廢纖維改性再生混凝土材料性能研究進展*

柯 勝，汝茹彤，趙 莉，胡玉葉

(安徽新華學院城市建設(shè)學院，安徽 合肥 230088)

隨著城市建筑更新力度的快速發(fā)展，許多破舊、利用率低的建筑被拆除后重建，從而產(chǎn)生大量的廢舊混凝土，重建中耗費大量的天然骨料，因此將建筑垃圾中的混凝土重復利用，既可以規(guī)范的處理廢舊混凝土，又可以起到節(jié)約天然資源、緩解骨料緊張等問題，達到可持續(xù)發(fā)展的目的。再生骨料混凝土可以較好地解決施工產(chǎn)生的建筑垃圾難處理的問題，最終實現(xiàn)建筑垃圾回收后再循環(huán)利用。然而，破碎后的再生骨料會產(chǎn)生大量微裂縫、有較大的吸水率和表面包裹過多水泥漿等缺陷，導致再生骨料混凝土的力學性能有不同程度的降低，使其在實際工程中的推廣出現(xiàn)局限性。纖維廢料基本都來源于紡織行業(yè)以及廢舊的纖維制品，廢棄纖維基本上都是難以降解的滌綸、丙綸等，目前對廢棄纖維的處理方式基本都是焚燒或填埋，這種處理方式均會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而將廢棄纖維摻入再生混凝土中制備廢棄纖維再生混凝土，既可以作為增強纖維，還可以彌補再生混凝土抗拉強度低等不足[1-3]。目前，廢棄纖維再生混凝的改性研究逐漸成為復合材料領(lǐng)域一個研究熱點，并取得了一定的研究果。廢棄纖維再生混凝土作為一種環(huán)保型建筑材料，其廣泛應(yīng)用可以將大量的建筑垃圾和廢棄纖維變廢為寶，又可以解決混凝土中本身存在的缺陷。

1 廢棄纖維再生混凝土的配制技術(shù)

1.1 配制原則

(1)再生骨料的處理：再生骨料來源于人工破碎的廢棄混凝土，經(jīng)破碎后的再生骨料，外層有大量的水泥砂漿，破碎會使再生骨料產(chǎn)生微裂縫，故再生骨料的孔隙率和吸水率會增大。因此，制備再生混凝土時按照普通混凝土的配合比，會使水灰比有所降低，所以配制再生混凝土時要增加附加水，即在普通混凝土配方章多加10～15 kg的附加水來解決在再生骨料吸水率大的問題。

(2)纖維的處理：廢棄纖維材質(zhì)多為聚丙烯纖維，將廢棄纖維進行拆分后再裁剪成短纖維，長度為16～19 mm, 之后在再生混凝土中加入廢棄纖維作為增強纖維，原混凝土的配合比不需改變。

1.2 配制方法

廢棄纖維再生混凝土的計算配合比與普通混凝土的計算方法基本一致，配制過程的不同之處在于需要在再生混凝土中加入廢棄纖維，試驗過程中為了防止纖維的聚團現(xiàn)象，一般采用兩種方法：干拌法和二次投料法。

1.2.1 干拌法

干拌法[4]是把再生骨料和膠凝材料放入強制式拌和機中，并干拌30 s，之后加入廢棄纖維進行攪拌60 s，隨后加入拌合水和外加劑進行濕拌180 s。攪拌后的試樣裝入標準試模中，經(jīng)振搗成型24 h后拆模，放入標準養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護28天，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，保持95%以上的相對濕度。

