纖維種類對再生混凝土力學性能影響分析

鞠豪 蔣瑞智

再生混凝土（RAC）由于舊骨料替代的原因，其基本力學性能有不同程度的降低，限制了其在實際工程中的應用，因此有必要對再生混凝土進行增強處理，采用纖維對再生混凝土進行增強改性可以有效地改善再生混凝土的力學性能，在查閱大量國內外文獻的基礎上，以鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維、混雜纖維進行分類，總結分析不同種類的纖維對再生混凝土基本力學性能的影響規律，并提出了纖維增強再生混凝土尚未解決的問題，為未來相關領域的研究提供新思路。

再生混凝土； 力學性能； 纖維種類

TU528.572 A

［定稿日期］2022-05-12

［作者簡介］鞠豪（1997—），男，碩士，研究方向為道路材料。

近年來，隨著我國城市建設腳步的加快，建筑垃圾逐年增多，目前每年產生的建筑垃圾可達24億t，其在城市垃圾中占比達40%［1］。 對建筑垃圾特別是廢棄混凝土進行回收利用有助于資源、環境相互協調共同發展，而再生混凝土（RAC）就是將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分檔過后，按一定比例部分或全部代替砂石等天然集料配制得到混凝土［2］。本文查閱了大量有關纖維增強RAC力學性能的國內外文獻，在此基礎上，重點分析不同種類的纖維對RAC力學性能的影響，具體包括混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度等性能，并提出了相關的問題及建議，為纖維增強RAC的進一步研究和應用提供新思路。

1 鋼纖維

鋼纖維（SF）作為一種新型的高性能纖維，其拉壓性能、彈性模量較高，近年來，學者們加大了對鋼纖維再生混凝土（SFRAC）力學性能方面的試驗研究，利用SF的增強增韌作用來改善再生混凝土的力學性能。

多數研究表明SF能夠提高RAC的抗壓強度。姜鵬飛［3］研究了不同SF摻量對16%粗骨料替代率的RAC抗壓強度影響，發現對于摻入1.5%、2%的SFRAC，其立方體抗壓強度分別增加了19.4%、14.2%。汪振雙等［4］對不同體積摻量的SFRAC進行了研究，結果表明摻入SF，RAC抗壓強度的提高不明顯，但顯著提高了RAC的劈裂抗拉強度和抗折強度。Huo J等［5］則認為1.5%的SF為最優摻量。吳全強等［6］也得出了類似的結論，認為鋼纖維的合理摻量為 1.5%左右。研究認為，抗壓強度下降的原因在于，SF 摻量過多，RAC內部鋼纖維容易簇團，攪拌不均勻，對強度提升造成不利影響，甚至使得抗壓強度下降。

SF具有高彈性模量、高抗拉強度等性質，相較于RAC的抗壓強度，SF對RAC的劈裂抗拉和抗折強度影響更加顯著。Huo J等［5］的研究表明，粗骨料替代率為20%，當SF含量為2%時，RAC的劈裂抗拉提高了44.8%，抗折強度提高了34%。Carneiro等［7］研究發現，對于粗骨料替代率為25%的RAC，當SF含量為0.75%時，RAC的劈裂抗拉和抗折強度分別提高22%和38%。何文昌等［8］研究了不同摻量與種類的SF對RAC力學性能的影響，結果表明，SF的摻入顯著提高了 RAC 的劈裂抗拉和抗折強度，且端鉤型SF相對于銑削型和波紋型SF對RAC性能增強效果更加明顯。

2 玄武巖纖維

玄武巖纖維（BF）作為一種新型纖維，具有抗拉強度高、密度小、耐酸堿性好的特點，且綠色環保、造價較低、經濟優勢明顯，近年來，玄武巖纖維再生混凝土（BFRAC）也受到了廣大學者的關注。

研究表明，BF對RAC抗壓強度的影響較小，甚至會降低RAC的抗壓強度。白睿奇［9］研究了100%粗骨料替代率下，BF對RAC力學性能的影響，發現隨著BF摻量的提高，RAC抗壓強度先升后降，纖維體積摻量為 0.1%時，其抗壓強度提高最明顯，而此時RAC的抗壓強度僅提高了7.9%。Chen等［10］也得出了類似的結論，并給出了BF的最優摻量為0.15%。姬楓［11］則以混凝土齡期為變量，研究不同BF摻量下RAC強度的變化規律，結果表明，BF的摻入會降低RAC前中期的抗壓強度，但卻可以有效提高RAC后期的抗壓強度。高銀等［12］以BF的長度與體積摻量為變量，研究了其對50%粗骨料替代率的RAC強度的影響規律，發現，一定摻量下，適當長度的BF可以增強RAC的抗壓強度，并確定了BF的最優長度為12 mm。

