纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉性能的研究進(jìn)展①

□□ 陸 俊，王建苗，李 靜，桑 偉，張彧銘

(1.浙江永堅(jiān)新材料科技股份有限公司，浙江 紹興 312369；2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，伴隨著新建筑的建造和舊結(jié)構(gòu)的拆除，導(dǎo)致大量建筑垃圾的產(chǎn)生。把拆除后的混凝土破碎成再生粗骨料取代天然骨料是有效處理此類建筑垃圾的一種方式，常用于路基基層。用再生骨料制備再生混凝土(RAC)，建造再生混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土骨料可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，可保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源。上海某再生混凝土示范性高層建筑如圖1所示，該工程結(jié)構(gòu)高49.2 m，建筑面積為15 000 m2，再生骨料取代率為30%。但再生骨料相比天然骨料具有更高的孔隙率、更低的表觀密度和更高的壓碎值[1-2]，用再生骨料代替天然骨料制備的RAC，其抗拉強(qiáng)度明顯降低。為了降低再生骨料表層粘附老砂漿帶來的不利影響，許多學(xué)者提出了不同的方法來提高RAC性能，如添加納米材料、礦粉等外加劑[3]，機(jī)械處理、熱處理和酸處理去除再生骨料表層粘附的老砂漿[4-5]、改變攪拌工藝以及摻加纖維[6]。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)摻入纖維可顯著提升RAC抗拉強(qiáng)度，這主要是由于纖維對(duì)裂縫的萌發(fā)和擴(kuò)展起到了抑制作用[7]。

圖1 再生混凝土示范性工程

一般在混凝土中使用的纖維可分為天然纖維和人造纖維，天然纖維主要來源于劍麻、竹子、黃麻、葉子等，人造纖維主要有鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維、玻璃纖維等[8]。已有不少學(xué)者研究了人造纖維對(duì)RAC力學(xué)性能的影響，本文將系統(tǒng)分析不同類型人造纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響。

1 鋼纖維增強(qiáng)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度

鋼纖維通常由冷拉鋼絲、鋼板和其他形式的鋼制成。鋼纖維具有抗拉強(qiáng)度高、延性好、耐疲勞等特點(diǎn)。另外由于金屬纖維具有波紋表面，鋼纖維與混凝土之間有良好的粘結(jié)作用[9]。Afroughsabet V等[10]通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1%摻量的鋼纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升比對(duì)NAC更為明顯，可見RAC內(nèi)部再生骨料粗糙的表面使鋼纖維與之產(chǎn)生了更好的粘結(jié)[10-11]。

有關(guān)研究表明，鋼纖維可顯著提升RAC的抗拉強(qiáng)度[12-13]，圖2顯示了不同鋼纖維摻量對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響。由圖2可見，隨著鋼纖維摻量增加，RAC抗拉強(qiáng)度逐漸增加，推測(cè)鋼纖維較高的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、錨固性能有效阻止了RAC中裂縫的形成和擴(kuò)展[10]。然而，金寶宏、安學(xué)旭等[13-14]發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維的持續(xù)摻入，RAC抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這可能是由于過量鋼纖維的摻入，導(dǎo)致纖維在RAC拌和過程中成團(tuán)，形成了薄弱區(qū)域。除此之外，唐佳軍等[15]人采用一次端鉤型鋼纖維和兩次端鉤型鋼纖維組成的混雜鋼纖維，通過分層人工均勻撒布一定量的鋼纖維，發(fā)現(xiàn)鋼纖維隨著撒布層數(shù)的增加，RAC抗拉強(qiáng)度也隨之增加，撒布層數(shù)為7層時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)最大，較基準(zhǔn)RAC提高了36.1%。也有學(xué)者對(duì)比了鋼纖維與其他纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響，比較發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升更加有效[16-17]，這是由于鋼纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度以及鉤型的端部，與RAC粘結(jié)錨固作用更強(qiáng)[17]。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響[9,18-23]