1.2.2 二次投料法

采用二次投料法制備廢棄纖維混凝土試塊可分為四個步驟：(1)完成初步配合比后，將天然骨料、再生骨料和砂進入攪拌機中，并攪拌2 min使骨料混合均勻；(2)在加入廢棄纖維之前，將廢棄纖維均勻打散后再加入混凝土拌合物中，以解決廢棄纖維成團、成堆的問題；(3)之后再把水泥加到攪拌機中，均勻攪拌1 min，達到均勻攪拌的目的；(4)最后加入拌合水，持續(xù)均勻攪拌1 min。養(yǎng)護中在試件表面采用表面空氣隔絕法，即在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，從而避免水分快速蒸發(fā)而導致干縮裂紋的產(chǎn)生。養(yǎng)護過程中需要每天澆水，特別是前期，兩天后拆模；若是試件梁則在養(yǎng)護七天后拆模。拆模之后，對試塊進行編號，并兩天澆水一次，養(yǎng)護齡期為28天。

2 廢棄纖維再生混凝土的力學性能

王建坤等[5]研究滌綸和回收滌綸作為增強纖維對再生混凝土的影響。實驗結(jié)果表明滌綸再生混凝土與普通再生混凝土是相比，滌綸作為增強纖維可使抗壓強度提高7.4%～26.45%，回收滌綸再生混凝土具有一樣的效果。

2012年，張東[6]研究了廢棄聚丙烯纖維對再生混凝土梁受彎性能的影響，廢棄纖維來源了廢棄地毯，具體研究了纖維長度和摻量對其性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：廢棄纖維加入后延緩了裂縫的產(chǎn)生，并提高了7.40%的屈服荷載，極限承載力也得到了提高(9.75%)。按現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范計算結(jié)果顯示，受彎承載力與撓度均偏于安全，裂縫寬度中相對粘結(jié)系數(shù)需要修正；廢棄纖維摻量為0.08%時，修正系數(shù)取值為1.15，摻量為0.12%時，修正系數(shù)為1.40。

2013年，杜園芳等[7]將鋼纖維與尼龍纖維混雜，鋼纖維來源于廢舊輪胎，研究了纖維對再生混凝土的基本力學性能。從結(jié)果可以看出，不同纖維摻量均可提高不同再生骨料取代率下的混凝土的力學性能。

2016年，周靜海等[8]以二維廢棄聚丙烯纖維為分布模型，采用ABAQUS研究廢棄纖維對于再生混凝土受拉性能的影響。結(jié)果顯示：混凝土的破壞機理不受廢棄纖維分布的影響，廢棄纖維加入后可提高混凝土的抗裂能力；廢棄纖維的排列方向與試件的受力方向接近時，廢棄纖維角度對抗拉承載力影響顯著，但對變形能力影響很小，由此說明混凝土的變形能力受廢棄纖維分布的均勻性與聚攏程度的影響明顯。

遲翠萍[9]研究了混雜纖維再生混凝土梁的基本力學性能，再生混凝土中加入的混雜纖維為廢棄丙綸纖維與聚丙烯腈，結(jié)果表明：再生混凝土梁的抗壓強度和抗拉強度在廢棄混雜纖維加入后得到了明顯改善，且混凝土梁的抗裂效果明顯提高；梁的承載力在混雜纖維總摻入量為0.1%時得到顯著提高。

劉慈等[10]采用ANSYS有限元模擬分析法，研究了不同組合廢棄纖維再生混凝土梁的抗裂性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混雜聚丙烯腈及廢棄丙綸纖維可有效阻止裂縫發(fā)展，尤其使在再生混凝土初裂階段，梁的韌性得以提高；梁的撓度在屈服階段降低了1.19%～10.09%，由此推斷，廢棄纖維加入后再生混凝土梁裂縫的發(fā)展被有效阻止。

周靜海，劉丹[11]等采用廢棄纖維再生混凝土棱柱體試件與剛性元件組合的方法，測試了混凝土塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。廢棄纖維的加入到再生混凝土后，材料之間的黏結(jié)強度會增大，因此混凝土的軸心抗壓強度可顯著增大；廢棄纖維再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土一樣，都分為上升段和下降段。

