂抗拉强度提高了73%。李娜等［22］也得出了类似的结论，HPP掺入显著提高了RAC的劈裂抗拉和抗折强度。何文昌等［23］对高掺量HPP下RAC的力学性能进行了研究，结果表明，HPP的掺入不同程度地提高了RAC的劈裂抗拉及抗折强度，HPP掺量为 0.9%时，100%粗骨料替代率的RAC 试件的劈裂抗拉与抗折强度分别提高 19.8%、22%。张蓉［24］研究了HPP对高温后RAC力学性能的影响，结果表明，HPP对高温后的RAC各方面的力学性能的影响较常温状态下不显著。

4 混杂纤维

近年来，针对纤维增强RAC性能的研究越来越得到重视，但大多数集中在单一纤维对RAC性能的影响，对掺入混杂纤维的RAC性能的研究相对较少［25］。

研究发现，不同纤维的性能可以互补，并充分发挥各种的优点，纤维混杂后掺入RAC中，能够进一步强化RAC的力学性能。相比于其他混杂纤维，研究钢纤维（SF）-聚丙烯纤维（HPP）混杂纤维对RAC力学性能的影响较多。高化东［26］研究了不同掺量的SF和HPP混杂作用下对RAC力学性能的影响，结果表明，RAC抗压强度位于单掺 SF和单掺HPP之间，混杂纤维对RAC劈裂抗拉强度影响最显著，在RAC中掺入1.5%的SF和0.6%的HPP后，RAC劈裂抗拉强度提高了57.8%。孔祥清等［27］也得出了类似的结论，掺入SF对RAC抗压强度的影响较为显著，但混合掺入HPP会略微降低RAC的抗压强度。章文姣等［28］研究发现，SF与HPP混杂纤维对RAC弹性模量影响不大，在HPP掺量一定时，SF不同掺量对RAC弹性模量影响在15%以内。

有学者对其他混杂纤维对RAC性能的影响做了研究，李坤［29］和任莉莉［30］研究了玄武岩纤维（BF）-聚丙烯纤维（HPP）混杂纤维对RAC力学性能的影响，发现混杂纤维的掺入对RAC的各力学性能都有所提高，对RAC弹性模量影响显著。姚琳等［31］研究了玻璃纤维（GF）-聚丙烯纤维（HPP）单掺及混掺对RAC基本力学性能的影响，结果表明，纤维的掺入显著提高RAC的劈裂抗拉强度和弹性模量，改善RAC基体的整体性能，但对RAC抗压强度影响不显著。苏炜炜［32］研究了玄武岩纤维（BF）-玻璃纤维（GF）再混掺对RAC基本力学性能的影响，结果表明，混杂纤维降低了RAC的抗压强度，提高了RAC的劈裂抗拉与抗折强度，但相比其他混杂纤维对RAC力学性能的影响不显著。

5 结论及展望

由上述分析可以得到，对于RAC的抗压强度，除SF以外，各种纤维对其影响并不显著，整体影响表现为：SF>BF>GF>HPP。各种纤维均能有效提高RAC的劈裂抗拉强度与抗折强度，整体影响表现为：GF＜SF

（1）目前大多数对纤维增强再生混凝土力学性能方面的研究都停留在静态层面，有必要对其动态力学性能进行研究。

（2）大多数研究仅考虑了单一因素作用下纤维对再生混凝土性能的影响，应进一步对关键因素耦合作用下纤维增强再生混凝土的研究。

（3）对高温后纤维对再生混凝土的性能的影响应进一步研究。

（4）纤维增强再生混凝土性能研究目前涉及单一纤维掺入的较多，对于不同纤维对再生混凝土的影响研究较少，且混杂纤维对再生混凝土性能的研究不足，应加强对混杂纤维在再生混凝土力学性能方面的研究。

参考文献

［1］ 国家住房和城乡建设部. 2018 中国城市建设统计年鉴［M］. 北京：中国计划出版社，2019.

［2］ Pan H， Ma Y . IMPact Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete and Its Mechanism of Crack Resistance and Toughening［J］. Jianzhu Cailiao Xuebao/Journal of Building Materials， 2017， 20（6）：956-961.

［3］ 姜鹏飞. 纤维再生混凝土力学性能试验及其本构关系研究［D］.内蒙古工业大学，2018.

［4］ 汪振双，谭晓倩.钢纤维再生粗集料混凝土的力学性能和抗冻性研究［J］.硅酸盐通报，2016，35（4）：1184-1187.

［5］ Huo J， Bai X， Jiang P ， et al. Effect of Different Fiber Content on Mechanical Properties of Recycled Concrete［J］. IOP Conference Series Materials Science and Engineering， 2018.