2 聚合纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

聚合纖維根據(jù)其原料和生產(chǎn)工藝可分為合成纖維和天然纖維。其中合成纖維包括聚丙烯纖維(PP)、聚乙烯醇纖維(PVA)和聚乙烯纖維(PE)等。合成纖維不易受腐蝕、堿性反應(yīng)、酸性水、鹽、氯、化學(xué)品和微生物等的影響[24]。聚丙烯纖維強(qiáng)度較高，耐酸耐堿，并且價(jià)格低廉。然而，在熱、氧、紫外線等外界因素作用下易發(fā)生化學(xué)變化，惡化其使用性能。另外，由于聚丙烯纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和極性功能的缺乏，以及表面的光滑性使得纖維與水泥基體間的粘結(jié)性能較差，限制了聚丙烯纖維在高性能混凝土中的有效應(yīng)用。聚乙烯纖維具有疏水性，它的力學(xué)性能主要取決于分子量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[25]。合成纖維往往價(jià)格昂貴，在生產(chǎn)過程中需要消耗大量能源，且無法完全生物降解。天然纖維主要包括動(dòng)物纖維(如絲綢和羊毛纖維)和植物纖維(如大麻、亞麻和劍麻加工的特殊纖維)[26]。

大量學(xué)者研究聚丙烯纖維增強(qiáng)RAC的性能，與鋼纖維增強(qiáng)RAC類似，聚丙烯纖維摻入能夠有效提升RAC抗拉強(qiáng)度(如圖3所示)。聚丙烯纖維能夠在混凝土破壞時(shí)起到橋接作用，轉(zhuǎn)移應(yīng)力到聚丙烯纖維上，從而提升RAC抗拉強(qiáng)度[27]。但聚丙烯纖維摻量過多，也會(huì)引起RAC抗拉強(qiáng)度的降低[28-30]，Das C S等[29]認(rèn)為這是由于在劈裂過程中纖維端部和較短纖維中應(yīng)力較高，而纖維摻量的增加使得臨界點(diǎn)增加，使得抗拉強(qiáng)度有所降低。另外，隨著再生骨料取代率的變化，最佳纖維摻量也隨之變化，Das C S等[29]發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為100%時(shí)，摻入0.5%纖維對(duì)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度提升效果最佳。另外，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為15%、30%時(shí)，纖維摻量為1.5%的RAC抗拉強(qiáng)度最大，而再生骨料取代率為45%時(shí)，纖維摻量為1%的RAC抗拉強(qiáng)度最大[30]。此外，聚丙烯纖維長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度有所影響，周靜海等[31]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為19 mm的聚丙烯纖維比長(zhǎng)度為12 mm和30 mm的聚丙烯纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升作用更大。除了聚丙烯纖維外，孫呈凱等[32]試驗(yàn)測(cè)試表明摻入聚乙烯醇纖維也可提高RAC抗拉強(qiáng)度。

圖3 聚丙烯纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響[27-30,33-35]

3 無機(jī)纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

3.1 玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

關(guān)于無機(jī)纖維，研究較多的為玄武巖纖維，玄武巖為火山巖中得到的天然物質(zhì)，熔融溫度在1 500～1 700 ℃之間。通過熔融紡絲拉伸工藝，在極高溫的條件下，將玄武巖高溫熔融，再通過噴絲板拉伸得到玄武巖纖維。玄武巖纖維有較高的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變率，耐堿性能良好；另外玄武巖纖維的導(dǎo)熱系數(shù)極低，具有一定的隔聲性和絕緣性，阻燃、防爆性好，且成本較低；然而，玄武巖纖維質(zhì)量與母材質(zhì)量、種類以及生產(chǎn)工藝密切相關(guān)[36]。

