不同種類纖維增強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，吉林 長春 130118）

0 引言

自20世紀末以來，纖維增強技術在混凝土領域得到了廣泛應用。最初，這種技術主要用于提高傳統混凝土的性能。隨著可持續發展理念的普及和建筑廢料利用技術的進步，纖維增強技術開始應用于再生混凝土，以克服其在性能上的不足。纖維增強再生混凝土不僅繼承了傳統混凝土的優點，還通過纖維的引入，改善了再生材料的內在缺陷，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的抗壓強度均高于未添加纖維的普通混凝土的抗壓強度[1]。這說明，再生骨料混凝土在加入纖維的情況下可以達到與普通混凝土相同的強度。

隨著科學技術的發展，纖維種類不斷增加，應用技術也在不斷創新。不同種類的纖維增強再生混凝土具有較大的性能差異，各種纖維的最佳摻入比、不同纖維組合的協同效應，以及纖維對再生混凝土在特殊環境下（如高溫、凍融循環等）性能的影響不盡相同。基于此，本文在總結纖維增強再生混凝土相關研究成果的基礎上，對不同種類纖維增強再生混凝土的性能進行分析，并對纖維增強再生混凝土的價值進行了簡單評價，以期為纖維增強再生混凝土的研發和應用提供參考。

1 不同種類纖維增強再生混凝土的性能

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，因其良好的耐化學性、耐久性和低成本，在再生混凝土中的應用日益增多。

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。在重復載荷（如車輛經過的道路）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度，尤其在較短養護周期內效果顯著[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，減少塑性收縮裂紋的形成。此外，當混凝土受到外力而產生裂紋后，對分布于混凝土中的纖維產生了"橋接"效應，從而抑制了裂紋的進一步延伸。

加入聚丙烯纖維能有效提升自密實再生混凝土的防水性。調整纖維的用量和配比有助于進一步增強混凝土的抵抗滲透能力[3]。李曉龍還通過實驗發現聚丙烯纖維不僅能作為增強承載能力和結構伸展性的結構材料，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

碳纖維的高強度和剛性使其成為提高再生混凝土結構強度的理想選擇。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引起的損傷，有利于延長結構的使用壽命。碳纖維的導電性能還使其在防止電化學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或防腐蝕的特殊結構中，碳纖維增強的再生混凝土具有獨特的優勢。根據吳輝琴的實驗研究可知，碳纖維再生混凝土（CFRAC）在循環荷載下的受壓性能提高：碳纖維的加入導致峰值應力和峰值應變分別提高了11.33%和 12.22%（當碳纖維體積摻量為 0.3%）。當再生粗骨料取代率為 100% 時，峰值應力和峰值應變分別提高了10.16%和14.29%[5]。

碳纖維在負載作用下提供額外的承載力，增強了混凝土的抗壓能力，特別是在高應力區域，如柱和梁的節點。高模量特性使混凝土在受力時變形減少，提高了結構的整體穩定性，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，微裂縫和孔洞數量降低，這有助于減少水和有害物質的侵入，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，因其良好的機械性能和耐熱性，在再生混凝土中的應用越來越受到關注。玄武巖纖維能提高再生混凝土的抗壓強度和抗裂性能，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，由于其優異的熱穩定性和耐久性，在高溫和火災環境中的應用尤為重要。這種纖維能夠提高混凝土的耐火性能，使其在火災情況下保持結構完整性。

李曉路研究發現，摻入玄武巖纖維后，再生混凝土的流動性下降，水泥基質間的摩擦力提升，這對提升其立方體的抗壓強度和劈裂抗拉強度起到了顯著的強化和增韌作用。尤其是當玄武巖纖維的摻入量達到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。研究結果揭示，在纖維摻量達到3kg∕m3時，玄武巖纖維再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強度比普通再生粗骨料混凝土提高了7.2%，軸心抗壓強度下降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度比普通再生粗骨料混凝土提高了 12.8%，軸心抗壓強度提高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系進行了分析。結果表明，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，當再生粗骨料的質量取代率為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構進行觀測，結合擴散理論，揭示了碳化損傷機制。

高銀等[9]通過實驗發現玄武巖纖維對再生混凝土具有一定的增強和增韌效果。特別是當纖維長度為12mm，體積摻量為0.3%時，對再生混凝土的抗壓強度增強效果最優，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性能和潛在的質量控制問題，但這些通常可以通過添加纖維和其他改性劑來改善。玄武巖纖維作為創新的無機環保纖維，擁有出色的柔韌性和經濟價值，為增強再生混凝土的機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）能夠增強再生混凝土的抗拉強度：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：玄武巖纖維的熱穩定性使得增強的再生混凝土在高溫和火災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穩定性和耐久性，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，開發了新型耐堿玻璃纖維（AR玻璃纖維），以提高其在高堿性環境中的穩定性。AR玻璃纖維的使用拓寬了玻璃纖維在混凝土領域的應用范圍，特別是在需要長期耐久性的結構中。

宗翔等[10]發現聚乙烯醇（PVA）改性的再生骨料顯著提升了再生混凝土的力學性能,當0.1%玻璃纖維和6mm纖維長度摻入時，再生混凝土的抗壓強度達到最大值40.8MPa，比未摻纖維時增加33.7%。劈裂抗拉強度也得到改善，通過電子顯微鏡觀察，發現改性再生骨料與其他材料粘結良好，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）能夠增強再生混凝土的抗拉強度：玻璃纖維的摻入提高了再生混凝土的抗拉強度，減少了裂縫的發展。

（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試驗和抗氯離子滲透性試驗，發現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性能的影響，發現玄武巖纖維單獨摻入可以增強再生混凝土的抗壓強度，而聚丙烯纖維單獨摻入會減弱抗壓強度，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可能導致結構弱化。

陳宇良等[13]發現纖維摻入顯著改善了再生混凝土的破壞形態、剛度、塑性應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變的累積。

2 不同種類纖維增強再生混凝土價值簡評

2.1 應用優勢

（1）促進再生混凝土力學性能的提升。纖維增強再生混凝土在多項力學性能上表現出色，包括提高抗壓強度、增強抗裂和抗彎能力。這些改進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侵蝕能力，這為其在惡劣環境下的應用提供的條件。

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

2.2 對建筑業可持續發展的貢獻

（1）有利于資源循環利用。纖維增強再生混凝土的使用推動了建筑材料的循環利用，減少了對自然資源的依賴和廢棄物的產生，是實現建筑行業循環經濟的重要手段。

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

（3）有利于推動綠色建筑發展

纖維材料的應用支持了綠色建筑和可持續建筑項目的發展，可以幫助建筑項目達到更高的環保標準，如LEED認證等。

3 結束語

綜上所述，不同種類的纖維增強再生混凝土不僅在技術上有了顯著的提升，性能得到了極大的改善，而且在推動建筑材料的可持續利用方面做出了重要貢獻。纖維增強再生混凝土綜合性能的提升和對環境的正面影響，標志著這種材料在未來建筑行業中的廣泛應用前景。隨著持續的技術創新和環境保護意識的提升，纖維增強再生混凝土有望在實現建筑行業可持續發展方面扮演更加重要的角色。