不同種類纖維增強(qiáng)再生混凝土性能綜述及價值簡評

宋 敏 李國棟

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

0 引言

自20世紀(jì)末以來，纖維增強(qiáng)技術(shù)在混凝土領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。最初，這種技術(shù)主要用于提高傳統(tǒng)混凝土的性能。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的普及和建筑廢料利用技術(shù)的進(jìn)步，纖維增強(qiáng)技術(shù)開始應(yīng)用于再生混凝土，以克服其在性能上的不足。纖維增強(qiáng)再生混凝土不僅繼承了傳統(tǒng)混凝土的優(yōu)點，還通過纖維的引入，改善了再生材料的內(nèi)在缺陷，如提高了其抗裂性和韌性，Chakradhara R.Meesala通過測試添加纖維的RAC在7d和28d的抗壓強(qiáng)度均高于未添加纖維的普通混凝土的抗壓強(qiáng)度[1]。這說明，再生骨料混凝土在加入纖維的情況下可以達(dá)到與普通混凝土相同的強(qiáng)度。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，纖維種類不斷增加，應(yīng)用技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。不同種類的纖維增強(qiáng)再生混凝土具有較大的性能差異，各種纖維的最佳摻入比、不同纖維組合的協(xié)同效應(yīng)，以及纖維對再生混凝土在特殊環(huán)境下（如高溫、凍融循環(huán)等）性能的影響不盡相同。基于此，本文在總結(jié)纖維增強(qiáng)再生混凝土相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對不同種類纖維增強(qiáng)再生混凝土的性能進(jìn)行分析，并對纖維增強(qiáng)再生混凝土的價值進(jìn)行了簡單評價，以期為纖維增強(qiáng)再生混凝土的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 不同種類纖維增強(qiáng)再生混凝土的性能

1.1 聚丙烯纖維再生混凝土

聚丙烯纖維是一種合成纖維材料，因其良好的耐化學(xué)性、耐久性和低成本，在再生混凝土中的應(yīng)用日益增多。

聚丙烯纖維的加入主要能夠提高混凝土的抗裂性和韌性，尤其是在抗沖擊和抗裂縫傳播方面表現(xiàn)出色。聚丙烯纖維提高了混凝土的能量吸收能力，使其更能承受沖擊載荷而不破壞。在重復(fù)載荷（如車輛經(jīng)過的道路）的情況下，這種纖維減少了由于疲勞引起的損傷。聚丙烯纖維還能改善再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，尤其在較短養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)效果顯著[2]。

聚丙烯纖維在混凝土固化過程中有利于控制水分的蒸發(fā)，減少塑性收縮裂紋的形成。此外，當(dāng)混凝土受到外力而產(chǎn)生裂紋后，對分布于混凝土中的纖維產(chǎn)生了"橋接"效應(yīng)，從而抑制了裂紋的進(jìn)一步延伸。

加入聚丙烯纖維能有效提升自密實再生混凝土的防水性。調(diào)整纖維的用量和配比有助于進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的抵抗?jié)B透能力[3]。李曉龍還通過實驗發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維不僅能作為增強(qiáng)承載能力和結(jié)構(gòu)伸展性的結(jié)構(gòu)材料，還能用于防止塑性收縮裂痕[4]。

此外，由于聚丙烯纖維較輕，它還有助于降低混凝土的整體重量。

1.2 碳纖維再生混凝土

碳纖維的高強(qiáng)度和剛性使其成為提高再生混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理想選擇。碳纖維不僅能夠提高混凝土的承載能力，還能夠減少由于荷載重復(fù)引起的損傷，有利于延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。碳纖維的導(dǎo)電性能還使其在防止電化學(xué)腐蝕和電磁屏蔽方面具有重要作用。因此，在需要電磁干擾保護(hù)或防腐蝕的特殊結(jié)構(gòu)中，碳纖維增強(qiáng)的再生混凝土具有獨特的優(yōu)勢。根據(jù)吳輝琴的實驗研究可知，碳纖維再生混凝土（CFRAC）在循環(huán)荷載下的受壓性能提高：碳纖維的加入導(dǎo)致峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變分別提高了11.33%和 12.22%（當(dāng)碳纖維體積摻量為 0.3%）。當(dāng)再生粗骨料取代率為 100% 時，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變分別提高了10.16%和14.29%[5]。

碳纖維在負(fù)載作用下提供額外的承載力，增強(qiáng)了混凝土的抗壓能力，特別是在高應(yīng)力區(qū)域，如柱和梁的節(jié)點。高模量特性使混凝土在受力時變形減少，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，減少長期變形和撓度。