Katkhuda H等[5]發(fā)現(xiàn)摻入短切玄武巖纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度提升非常明顯，再生骨料取代率為20%時(shí)，摻入1.5%的玄武巖纖維，RAC抗拉強(qiáng)度較未摻纖維時(shí)增強(qiáng)了40%，且增強(qiáng)效果明顯比普通混凝土高。并且，用鹽酸浸泡去除再生骨料表層老砂漿后，摻入1%～1.5%的玄武巖纖維，RAC抗拉強(qiáng)度比等摻量纖維增強(qiáng)NAC抗拉強(qiáng)度高。FANG S E等[16]也發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維后RAC抗拉強(qiáng)度有明顯的增加。圖4給出了RAC抗拉強(qiáng)度與玄武巖纖維摻量的關(guān)系，從圖4可見，存在玄武巖纖維降低RAC抗拉強(qiáng)度的情況。DONG J F[7,37]、FANG S G[16]等也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，DONG J F等[7]認(rèn)為這可能是由于玄武巖纖維與水泥的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致粘結(jié)減弱。李曉路等[38]對(duì)不同取代率下的玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土做了試驗(yàn)研究，測(cè)試表明再生骨料取代率<70%時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量(0～0.3%)的增加先增大后減小再增大；當(dāng)再生骨料取代率>70%時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度先增大后減小，但仍比未摻纖維時(shí)RAC抗拉強(qiáng)度大。此外，WANG Y G等[39]發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為50%時(shí)的RAC抗拉強(qiáng)度最大，這是由于在100%再生骨料取代率下，骨料本身缺陷較多，而且玄武巖纖維與水泥基體的反應(yīng)導(dǎo)致再生骨料與玄武巖纖維粘結(jié)減弱。

圖4 玄武巖纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響[7,16,40-42]

3.2 玻璃纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

玻璃纖維具有較好的耐火、拉伸強(qiáng)度和耐化學(xué)性質(zhì)[43]。然而玻璃纖維質(zhì)脆易斷，在攪拌過程中易受到損壞；另外玻璃纖維耐堿性差，僅能在低堿水泥混凝土中使用或采用耐堿玻璃纖維，使其使用范圍也受到較大的限制。姚運(yùn)等[44]試驗(yàn)研究了玻璃纖維增強(qiáng)RAC的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的增加，RAC抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。Ali B等[17]發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為50%、100%時(shí)，玻璃纖維最佳摻量在0.5%～0.75%之間，RAC抗拉強(qiáng)度最大可提高19%。

4 碳纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

碳原子之間可以形成特殊的共價(jià)鍵，一維下碳原子排列產(chǎn)生超高強(qiáng)度纖維，俗稱碳纖維[45]。碳纖維是一種環(huán)保無害的新型有機(jī)材料，不僅強(qiáng)度高，而且還具有耐超高溫、耐疲勞、耐腐蝕等多種優(yōu)越的力學(xué)性能。目前主要有兩類碳纖維，分別為聚合碳纖維和碳納米纖維[46]。

圖5給出了碳纖維摻量與RAC抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，摻入碳纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度有明顯的提升作用，碳纖維摻量在0.3%左右時(shí)達(dá)到了最佳[47]。此外，郭磊等[48]發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升作用要高于抗壓強(qiáng)度，這可能是因?yàn)镽AC中存在的微小裂縫對(duì)于抗拉強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，碳纖維對(duì)裂縫的抑制作用改善了抗拉強(qiáng)度。

圖5 碳纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響[47,49]