由于BF在RAC中的亂向分布，在RAC內形成網狀結構，加之BF的橋接作用，BF對RAC的劈裂抗拉和抗折強度影響顯著。田凱［13］研究了6 kg/m3的BF摻量對粗骨料替代率為50%的RAC力學性能的影響規律，結果表明，RAC的劈裂抗拉與抗折強度較未摻BF分別提高了48.8%、10.5%。許安邦等［14］研究發現，100%粗骨料替代率下，對比不摻BF的試件，摻 0.3%BF試件抗折強度提高了50.6%。董江峰等［15］研究了不同BF摻量下，不同粗骨料替代率的RAC的物理力學性能，發現粗骨料替代率為50%時，BF最優摻量為4 kg/m3，粗骨料替代率為100%時，BF最優摻量為2 kg/m3。童瑤［16］則進一步研究了不同BF的長度和摻量對RAC力學性能的影響，結果表明，BF長度為12 mm時，其對RAC力學性能改善效果最佳，在粗骨料替代率為20%，摻入適量BF，RAC的劈裂抗拉與抗折強度分別提高了43.47%、32.21%。

3 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維（HPP）作為一種新型的混凝土增強纖維，性價比高，耐腐蝕，近年來很多學者對聚丙烯纖維再生混凝土（HPPRAC）力學性能方面進行了深入的研究，取得了一定的研究成果。

研究發現，HPP的摻入對RAC抗壓強度影響并不顯著。Das等［17］研究了HPP對100%粗骨料替代率的RAC抗壓強度的影響，發現摻入0.5%的HPP，RAC抗壓強度值僅增加5%，隨著HPP的進一步摻入，RAC的抗壓強度下降。元成方等［18］也得出了類似的結論，當HPP摻量為0.6 kg/m3時，RAC的抗壓強度略有提高，隨著纖維摻量的增加，RAC的抗壓強度有所降低。Lei等［19］的研究則表明摻入HPP在一定程度上降低了RAC的抗壓強度，但不同的纖維尺寸可以減少這種負面影響。Hossain等［20］研究了在不同粗骨料替代率下HPP對RAC力學性能的影響規律，結果表明，10%粗骨料替代率的RCA的抗壓強度增加，但30%粗骨料替代率下RCA的抗壓強度降低。由此可見，相比于鋼纖維（SF），聚丙烯纖維（HPP）對RAC抗壓強度影響較小。

相反，HPP對RAC的劈裂抗拉和抗折強度的提升卻十分有效，HPP在混凝土中的亂向分布削弱了再生混凝土內部的應力集中，且在混凝土開裂的過程中能承受拉應力，對裂縫的發展起到抑制的效果。吳寶等［21］研究發現，RAC中摻入HPP后，其劈裂抗拉強度顯著提高，當骨料替代率為50%，0.3%的HPP體積摻量使RAC劈裂抗拉強度提高了73%。李娜等［22］也得出了類似的結論，HPP摻入顯著提高了RAC的劈裂抗拉和抗折強度。何文昌等［23］對高摻量HPP下RAC的力學性能進行了研究，結果表明，HPP的摻入不同程度地提高了RAC的劈裂抗拉及抗折強度，HPP摻量為 0.9%時，100%粗骨料替代率的RAC 試件的劈裂抗拉與抗折強度分別提高 19.8%、22%。張蓉［24］研究了HPP對高溫后RAC力學性能的影響，結果表明，HPP對高溫后的RAC各方面的力學性能的影響較常溫狀態下不顯著。

