不同种类纤维增强再生混凝土性能综述及价值简评

宋 敏 李国栋

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

0 引言

自20世纪末以来，纤维增强技术在混凝土领域得到了广泛应用。最初，这种技术主要用于提高传统混凝土的性能。随着可持续发展理念的普及和建筑废料利用技术的进步，纤维增强技术开始应用于再生混凝土，以克服其在性能上的不足。纤维增强再生混凝土不仅继承了传统混凝土的优点，还通过纤维的引入，改善了再生材料的内在缺陷，如提高了其抗裂性和韧性，Chakradhara R.Meesala通过测试添加纤维的RAC在7d和28d的抗压强度均高于未添加纤维的普通混凝土的抗压强度[1]。这说明，再生骨料混凝土在加入纤维的情况下可以达到与普通混凝土相同的强度。

随着科学技术的发展，纤维种类不断增加，应用技术也在不断创新。不同种类的纤维增强再生混凝土具有较大的性能差异，各种纤维的最佳掺入比、不同纤维组合的协同效应，以及纤维对再生混凝土在特殊环境下（如高温、冻融循环等）性能的影响不尽相同。基于此，本文在总结纤维增强再生混凝土相关研究成果的基础上，对不同种类纤维增强再生混凝土的性能进行分析，并对纤维增强再生混凝土的价值进行了简单评价，以期为纤维增强再生混凝土的研发和应用提供参考。

1 不同种类纤维增强再生混凝土的性能

1.1 聚丙烯纤维再生混凝土

聚丙烯纤维是一种合成纤维材料，因其良好的耐化学性、耐久性和低成本，在再生混凝土中的应用日益增多。

聚丙烯纤维的加入主要能够提高混凝土的抗裂性和韧性，尤其是在抗冲击和抗裂缝传播方面表现出色。聚丙烯纤维提高了混凝土的能量吸收能力，使其更能承受冲击载荷而不破坏。在重复载荷（如车辆经过的道路）的情况下，这种纤维减少了由于疲劳引起的损伤。聚丙烯纤维还能改善再生混凝土的劈裂抗拉强度，尤其在较短养护周期内效果显著[2]。

聚丙烯纤维在混凝土固化过程中有利于控制水分的蒸发，减少塑性收缩裂纹的形成。此外，当混凝土受到外力而产生裂纹后，对分布于混凝土中的纤维产生了"桥接"效应，从而抑制了裂纹的进一步延伸。

加入聚丙烯纤维能有效提升自密实再生混凝土的防水性。调整纤维的用量和配比有助于进一步增强混凝土的抵抗渗透能力[3]。李晓龙还通过实验发现聚丙烯纤维不仅能作为增强承载能力和结构伸展性的结构材料，还能用于防止塑性收缩裂痕[4]。

此外，由于聚丙烯纤维较轻，它还有助于降低混凝土的整体重量。

1.2 碳纤维再生混凝土

碳纤维的高强度和刚性使其成为提高再生混凝土结构强度的理想选择。碳纤维不仅能够提高混凝土的承载能力，还能够减少由于荷载重复引起的损伤，有利于延长结构的使用寿命。碳纤维的导电性能还使其在防止电化学腐蚀和电磁屏蔽方面具有重要作用。因此，在需要电磁干扰保护或防腐蚀的特殊结构中，碳纤维增强的再生混凝土具有独特的优势。根据吴辉琴的实验研究可知，碳纤维再生混凝土（CFRAC）在循环荷载下的受压性能提高：碳纤维的加入导致峰值应力和峰值应变分别提高了11.33%和 12.22%（当碳纤维体积掺量为 0.3%）。当再生粗骨料取代率为 100% 时，峰值应力和峰值应变分别提高了10.16%和14.29%[5]。

碳纤维在负载作用下提供额外的承载力，增强了混凝土的抗压能力，特别是在高应力区域，如柱和梁的节点。高模量特性使混凝土在受力时变形减少，提高了结构的整体稳定性，减少长期变形和挠度。

