紡織纖維增強再生混凝土研究進展

倪潔　劉佳明　蘭鵬　何家金　方宇杰

摘 要：中國每年要產(chǎn)生數(shù)以億噸計的建筑垃圾。目前，中國建筑垃圾的數(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往郊外或鄉(xiāng)村，采用露天堆放或以填埋的方式進行處理，不僅會消耗大量的土地資源、還會占用垃圾清運費等建設(shè)經(jīng)費，同時，清運和堆放過程中的遺撒和粉塵、灰砂飛揚等問題又會引起嚴重的環(huán)境污染，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。越來越多的專家學者希望通過使用紡織垃圾作為摻合料和引進外加劑、減水劑來提高再生混凝土的性能，設(shè)計出具有工程應(yīng)用價值的廢棄纖維再生混凝土，解決多種環(huán)境和生態(tài)問題。

關(guān)鍵詞：纖維 再生混凝土 力學性能 耐久性能

中圖分類號：TU528.01 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0070-02

混凝土是國家經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程中的重要基礎(chǔ)原材料之一，是我國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)著無限生命力的建筑材料，隨著城市的不斷擴張和工業(yè)化加劇，混凝土的消耗量也在持續(xù)增加。我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼地進行，城鎮(zhèn)化進程不斷加劇，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t）。建筑垃圾一般采取直接填埋的方法來處理，這種方法既浪費土地，又浪費了資源。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)和社會問題的有效方法。

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，造成混凝土抗拉強度低、韌性差、易開裂，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)的混凝土性能開發(fā)領(lǐng)域，常通過添加粉煤灰、聚丙烯纖維等來改善混凝土的相關(guān)性能指標。在再生混凝土性能的研究中許多學者希望通過添加短纖維彌補這些缺陷，并取得了一定的成果。

1 紡織纖維增強再生混凝土的制備工藝

針對纖維增強混凝土性能的試驗在各種混凝土試驗中并不少見。但是在混凝土攪拌過程中極易出現(xiàn)纖維成團現(xiàn)象，導致纖維分布不均勻，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行攪拌，直至設(shè)計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 紡織纖維增強再生混凝土的力學性能

2.1 抗壓強度

針對纖維增強混凝土抗壓性能的研究已經(jīng)比較豐富。寧夏大學王勇升、金寶宏等研究指出摻加0.4%和0.8%的聚丙烯纖維時，混凝土的抗壓強度提高為104%和120%。當混凝土摻加0.4%和0.8%的滌綸纖維時，其相應(yīng)的抗壓強分別提高至105%和94.8%[1]。天津工業(yè)大學王建坤、天津城建學院王書祥等人的實驗分別使用滌綸和回收滌綸作為增強纖維。實驗結(jié)果表明使用滌綸作為增強纖維可以使抗壓強度提高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]。

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

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

2.2 劈裂抗拉強度

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

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

3 紡織纖維增強再生混凝土的耐久性能

3.1 抗?jié)B性

已經(jīng)有很多學者對于纖維增強再生混凝土的抗?jié)B性能進行研究。馬一平、郭海洋等人試驗研究表明聚丙烯纖維的摻量和種類對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]試驗研究表明摻入長度為10 mm，密度為0.9 kg/m3的聚丙烯纖維會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0.8%。他們的研究表明，摻入聚丙烯纖維會使再生混凝土抗?jié)B性明顯提高。摻加聚丙烯纖維體積量為0.05%～0.1%時，混凝土的抗?jié)B性能提高40%以上。

3.2 抗凍性

我國北方寒冷地區(qū)，晝夜溫差變化較大使混凝土頻繁遭受凍融破壞，嚴重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的使用安全。試驗證明，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，而且在凍融過程結(jié)束后的抗斥強度也高于素混凝土。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)的時間。混凝土在l～14 d時，其限裂等級均達到了一級。聚丙烯腈纖維通過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度。

4 結(jié)語

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、抗沖擊強度和韌性，并且使早期裂縫的生長得到抑制，從而延長了混凝土的耐久性。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、抗拉、抗彎、耐腐蝕、耐久性好的纖維混凝土是重點發(fā)展方向。目前，大多數(shù)國內(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；國外的纖維增強則主要側(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），一般處理方式會浪費資源、污染環(huán)境。如果仿照再生骨料和傳統(tǒng)纖維增強混凝土的思路，將紡織廢料破碎成增強纖維，添加到再生混凝土中，將能彌補再生混凝土在抗拉強度、韌性、抗?jié)B等方面的缺陷，并更大程度地節(jié)約資源、保護環(huán)境，達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，而紡織廢料增強再生混凝土也將會是其中的一個重要發(fā)展方向。現(xiàn)有試驗結(jié)果也表明，纖維增強廢棄混凝土的再生利用是可行的，但再生混凝土與增強纖維在配合比設(shè)計、材料性能及耐久性等方面均存在一定差異。因此，針對再生纖維混凝土的技術(shù)開發(fā)需要更多的研究。

參考文獻

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

[3] 張?zhí)煲恚瑓菑?滌綸增強混凝土的性能研究[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性能試驗[J].遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2013（12）：1669-1672.

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

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