楊成智[12]研究了不同摻量的混雜纖維對再生混凝土力學性能的影響，混雜纖維由廢棄水泥包裝袋制備的廢棄纖維和玄武巖纖維組成，結(jié)果表明：當摻入低量的廢棄聚丙烯纖維時，廢棄纖維再生混凝土的劈拉強度有明顯提高，并且混凝土的韌性也明顯提高。

張曉曼[13-14]采用ABAQUS有限元分析軟件模擬分析了廢棄纖維再生混凝土梁和柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在結(jié)論中得出了平截面假定的適應(yīng)情況，最終模擬分析表明，廢棄纖維混凝土梁的承載能力隨廢棄纖維摻量而提高，在廢棄纖維長度為 19 mm時提高最多；當廢棄纖維的體積摻量為012%時，廢棄纖維再生混凝土柱的強度明顯提高；結(jié)果顯示，廢棄纖維再生混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為上升段和下降段。

周靜海，康天蓓[15-16]等分別制作了4組和5組廢棄纖維再生混凝土板，具體分析了其受力特征，結(jié)果中顯示廢棄纖維的加入可提高再生混凝土板的承載能力，可顯著減少破壞過程中裂紋的數(shù)量和降低開裂的速度，實驗結(jié)果與計算過程相輔相成較好的給出了板的承載力。

劉子赫等[17-18]制備了不同廢棄紡織纖維長度、不同再生混凝土取代率下的標準試塊，研究了梁柱節(jié)點抗震性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在反復荷載下，廢棄纖維摻量和長度對梁柱節(jié)點抗震性能都有影響，但廢棄纖維摻量的影響更大。在再生混凝土中加入廢棄紡織纖維后，廢棄纖維再生混凝土的梁柱節(jié)點會有一定的延性和耗能能力，且節(jié)點處的滯回曲線很飽滿，特別是后期承載力優(yōu)于普通混凝土，當廢棄纖維長度為19 mm時，抗震性能會明顯提高。

林慶哲[19-20]論證了利用ABAQUS有限元模擬軟件分析廢棄纖維再生混凝土柱軸壓和抗震性能的可行性，柱子的滯回曲線最飽滿、延性性能最好、抗震性能最高時的纖維摻量為0.12%，廢棄纖維長度為19 mm；結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，廢棄纖維再生混凝土柱子的軸壓比較小時會更有利于抗震。

廢棄纖維再生混凝土的軸心抗壓強度明顯提高的原因在于廢棄纖維的加入，抑制了原始裂縫在早期混凝土中的發(fā)生和發(fā)展，使微裂縫的數(shù)量和尺度大量減少，從而廢棄纖維的加入在一定程度上限制了混凝土的開裂，因此柱子的變形有所延緩，證明與普通混凝土柱相比，廢棄纖維再生混凝土柱的延性更優(yōu)。

3 廢棄纖維再生混凝土的耐久性能

3.1 抗?jié)B、抗侵蝕性能

周靜海等[21]利用自然擴散法對廢棄纖維再生混凝土的氯離子抗?jié)B性能進行了系統(tǒng)的研究，廢棄纖維來自于廢舊地毯中的聚丙烯纖維，研究了不同廢棄纖維長度和不同廢棄纖維摻量對其影響，結(jié)果表明：在加入廢棄纖維后再生混凝土的貫通裂縫出現(xiàn)的可能性降低，因此廢棄纖維的加入可有效提高其抗?jié)B性，廢棄纖維摻量對抗?jié)B性的影響要比廢棄纖維長度的影響小；廢棄纖維的體積摻量為0.16%、長度為19 mm時，材料的抗?jié)B性最佳。

戚玥[22]制備了廢舊丙綸地毯纖維再生混凝土試塊，研究了鹽蝕條件下廢棄纖維再生混凝土梁抗彎性能。研究表明：加入廢丙綸纖維后再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)得以改變，廢棄纖維加入會吸附在鹽溶液周圍，降低了氯離子的濃度，從而減弱鹽的化學腐蝕；廢棄纖維體積摻量為0.16%時，鋼筋的銹蝕率最低，抗氯離子的侵蝕作用最明顯，原因是纖維是一種彈性材料，加入后使混凝土的膨脹壓力降低，從而提高其抗腐蝕作用。