在改善再生混凝土的耐久性方面，加入碳纤维使混凝土变得更为紧密，微裂缝和孔洞数量降低，这有助于减少水和有害物质的侵入，从而提升了其耐久性。

1.3 玄武岩纤维再生混凝土

玄武岩纤维是一种天然矿物纤维，因其良好的机械性能和耐热性，在再生混凝土中的应用越来越受到关注。玄武岩纤维能提高再生混凝土的抗压强度和抗裂性能，特别是在提高混凝土的抗冲击性和耐磨性方面表现出色。此外，玄武岩纤维对提高混凝土的耐火性能也有积极影响，由于其优异的热稳定性和耐久性，在高温和火灾环境中的应用尤为重要。这种纤维能够提高混凝土的耐火性能，使其在火灾情况下保持结构完整性。

李晓路研究发现，掺入玄武岩纤维后，再生混凝土的流动性下降，水泥基质间的摩擦力提升，这对提升其立方体的抗压强度和劈裂抗拉强度起到了显著的强化和增韧作用。尤其是当玄武岩纤维的掺入量达到0.3%时，其效果尤为突出[6]。

田凯[7]的实验探讨了玄武岩纤维在50%再生粗骨料混凝土中的掺入对其抗压、劈裂抗拉和抗折性能的作用。研究结果揭示，在纤维掺量达到3kg∕m³时，玄武岩纤维再生粗骨料混凝土的立方体抗压强度比普通再生粗骨料混凝土提高了7.2%，轴心抗压强度下降4.8%；纤维掺量为6kg∕m³时，玄武岩纤维再生粗骨料混凝土的立方体抗压强度比普通再生粗骨料混凝土提高了 12.8%，轴心抗压强度提高3.1%。

丁亚红等[8]研究了玄武岩纤维掺量和再生粗骨料取代率对再生混凝土抗碳化性能的影响，实测了3d、7d、14d、28d的碳化深度，对随碳化天数的增加，碳化深度与玄武岩纤维掺量、再生粗骨料取代率之间的关系进行了分析。结果表明，再生混凝土的碳化与天然混凝土类似，其碳化深度均随碳化天数的增加而增加，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的碳化深度先降后增，当再生粗骨料的质量取代率为50%时，再生混凝土的抗碳化性能最佳，掺入玄武岩纤维可以有效地提高再生混凝土的抗碳化性能，随着玄武岩纤维掺量的增加，再生混凝土的抗碳化性能先增后减，最佳掺量为2kg∕m³。此外，还采用扫描电子显微镜对玄武岩纤维和再生粗骨料的微观结构进行观测，结合扩散理论，揭示了碳化损伤机制。

高银等[9]通过实验发现玄武岩纤维对再生混凝土具有一定的增强和增韧效果。特别是当纤维长度为12mm，体积掺量为0.3%时，对再生混凝土的抗压强度增强效果最优，但在高银的研究中未明确提及玄武岩纤维再生混凝土的具体缺点，一般来说，再生混凝土的缺点可能包括较低的基本力学性能和潜在的质量控制问题，但这些通常可以通过添加纤维和其他改性剂来改善。玄武岩纤维作为创新的无机环保纤维，拥有出色的柔韧性和经济价值，为增强再生混凝土的机械特性提供了一种新的解决方案。

通过梳理和分析可知，玄武岩纤维再生混凝土主要具有以下特性：

（1）能够增强再生混凝土的抗拉强度：玄武岩纤维可以提高再生混凝土的抗拉性能，尤其在提高其裂缝抵抗能力方面效果显著。

（2）能够提高再生混凝土的耐火性能：玄武岩纤维的热稳定性使得增强的再生混凝土在高温和火灾情况下具有更好的性能。

（3）能够提升再生混凝土的耐久性：由于玄武岩纤维的化学稳定性和耐久性，它能改善再生混凝土的长期使用性能。

1.4 玻璃纤维再生混凝土

玻璃纤维通过改善再生混凝土的抗裂和抗折性能，延长了其使用寿命。玻璃纤维的使用尤其适合于需要提高表面耐磨性的再生混凝土，如人行道和停车场。然而，玻璃纤维的耐碱性不足是其大范围使用的主要限制因素。为了解决这一问题，开发了新型耐碱玻璃纤维（AR玻璃纤维），以提高其在高碱性环境中的稳定性。AR玻璃纤维的使用拓宽了玻璃纤维在混凝土领域的应用范围，特别是在需要长期耐久性的结构中。