［6］ 吳全强，肖泽林，李舵.钢纤维增强再生混凝土力学及收缩性能试验研究［J］.湖南交通科技，2020，46（2）：45-48.

［7］ Carneiro J A ， Lima P ， Leite M B ， et al. Compressive stress-strain behavior of steel fiber reinforced-recycled aggregate concrete［J］. Cement and Concrete Composites， 2014.

［8］ 何文昌，孔祥清，周聪，等.钢纤维再生混凝土力学性能和微观结构研究［J］.混凝土，2020（12）：44-49.

［9］ 白睿奇. 玄武岩纤维对再生混凝土基本力学性能的影响研究［D］. 太原：太原理工大学.

［10］ Chen A ， Han X ， Chen M ， et al. Mechanical and stress-strain behavior of basalt fiber reinforced rubberized recycled coarse aggregate concrete［J］. Construction and Building Materials， 2020， 260（8-9）：119888.

［11］ 姬楓.玄武岩纤维对再生混凝土力学及耐久性能影响研究［J］.粉煤灰综合利用，2020，34（3）：85-87+140.

［12］ 高银，宗翔.玄武岩纤维对再生混凝土基本力学性能的影响［J］.长江大学学报（自科版），2018，15（21）：6-10+4.

［13］ 田凯.玄武岩纤维对再生混凝土力学性能的影响研究［J］.新型建筑材料，2019，46（6）：22-24+103.

［14］ 许安邦，苏炜炜，梁宇涵.玄武岩纤维增强全再生粗骨料混凝土力学性能试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2022（2）：56-60.

［15］ 董江峰，侯敏，王清远，等.玄武岩纤维再生混凝土的基本力学性能［J］.四川大学学报（工程科学版），2012，44（S2）：9-12.

［16］ 童瑶. 玄武岩纤维对再生混凝土力学性能影响试验研究［D］.武汉：湖北工业大学，2020.

［17］ Das C S ， Dey T ， Dandapat R ， et al. Performance evaluation of polypropylene fibre reinforced recycled aggregate concrete［J］. Construction and Building Materials， 2018， 189（NOV.20）：649-659.

［18］ 元成方，魏逸然，李爽.聚丙烯纤维混合再生骨料混凝土力学性能研究［J］.郑州大学学报（工学版），2021，42（2）：49-53.

［19］ Lei B ， Li W ， Liu H ， et al. Synergistic Effects of Polypropylene and Glass Fiber on Mechanical Properties and Durability of Recycled Aggregate Concrete［J］. International Journal of Concrete Structures and Materials， 2020， 14（1）：1-14.

［20］ Hossain F ， Shahjalal M ， Islam K ， et al. Mechanical properties of recycled aggregate concrete containing crumb rubber and polypropylene fiber［J］. Construction and Building Materials， 2019， 225：983-996.

［21］ 吴宝，薛斌，冯幻.聚丙乙烯纤维增强再生混凝土性能影响的研究［J］.河北建筑工程学院学报，2015，33（4）：16-19.

［22］ 李娜，刘艳华，张忠.聚丙烯纤维对再生混凝土力学及收缩性能影响研究［J］.公路工程，2021，46（1）：200-204.

［23］ 何文昌，孔祥清，高化东，等.高掺量聚丙烯纤维再生混凝土力学性能及微观结构研究［J］.混凝土，2020（1）：82-86.

［24］ 张蓉. 高温后聚丙烯纤维增强再生混凝土轴压和断裂性能试验研究［D］.广州：广东工业大学，2016.

［25］ Wang Y ， Tang J ， Hu J ， et al. Experimental Study on Compressive and Splitting Tensile Strength of Layer Hybrid Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2021， 760（1）：012020 （6pp）.

［26］ 高化东. 混杂纤维再生混凝土力学性能及微观结构研究［D］.辽宁工业大学，2018.

［27］ 孔祥清，何文昌，周聪，等.混杂掺入钢/聚丙烯纤维再生混凝土力学性能及抗冲击性能试验研究［J］.建筑科学，2020，36（3）：94-99.

［28］ 章文姣，鲍成成，孔祥清，等.混杂纤维掺量对再生混凝土力学性能的影响研究［J］.科学技术与工程，2016，16（13）：106-112+123.

［29］ 李坤.纤维增强再生骨料混凝土基本力学性能试验与分析［J］.混凝土与水泥制品，2019（2）：60-62.

［30］ 任莉莉.纤维再生混凝土基本力学性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2019（4）：49-54.

［31］ 姚琳，裴长春.混杂纤维再生混凝土基本力学性能试验研究［J］.山西建筑，2016，42（35）：117-119.

［32］ 苏炜炜. 纤维增强全再生粗骨料混凝土物理及力学性能研究［D］.南宁：广西大学，2021.