在改善再生混凝土的耐久性方面，加入碳纖維使混凝土變得更為緊密，微裂縫和孔洞數(shù)量降低，這有助于減少水和有害物質(zhì)的侵入，從而提升了其耐久性。

1.3 玄武巖纖維再生混凝土

玄武巖纖維是一種天然礦物纖維，因其良好的機(jī)械性能和耐熱性，在再生混凝土中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。玄武巖纖維能提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗裂性能，特別是在提高混凝土的抗沖擊性和耐磨性方面表現(xiàn)出色。此外，玄武巖纖維對提高混凝土的耐火性能也有積極影響，由于其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐久性，在高溫和火災(zāi)環(huán)境中的應(yīng)用尤為重要。這種纖維能夠提高混凝土的耐火性能，使其在火災(zāi)情況下保持結(jié)構(gòu)完整性。

李曉路研究發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維后，再生混凝土的流動性下降，水泥基質(zhì)間的摩擦力提升，這對提升其立方體的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度起到了顯著的強(qiáng)化和增韌作用。尤其是當(dāng)玄武巖纖維的摻入量達(dá)到0.3%時，其效果尤為突出[6]。

田凱[7]的實驗探討了玄武巖纖維在50%再生粗骨料混凝土中的摻入對其抗壓、劈裂抗拉和抗折性能的作用。研究結(jié)果揭示，在纖維摻量達(dá)到3kg∕m3時，玄武巖纖維再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比普通再生粗骨料混凝土提高了7.2%，軸心抗壓強(qiáng)度下降4.8%；纖維摻量為6kg∕m3時，玄武巖纖維再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比普通再生粗骨料混凝土提高了 12.8%，軸心抗壓強(qiáng)度提高3.1%。

丁亞紅等[8]研究了玄武巖纖維摻量和再生粗骨料取代率對再生混凝土抗碳化性能的影響，實測了3d、7d、14d、28d的碳化深度，對隨碳化天數(shù)的增加，碳化深度與玄武巖纖維摻量、再生粗骨料取代率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，再生混凝土的碳化與天然混凝土類似，其碳化深度均隨碳化天數(shù)的增加而增加，隨著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，當(dāng)再生粗骨料的質(zhì)量取代率為50%時，再生混凝土的抗碳化性能最佳，摻入玄武巖纖維可以有效地提高再生混凝土的抗碳化性能，隨著玄武巖纖維摻量的增加，再生混凝土的抗碳化性能先增后減，最佳摻量為2kg∕m3。此外，還采用掃描電子顯微鏡對玄武巖纖維和再生粗骨料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，結(jié)合擴(kuò)散理論，揭示了碳化損傷機(jī)制。

高銀等[9]通過實驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對再生混凝土具有一定的增強(qiáng)和增韌效果。特別是當(dāng)纖維長度為12mm，體積摻量為0.3%時，對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最優(yōu)，但在高銀的研究中未明確提及玄武巖纖維再生混凝土的具體缺點，一般來說，再生混凝土的缺點可能包括較低的基本力學(xué)性能和潛在的質(zhì)量控制問題，但這些通常可以通過添加纖維和其他改性劑來改善。玄武巖纖維作為創(chuàng)新的無機(jī)環(huán)保纖維，擁有出色的柔韌性和經(jīng)濟(jì)價值，為增強(qiáng)再生混凝土的機(jī)械特性提供了一種新的解決方案。

通過梳理和分析可知，玄武巖纖維再生混凝土主要具有以下特性：

（1）能夠增強(qiáng)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度：玄武巖纖維可以提高再生混凝土的抗拉性能，尤其在提高其裂縫抵抗能力方面效果顯著。

（2）能夠提高再生混凝土的耐火性能：玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性使得增強(qiáng)的再生混凝土在高溫和火災(zāi)情況下具有更好的性能。

（3）能夠提升再生混凝土的耐久性：由于玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性，它能改善再生混凝土的長期使用性能。

1.4 玻璃纖維再生混凝土

玻璃纖維通過改善再生混凝土的抗裂和抗折性能，延長了其使用壽命。玻璃纖維的使用尤其適合于需要提高表面耐磨性的再生混凝土，如人行道和停車場。然而，玻璃纖維的耐堿性不足是其大范圍使用的主要限制因素。為了解決這一問題，開發(fā)了新型耐堿玻璃纖維（AR玻璃纖維），以提高其在高堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性。AR玻璃纖維的使用拓寬了玻璃纖維在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，特別是在需要長期耐久性的結(jié)構(gòu)中。