宗翔等[10]发现聚乙烯醇（PVA）改性的再生骨料显著提升了再生混凝土的力学性能,当0.1%玻璃纤维和6mm纤维长度掺入时，再生混凝土的抗压强度达到最大值40.8MPa，比未掺纤维时增加33.7%。劈裂抗拉强度也得到改善，通过电子显微镜观察，发现改性再生骨料与其他材料粘结良好，玻璃纤维在试件中均匀分散，有效提升了再生混凝土的性能。

通过梳理和分析可知，玻璃纤维再生混凝土主要具有以下特性：

（1）能够改善再生混凝土的抗弯性能：玻璃纤维能显著提高再生混凝土的抗弯性能，减少荷载作用下的变形和裂缝。

（2）能够增强再生混凝土的抗拉强度：玻璃纤维的掺入提高了再生混凝土的抗拉强度，减少了裂缝的发展。

（3）能够改善再生混凝土的耐久性：何骏珍研究了氯盐干湿循环试验和抗氯离子渗透性试验，发现玻璃纤维对提升再生混凝土的耐久性具有显著效果[11]。

1.5 混杂纤维再生混凝土

孙海军[12]研究探讨了玄武岩纤维和聚丙烯纤维对再生混凝土力学性能的影响，发现玄武岩纤维单独掺入可以增强再生混凝土的抗压强度，而聚丙烯纤维单独掺入会减弱抗压强度，玄武岩和聚丙烯纤维共同掺入能提高再生混凝土的劈裂抗拉强度；此外，再生混凝土的吸水性随玄武岩纤维的增加而减小，但聚丙烯纤维的影响则更为复杂。微观电镜扫描显示，玄武岩纤维能改善水泥浆体的分布，而聚丙烯纤维因其疏水性质可能导致结构弱化。

陈宇良等[13]发现纤维掺入显著改善了再生混凝土的破坏形态、刚度、塑性应变控制和滞回耗能能力，尤其是钢-碳纤维混杂组合，钢-玻璃和钢-聚乙烯醇纤维组合更有效地限制了塑性应变的累积。

2 不同种类纤维增强再生混凝土价值简评

2.1 应用优势

（1）促进再生混凝土力学性能的提升。纤维增强再生混凝土在多项力学性能上表现出色，包括提高抗压强度、增强抗裂和抗弯能力。这些改进使其成为更加可靠和多功能的建筑材料。

（2）有利于再生混凝土耐久性的改善。纤维的加入显著提高了再生混凝土的耐久性，包括更好的抗冻融性能和抗化学侵蚀能力，这为其在恶劣环境下的应用提供的条件。

（3）增加再生混凝土应用的灵活性。纤维增强再生混凝土在施工过程中展现了良好的工作性，同时为设计师和工程师提供了更多的选择和应用灵活性。

2.2 对建筑业可持续发展的贡献

（1）有利于资源循环利用。纤维增强再生混凝土的使用推动了建筑材料的循环利用，减少了对自然资源的依赖和废弃物的产生，是实现建筑行业循环经济的重要手段。

（2）有利于减少建筑废弃物对环境影响。通过减少废弃物填埋和降低生产过程中的能源消耗，纤维增强再生混凝土显著减少了建筑行业产生的废弃物，减少了对环境的影响。

（3）有利于推动绿色建筑发展

纤维材料的应用支持了绿色建筑和可持续建筑项目的发展，可以帮助建筑项目达到更高的环保标准，如LEED认证等。

3 结束语

综上所述，不同种类的纤维增强再生混凝土不仅在技术上有了显著的提升，性能得到了极大的改善，而且在推动建筑材料的可持续利用方面做出了重要贡献。纤维增强再生混凝土综合性能的提升和对环境的正面影响，标志着这种材料在未来建筑行业中的广泛应用前景。随着持续的技术创新和环境保护意识的提升，纤维增强再生混凝土有望在实现建筑行业可持续发展方面扮演更加重要的角色。