岳秀杰[23]開展了6組的廢棄纖維再生混凝土的抗?jié)B和抗侵蝕性能研究，實驗結(jié)果顯示：廢棄纖維會不同程度的提高再生混凝土的抗氯離子和抗硫酸鹽的腐蝕；廢棄纖維摻量越高氯離子、表觀擴散系數(shù)越小，Na2SO4溶液比NaCl溶液的腐蝕要嚴重；當廢棄纖維長度在一定范圍時，隨廢棄纖維體積分數(shù)的增大廢棄纖維再生混凝土的抗腐蝕性而逐漸提高。

李賀等[24]研究了廢棄纖維摻量對再生混凝土抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性的影響規(guī)律，試驗中采用硫酸鹽干濕循環(huán)法。通過實驗發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)次數(shù)的不同廢棄纖維混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能不同，15次干濕循環(huán)為最佳點，耐蝕系數(shù)為117%；水灰比適中、廢棄纖維摻量在0.02%～0.04%時，達到最佳的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗?jié)B性能。

再生混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨廢棄纖維的加入而改變，從而改善氯離子和硫酸對混凝土的腐蝕作用，廢棄纖維摻量和體積分數(shù)會不同程度的影響其性能，并不是摻量越多越好，摻量過多會引起纖維的聚團現(xiàn)象從而使抗?jié)B性和抗侵蝕性能降低，不同實驗中有一定的最佳摻量。

3.2 碳 化

陸佳韋[25]研究了廢棄纖維再生混凝土的碳化規(guī)律，采用快速碳化實驗過程。研究發(fā)現(xiàn)：廢棄纖維再生混凝土抗碳化能力最好時的廢棄纖維摻量為0.12%；其次摻和料會不同程度的影響其碳化深度，碳化深度隨粉煤灰的增加而越深、隨礦渣增加而先增加后減小；外加劑(減水劑)的加入會提高抗碳化能力；碳化深度隨水灰比和再生骨料增大而增大；

周靜海，康天蓓等[26]用壓汞試驗及快速碳化試驗研究了廢棄纖維再生混凝土的碳化性能的分形特征和孔隙結(jié)構(gòu)，試件達到28天碳化深度時，采用酚酞溶液進行，結(jié)果顯示廢棄纖維加入后會提高混凝土的碳化性能，可抑制有害空隙的形成。

王建超等[27]對廢棄纖維再生混凝土的碳化模型及可靠度進行分析后，表明混凝土強度、纖維摻量的增加和保護層的厚度會提高其抗碳化能力；碳化率為50%、廢棄纖維摻量為8%、保護層為20 mm時，建筑物的碳化壽命是47年。

因此，對于廢棄纖維再生混凝土而言，可以通過改善材料內(nèi)部的空隙特征來提高其抗碳化能力，為廢棄纖維的加入可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，但不宜太多，否則會造成缺陷，因此適量纖維會增加其壽命會為耐久性的研究提供研究依據(jù)。

4 結(jié) 語

再生混凝土雖然降低了混凝土的物理性能，但加入廢棄纖維后，具很好的改善了其力學性能，有比較明顯的增強效果，說明廢棄纖維再生混凝土作為新興的混凝土材料是可行的，解決環(huán)境問題的同時又可創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益。目前階段的主要任務(wù)是要回收利用生活中舊衣服、毛毯以及廢棄布料等生活用品，并且要對回收的廢棄纖維物品進行加工處理，或者在性能方面進行一定的改良，提高它的彈性、親水性以及抗侵蝕性，使其能和水泥砂漿較好地相融并且可以均勻分布在構(gòu)件中，同時增強廢棄纖維的抗鹽蝕能力，使其可以在鹽堿地區(qū)起到一定作用，使廢棄纖維再生混凝土成為更好的環(huán)保材料。