宗翔等[10]發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇（PVA）改性的再生骨料顯著提升了再生混凝土的力學(xué)性能,當(dāng)0.1%玻璃纖維和6mm纖維長度摻入時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值40.8MPa，比未摻纖維時增加33.7%。劈裂抗拉強(qiáng)度也得到改善，通過電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)改性再生骨料與其他材料粘結(jié)良好，玻璃纖維在試件中均勻分散，有效提升了再生混凝土的性能。

通過梳理和分析可知，玻璃纖維再生混凝土主要具有以下特性：

（1）能夠改善再生混凝土的抗彎性能：玻璃纖維能顯著提高再生混凝土的抗彎性能，減少荷載作用下的變形和裂縫。

（2）能夠增強(qiáng)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度：玻璃纖維的摻入提高了再生混凝土的抗拉強(qiáng)度，減少了裂縫的發(fā)展。

（3）能夠改善再生混凝土的耐久性：何駿珍研究了氯鹽干濕循環(huán)試驗和抗氯離子滲透性試驗，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維對提升再生混凝土的耐久性具有顯著效果[11]。

1.5 混雜纖維再生混凝土

孫海軍[12]研究探討了玄武巖纖維和聚丙烯纖維對再生混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維單獨摻入可以增強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，而聚丙烯纖維單獨摻入會減弱抗壓強(qiáng)度，玄武巖和聚丙烯纖維共同摻入能提高再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度；此外，再生混凝土的吸水性隨玄武巖纖維的增加而減小，但聚丙烯纖維的影響則更為復(fù)雜。微觀電鏡掃描顯示，玄武巖纖維能改善水泥漿體的分布，而聚丙烯纖維因其疏水性質(zhì)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)弱化。

陳宇良等[13]發(fā)現(xiàn)纖維摻入顯著改善了再生混凝土的破壞形態(tài)、剛度、塑性應(yīng)變控制和滯回耗能能力，尤其是鋼-碳纖維混雜組合，鋼-玻璃和鋼-聚乙烯醇纖維組合更有效地限制了塑性應(yīng)變的累積。

2 不同種類纖維增強(qiáng)再生混凝土價值簡評

2.1 應(yīng)用優(yōu)勢

（1）促進(jìn)再生混凝土力學(xué)性能的提升。纖維增強(qiáng)再生混凝土在多項力學(xué)性能上表現(xiàn)出色，包括提高抗壓強(qiáng)度、增強(qiáng)抗裂和抗彎能力。這些改進(jìn)使其成為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。纖維的加入顯著提高了再生混凝土的耐久性，包括更好的抗凍融性能和抗化學(xué)侵蝕能力，這為其在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用提供的條件。

（3）增加再生混凝土應(yīng)用的靈活性。纖維增強(qiáng)再生混凝土在施工過程中展現(xiàn)了良好的工作性，同時為設(shè)計師和工程師提供了更多的選擇和應(yīng)用靈活性。

2.2 對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的貢獻(xiàn)

（1）有利于資源循環(huán)利用。纖維增強(qiáng)再生混凝土的使用推動了建筑材料的循環(huán)利用，減少了對自然資源的依賴和廢棄物的產(chǎn)生，是實現(xiàn)建筑行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段。

（2）有利于減少建筑廢棄物對環(huán)境影響。通過減少廢棄物填埋和降低生產(chǎn)過程中的能源消耗，纖維增強(qiáng)再生混凝土顯著減少了建筑行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物，減少了對環(huán)境的影響。

（3）有利于推動綠色建筑發(fā)展

纖維材料的應(yīng)用支持了綠色建筑和可持續(xù)建筑項目的發(fā)展，可以幫助建筑項目達(dá)到更高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，如LEED認(rèn)證等。

3 結(jié)束語

綜上所述，不同種類的纖維增強(qiáng)再生混凝土不僅在技術(shù)上有了顯著的提升，性能得到了極大的改善，而且在推動建筑材料的可持續(xù)利用方面做出了重要貢獻(xiàn)。纖維增強(qiáng)再生混凝土綜合性能的提升和對環(huán)境的正面影響，標(biāo)志著這種材料在未來建筑行業(yè)中的廣泛應(yīng)用前景。隨著持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和環(huán)境保護(hù)意識的提升，纖維增強(qiáng)再生混凝土有望在實現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面扮演更加重要的角色。