4 混雜纖維

近年來，針對纖維增強RAC性能的研究越來越得到重視，但大多數集中在單一纖維對RAC性能的影響，對摻入混雜纖維的RAC性能的研究相對較少［25］。

研究發現，不同纖維的性能可以互補，并充分發揮各種的優點，纖維混雜后摻入RAC中，能夠進一步強化RAC的力學性能。相比于其他混雜纖維，研究鋼纖維（SF）-聚丙烯纖維（HPP）混雜纖維對RAC力學性能的影響較多。高化東［26］研究了不同摻量的SF和HPP混雜作用下對RAC力學性能的影響，結果表明，RAC抗壓強度位于單摻 SF和單摻HPP之間，混雜纖維對RAC劈裂抗拉強度影響最顯著，在RAC中摻入1.5%的SF和0.6%的HPP后，RAC劈裂抗拉強度提高了57.8%。孔祥清等［27］也得出了類似的結論，摻入SF對RAC抗壓強度的影響較為顯著，但混合摻入HPP會略微降低RAC的抗壓強度。章文姣等［28］研究發現，SF與HPP混雜纖維對RAC彈性模量影響不大，在HPP摻量一定時，SF不同摻量對RAC彈性模量影響在15%以內。

有學者對其他混雜纖維對RAC性能的影響做了研究，李坤［29］和任莉莉［30］研究了玄武巖纖維（BF）-聚丙烯纖維（HPP）混雜纖維對RAC力學性能的影響，發現混雜纖維的摻入對RAC的各力學性能都有所提高，對RAC彈性模量影響顯著。姚琳等［31］研究了玻璃纖維（GF）-聚丙烯纖維（HPP）單摻及混摻對RAC基本力學性能的影響，結果表明，纖維的摻入顯著提高RAC的劈裂抗拉強度和彈性模量，改善RAC基體的整體性能，但對RAC抗壓強度影響不顯著。蘇煒煒［32］研究了玄武巖纖維（BF）-玻璃纖維（GF）再混摻對RAC基本力學性能的影響，結果表明，混雜纖維降低了RAC的抗壓強度，提高了RAC的劈裂抗拉與抗折強度，但相比其他混雜纖維對RAC力學性能的影響不顯著。

5 結論及展望

由上述分析可以得到，對于RAC的抗壓強度，除SF以外，各種纖維對其影響并不顯著，整體影響表現為：SF>BF>GF>HPP。各種纖維均能有效提高RAC的劈裂抗拉強度與抗折強度，整體影響表現為：GF＜SF

（1）目前大多數對纖維增強再生混凝土力學性能方面的研究都停留在靜態層面，有必要對其動態力學性能進行研究。

（2）大多數研究僅考慮了單一因素作用下纖維對再生混凝土性能的影響，應進一步對關鍵因素耦合作用下纖維增強再生混凝土的研究。

（3）對高溫后纖維對再生混凝土的性能的影響應進一步研究。

（4）纖維增強再生混凝土性能研究目前涉及單一纖維摻入的較多，對于不同纖維對再生混凝土的影響研究較少，且混雜纖維對再生混凝土性能的研究不足，應加強對混雜纖維在再生混凝土力學性能方面的研究。

參考文獻

［1］ 國家住房和城鄉建設部. 2018 中國城市建設統計年鑒［M］. 北京：中國計劃出版社，2019.

［2］ Pan H， Ma Y . IMPact Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete and Its Mechanism of Crack Resistance and Toughening［J］. Jianzhu Cailiao Xuebao/Journal of Building Materials， 2017， 20（6）：956-961.

［3］ 姜鵬飛. 纖維再生混凝土力學性能試驗及其本構關系研究［D］.內蒙古工業大學，2018.

［4］ 汪振雙，譚曉倩.鋼纖維再生粗集料混凝土的力學性能和抗凍性研究［J］.硅酸鹽通報，2016，35（4）：1184-1187.

［5］ Huo J， Bai X， Jiang P ， et al. Effect of Different Fiber Content on Mechanical Properties of Recycled Concrete［J］. IOP Conference Series Materials Science and Engineering， 2018.

［6］ 吳全強，肖澤林，李舵.鋼纖維增強再生混凝土力學及收縮性能試驗研究［J］.湖南交通科技，2020，46（2）：45-48.

［7］ Carneiro J A ， Lima P ， Leite M B ， et al. Compressive stress-strain behavior of steel fiber reinforced-recycled aggregate concrete［J］. Cement and Concrete Composites， 2014.

［8］ 何文昌，孔祥清，周聰，等.鋼纖維再生混凝土力學性能和微觀結構研究［J］.混凝土，2020（12）：44-49.