5 混雜纖維增強(qiáng)再生混凝土抗拉強(qiáng)度

把兩種或兩種以上不同性質(zhì)纖維混合摻入混凝土，纖維與纖維之間會(huì)互相彌補(bǔ)不足，發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”，從而獲得更好的增加韌性和阻止裂縫擴(kuò)展的作用[50-51]。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，混摻聚丙烯和鋼纖維相比于單摻時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度提升更大，章文嬌等[51]比較鋼纖維和聚丙烯纖維的單摻和混摻效果，發(fā)現(xiàn)單摻鋼纖維和聚丙烯纖維時(shí)，隨著纖維摻量的增加，RAC抗拉強(qiáng)度隨之增加；在混摻鋼纖維和聚丙烯纖維時(shí)，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3、0.9 kg/m3時(shí)，混雜纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升作用明顯高于單摻，提高達(dá)53.8%；但聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度有所降低。孔祥清等[52]發(fā)現(xiàn)在鋼纖維和聚丙烯纖維混合摻入時(shí)，隨著聚丙烯纖維和鋼纖維摻量的增加，RAC抗拉強(qiáng)度隨之提升；混摻0.6 kg/m3聚丙烯纖維和117 kg/m3鋼纖維相比于未摻纖維時(shí)，RAC抗拉強(qiáng)度提升了57.88%；但高于0.6 kg/m3聚丙烯纖維的摻量，過多的聚丙烯纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的提升變緩。此外，TIAN S S等[53]研究了聚丙烯纖維與玄武巖纖維的混摻效果，當(dāng)混摻纖維摻量為0.3%時(shí)，調(diào)整兩種纖維的混合比例，發(fā)現(xiàn)隨聚丙烯纖維比例的增加，RAC抗拉強(qiáng)度增加。AN H等[54]試驗(yàn)研究了摻入不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維以及聚丙烯纖維對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維長(zhǎng)度為6～12 mm時(shí)降低了RAC抗拉強(qiáng)度，降幅達(dá)33.9%～45.5%。而摻入長(zhǎng)度為19 mm的聚丙烯纖維后，RAC抗拉強(qiáng)度提升了13.3%，這可能是由于合適的纖維長(zhǎng)度形成了“支撐網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，有效阻止了裂縫的發(fā)展，減小了應(yīng)力集中。

6 結(jié)語(yǔ)

通過介紹各類纖維的特性，較系統(tǒng)論述了鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維及混摻纖維對(duì)再生混凝土抗拉強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)相比于其他類型纖維，鋼纖維粗糙的表面及特種彎曲端鉤，都有效增加了鋼纖維與RAC的粘結(jié)，可顯著提升RAC的抗拉強(qiáng)度。

(2)聚合纖維耐酸耐堿，不易受腐蝕，但其表面較為光滑，一定程度上降低了聚合纖維與RAC基體的粘結(jié)，在聚合纖維分散良好條件下，仍可較大程度地提升RAC的抗拉強(qiáng)度。

(3)玻璃纖維因其耐堿性差、脆性易斷，在RAC強(qiáng)堿性基體中的應(yīng)用受到較大程度的限制。玄武巖纖維可提高低再生骨料取代率混凝土的抗拉強(qiáng)度，而對(duì)高再生骨料取代率混凝土抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不明顯。

(4)碳纖維雖然強(qiáng)度高、耐超高溫、耐疲勞、耐腐蝕，可顯著增強(qiáng)RAC抗拉強(qiáng)度，但碳纖維價(jià)格高，經(jīng)濟(jì)性差，難以廣泛用于增強(qiáng)RAC抗拉強(qiáng)度的工程實(shí)踐。

(5)在合適的復(fù)合纖維混摻比例和摻量條件下，由于纖維復(fù)摻的“正混雜效應(yīng)”，纖維復(fù)摻比單摻可更有效地提升RAC抗拉強(qiáng)度。

已有研究在纖維增強(qiáng)RAC抗拉強(qiáng)度方面取得了一定的研究成果，以后可重點(diǎn)關(guān)注以下研究方向：

(1)系統(tǒng)研究纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比、表面形貌等因素對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響。

(2)系統(tǒng)研究纖維摻量對(duì)RAC抗拉強(qiáng)度的影響，確定最優(yōu)纖維摻量和復(fù)摻比例。

(3)由廢舊輪胎可制備廢棄鋼纖維，由廢棄織物可制備廢棄織物纖維。未來可加強(qiáng)廢棄纖維增強(qiáng)RAC抗拉強(qiáng)度的研究。

(4)綜合考慮纖維的耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性以及增強(qiáng)效果，選擇合適纖維類型增強(qiáng)RAC抗拉強(qiáng)度。