紡織纖維增強(qiáng)再生混凝土研究進(jìn)展

倪潔　劉佳明　蘭鵬　何家金　方宇杰

摘 要：中國(guó)每年要產(chǎn)生數(shù)以億噸計(jì)的建筑垃圾。目前，中國(guó)建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾的近40%，將未經(jīng)處理的建筑垃圾直接運(yùn)往郊外或鄉(xiāng)村，采用露天堆放或以填埋的方式進(jìn)行處理，不僅會(huì)消耗大量的土地資源、還會(huì)占用垃圾清運(yùn)費(fèi)等建設(shè)經(jīng)費(fèi)，同時(shí)，清運(yùn)和堆放過(guò)程中的遺撒和粉塵、灰砂飛揚(yáng)等問(wèn)題又會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。越來(lái)越多的專家學(xué)者希望通過(guò)使用紡織垃圾作為摻合料和引進(jìn)外加劑、減水劑來(lái)提高再生混凝土的性能，設(shè)計(jì)出具有工程應(yīng)用價(jià)值的廢棄纖維再生混凝土，解決多種環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：纖維 再生混凝土 力學(xué)性能 耐久性能

中圖分類號(hào)：TU528.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（b）-0070-02

混凝土是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程中的重要基礎(chǔ)原材料之一，是我國(guó)各種建筑耗材中消耗量最大的。水泥混凝土是一種既傳統(tǒng)又煥發(fā)著無(wú)限生命力的建筑材料，隨著城市的不斷擴(kuò)張和工業(yè)化加劇，混凝土的消耗量也在持續(xù)增加。我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼地進(jìn)行，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加劇，每年建設(shè)鐵路、橋梁、港口等基礎(chǔ)建設(shè)就需要約40億方混凝土。

結(jié)構(gòu)終有其壽命，壽終的建筑就成為建筑垃圾，這些建筑垃圾中50%～70%為廢棄混凝土（約2 000萬(wàn)t）。建筑垃圾一般采取直接填埋的方法來(lái)處理，這種方法既浪費(fèi)土地，又浪費(fèi)了資源。再生混凝土是用建筑垃圾中分離出的再生骨料，替代混凝土中的部分或全部骨料。這是解決天然骨料資源緊缺問(wèn)題、建筑垃圾污染和治理的難題以及可能由此引發(fā)的一系列生態(tài)和社會(huì)問(wèn)題的有效方法。

天然骨料攪拌成的混凝土本身就有材料剛性大而柔性不足的問(wèn)題，以及混凝土材料本身固有的結(jié)構(gòu)缺陷，造成混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易開(kāi)裂，而再生混凝土由于再生骨料表面附著部分硬化的水泥砂漿，這一缺陷更加明顯。在傳統(tǒng)的混凝土性能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，常通過(guò)添加粉煤灰、聚丙烯纖維等來(lái)改善混凝土的相關(guān)性能指標(biāo)。在再生混凝土性能的研究中許多學(xué)者希望通過(guò)添加短纖維彌補(bǔ)這些缺陷，并取得了一定的成果。

1 紡織纖維增強(qiáng)再生混凝土的制備工藝

針對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土性能的試驗(yàn)在各種混凝土試驗(yàn)中并不少見(jiàn)。但是在混凝土攪拌過(guò)程中極易出現(xiàn)纖維成團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維分布不均勻，致使混凝土性能不穩(wěn)定。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，采用干拌法拌制混凝土。即先投入砂、水泥、碎石、再生骨料，攪拌均勻后，再分次投入廢棄纖維進(jìn)行攪拌，直至設(shè)計(jì)添加完纖維量并且攪拌均勻后加入水，再持續(xù)攪拌10 min左右即可，制備工藝流程圖如圖1所示。

2 紡織纖維增強(qiáng)再生混凝土的力學(xué)性能

2.1 抗壓強(qiáng)度

針對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土抗壓性能的研究已經(jīng)比較豐富。寧夏大學(xué)王勇升、金寶宏等研究指出摻加0.4%和0.8%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高為104%和120%。當(dāng)混凝土摻加0.4%和0.8%的滌綸纖維時(shí)，其相應(yīng)的抗壓強(qiáng)分別提高至105%和94.8%[1]。天津工業(yè)大學(xué)王建坤、天津城建學(xué)院王書(shū)祥等人的實(shí)驗(yàn)分別使用滌綸和回收滌綸作為增強(qiáng)纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用滌綸作為增強(qiáng)纖維可以使抗壓強(qiáng)度提高7.4%～26.45%，使用回收的滌綸也表現(xiàn)出相同的作用，但在有些配比中表現(xiàn)較差[2]。

同時(shí)對(duì)于使用聚丙烯腈纖維作為增強(qiáng)纖維對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)并不十分明顯。纖維摻量為0.15%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度僅有約9%的提升。Achozaimy A M等人進(jìn)行的研究表明以聚丙烯作為增強(qiáng)纖維對(duì)抗壓性能改變不大。李燕飛等人的實(shí)驗(yàn)也表明了抗壓強(qiáng)度在1 d、3 d、28 d均有不同程度地提高。

此外張?zhí)煲淼热说脑囼?yàn)表明纖維長(zhǎng)度也對(duì)混凝土的力學(xué)性能有影響25 mm效果好于11 mm[3]。楊永生等人的試驗(yàn)表明添加體積率在0%～0.12%的聚丙烯纖維時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提升幅度明顯增大，體積率在0.12%～0.14%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提升強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨聚丙烯纖維的摻量增加而不斷增加[4]。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