［9］ 白睿奇. 玄武巖纖維對再生混凝土基本力學性能的影響研究［D］. 太原：太原理工大學.

［10］ Chen A ， Han X ， Chen M ， et al. Mechanical and stress-strain behavior of basalt fiber reinforced rubberized recycled coarse aggregate concrete［J］. Construction and Building Materials， 2020， 260（8-9）：119888.

［11］ 姬楓.玄武巖纖維對再生混凝土力學及耐久性能影響研究［J］.粉煤灰綜合利用，2020，34（3）：85-87+140.

［12］ 高銀，宗翔.玄武巖纖維對再生混凝土基本力學性能的影響［J］.長江大學學報（自科版），2018，15（21）：6-10+4.

［13］ 田凱.玄武巖纖維對再生混凝土力學性能的影響研究［J］.新型建筑材料，2019，46（6）：22-24+103.

［14］ 許安邦，蘇煒煒，梁宇涵.玄武巖纖維增強全再生粗骨料混凝土力學性能試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2022（2）：56-60.

［15］ 董江峰，侯敏，王清遠，等.玄武巖纖維再生混凝土的基本力學性能［J］.四川大學學報（工程科學版），2012，44（S2）：9-12.

［16］ 童瑤. 玄武巖纖維對再生混凝土力學性能影響試驗研究［D］.武漢：湖北工業大學，2020.

［17］ Das C S ， Dey T ， Dandapat R ， et al. Performance evaluation of polypropylene fibre reinforced recycled aggregate concrete［J］. Construction and Building Materials， 2018， 189（NOV.20）：649-659.

［18］ 元成方，魏逸然，李爽.聚丙烯纖維混合再生骨料混凝土力學性能研究［J］.鄭州大學學報（工學版），2021，42（2）：49-53.

［19］ Lei B ， Li W ， Liu H ， et al. Synergistic Effects of Polypropylene and Glass Fiber on Mechanical Properties and Durability of Recycled Aggregate Concrete［J］. International Journal of Concrete Structures and Materials， 2020， 14（1）：1-14.

［20］ Hossain F ， Shahjalal M ， Islam K ， et al. Mechanical properties of recycled aggregate concrete containing crumb rubber and polypropylene fiber［J］. Construction and Building Materials， 2019， 225：983-996.

［21］ 吳寶，薛斌，馮幻.聚丙乙烯纖維增強再生混凝土性能影響的研究［J］.河北建筑工程學院學報，2015，33（4）：16-19.

［22］ 李娜，劉艷華，張忠.聚丙烯纖維對再生混凝土力學及收縮性能影響研究［J］.公路工程，2021，46（1）：200-204.

［23］ 何文昌，孔祥清，高化東，等.高摻量聚丙烯纖維再生混凝土力學性能及微觀結構研究［J］.混凝土，2020（1）：82-86.

［24］ 張蓉. 高溫后聚丙烯纖維增強再生混凝土軸壓和斷裂性能試驗研究［D］.廣州：廣東工業大學，2016.

［25］ Wang Y ， Tang J ， Hu J ， et al. Experimental Study on Compressive and Splitting Tensile Strength of Layer Hybrid Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2021， 760（1）：012020 （6pp）.

［26］ 高化東. 混雜纖維再生混凝土力學性能及微觀結構研究［D］.遼寧工業大學，2018.

［27］ 孔祥清，何文昌，周聰，等.混雜摻入鋼/聚丙烯纖維再生混凝土力學性能及抗沖擊性能試驗研究［J］.建筑科學，2020，36（3）：94-99.

［28］ 章文姣，鮑成成，孔祥清，等.混雜纖維摻量對再生混凝土力學性能的影響研究［J］.科學技術與工程，2016，16（13）：106-112+123.

［29］ 李坤.纖維增強再生骨料混凝土基本力學性能試驗與分析［J］.混凝土與水泥制品，2019（2）：60-62.

［30］ 任莉莉.纖維再生混凝土基本力學性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2019（4）：49-54.

［31］ 姚琳，裴長春.混雜纖維再生混凝土基本力學性能試驗研究［J］.山西建筑，2016，42（35）：117-119.

［32］ 蘇煒煒. 纖維增強全再生粗骨料混凝土物理及力學性能研究［D］.南寧：廣西大學，2021.