李學(xué)英等的試驗(yàn)表明聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土的3 d、7 d和28 d的抗折強(qiáng)度分別提高了39%和11%和19%[5]。聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增加的影響則在纖維摻量為0.15%時(shí)比較明顯，提升量接近20%；王建坤等人的實(shí)驗(yàn)表明使用滌綸和回收滌綸對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度均有明顯提高，并且加入的纖維長(zhǎng)度30 mm效果較好[2]。

很多試驗(yàn)均表明滌綸纖維增強(qiáng)混凝土和聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土中隨著纖維摻量的增加，試件的抗劈裂強(qiáng)度變化趨勢(shì)均是先上升，后下降。對(duì)比而言，采用滌綸作為增強(qiáng)纖維的效果明顯好于使用聚丙烯纖維作為增強(qiáng)纖維。也有試驗(yàn)表明在混凝土中加入聚丙烯在1 d時(shí)抗拉強(qiáng)度降低了3.4%。

3 紡織纖維增強(qiáng)再生混凝土的耐久性能

3.1 抗?jié)B性

已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)于纖維增強(qiáng)再生混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行研究。馬一平、郭海洋等人試驗(yàn)研究表明聚丙烯纖維的摻量和種類對(duì)混凝土抗塑性干縮裂縫有影響，直徑較小的單絲纖維比網(wǎng)狀纖維抗塑性干縮裂縫能力較好，混凝土抗干縮開(kāi)裂能力隨著聚丙烯纖維摻量的增大而增大。陳德玉、劉歡等人[6]試驗(yàn)研究表明摻入長(zhǎng)度為10 mm，密度為0.9 kg/m3的聚丙烯纖維會(huì)使再生混凝土的抗裂、抗?jié)B沖擊性能均有較大幅度提高。Miller和Rifai在研究中建議工程中摻加纖維的最大量不宜超過(guò)0.8%。他們的研究表明，摻入聚丙烯纖維會(huì)使再生混凝土抗?jié)B性明顯提高。摻加聚丙烯纖維體積量為0.05%～0.1%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能提高40%以上。

3.2 抗凍性

我國(guó)北方寒冷地區(qū)，晝夜溫差變化較大使混凝土頻繁遭受凍融破壞，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的使用安全。試驗(yàn)證明，在摻加體積量大于0.1%的聚丙烯腈纖維后，C50混凝土不僅抗凍能力有較大提高，而且在凍融過(guò)程結(jié)束后的抗斥強(qiáng)度也高于素混凝土。與同條件的素混凝土的抗凍性比較，摻加少量聚丙烯纖維的混凝土的抗凍性能明顯提升。

3.3 抗裂性

摻入聚丙烯腈能夠明顯改善混凝土的抗裂性能。摻入聚丙烯腈纖維可以有效推遲混凝土早期收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。混凝土在l～14 d時(shí)，其限裂等級(jí)均達(dá)到了一級(jí)。聚丙烯腈纖維通過(guò)抑制早期混凝土中原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，顯著提高了混凝土早期的抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在混凝土中加入纖維，能夠提高混凝土的抗拉、抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度和韌性，并且使早期裂縫的生長(zhǎng)得到抑制，從而延長(zhǎng)了混凝土的耐久性。使纖維在混凝土領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了纖維工業(yè)的發(fā)展。從目前的應(yīng)用情況看，研究新型輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗拉、抗彎、耐腐蝕、耐久性好的纖維混凝土是重點(diǎn)發(fā)展方向。目前，大多數(shù)國(guó)內(nèi)研究局限于碳纖維、玻璃纖維、丙綸、錦綸等，且關(guān)于紡織纖維的研究更少；國(guó)外的纖維增強(qiáng)則主要側(cè)重于碳纖維和玻璃纖維。

現(xiàn)在紡織行業(yè)和人們的日常生活中，每年會(huì)出現(xiàn)大量的紡織廢料（如邊角料、廢舊服裝等），其中含有大量不可降解的聚合物（如丙綸、滌綸等），一般處理方式會(huì)浪費(fèi)資源、污染環(huán)境。如果仿照再生骨料和傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)混凝土的思路，將紡織廢料破碎成增強(qiáng)纖維，添加到再生混凝土中，將能彌補(bǔ)再生混凝土在抗拉強(qiáng)度、韌性、抗?jié)B等方面的缺陷，并更大程度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，達(dá)到建筑垃圾和紡織廢料的聯(lián)合再生利用。因此研究添加紡織纖維后再生混凝土性能的變化是十分必要的。

紡織纖維混凝土有廣闊的發(fā)展前景，而紡織廢料增強(qiáng)再生混凝土也將會(huì)是其中的一個(gè)重要發(fā)展方向。現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果也表明，纖維增強(qiáng)廢棄混凝土的再生利用是可行的，但再生混凝土與增強(qiáng)纖維在配合比設(shè)計(jì)、材料性能及耐久性等方面均存在一定差異。因此，針對(duì)再生纖維混凝土的技術(shù)開(kāi)發(fā)需要更多的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王勇升，金寶宏，王佳龍，等.聚丙烯纖維和滌綸纖維混凝土力學(xué)性能的比較研究[J].混凝土與水泥制品，2013（2）：50-52.

[2] 王建坤，王書(shū)祥，楊繼強(qiáng)，等.滌綸增強(qiáng)混凝土的性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007（8）：35-38.

[3] 張?zhí)煲恚瑓菑?qiáng).滌綸增強(qiáng)混凝土的性能研究[J].山西建筑，2008 （5）：208-209.

[4] 楊永生，王軍.纖維再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（12）：1669-1672.

[5] 李學(xué)英，馬新偉，韓兆祥，等.聚丙烯纖維混凝土的工作性與力學(xué)性能[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：9-12.

[6] 陳德玉，劉歡，盧忠遠(yuǎn).聚丙稀纖維摻量對(duì)再生混凝土性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2009（4）：35-37.