纤维改良建筑废料再生绿色混凝土工程性能研究

赵静怡

（安康学院陕南生态经济发展研究中心，陕西 安康725000）

0 引言

为合理使用废弃建筑材料且达到节约资源的目的，再生骨料混凝土逐渐得到推广应用。然而，由于再生骨料性质影响，RAC 的力学性质及变形能力较差［1－3］。因此，如何有效改善RAC 的工程性能对其推广应用及资源节约利用具有重要意义。

现有研究表明，通过掺加一定量的无机纤维能够有效改善RAC 的力学特性。部分学者指出，玄武岩纤维具有较好的拉伸性能，且其强度较大，通过在混凝土中掺入一定量的玄武岩纤维，可以有效提升混凝土的抗压强度和抗拉强度［4－6］。同时，也有部分学者指出，钢纤维作为一种强度很大的纤维材料，其在提升混凝土的工程性能方面也具有非常好的应用前景［7－9］。此外，聚丙烯纤维由于成本低廉，也常用在混凝土改良中。学者门发现掺入少量的聚丙烯纤维会导致混凝土抗压强度小幅度降低，而抗拉性能则有着显著的提升［10－12］。综上可知，现有研究主要针对单掺某种无机纤维条件下混凝土的力学特性，且单掺纤维会导致某种性质变差，如单掺聚丙烯纤维会抗拉强度降低，而过量单掺钢纤维则会提高成本［13－15］。

现有研究缺乏对混掺多种纤维改良混再生混凝土工程性质的研究，混掺多种纤维改良再生混凝土具有较广泛的研究前景。为有效改善RAC 试件的力学性能，本次研究室内制备了不同钢纤维（SF）、聚丙烯纤维（PF） 掺量条件下的RAC，并对其展开了坍落度试验、立方体抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验。研究成果为RAC 的改良提供了一定的借鉴作用。

1 试验设计

1.1 试样制备

本次研究需要制备不同SF 和PF 掺量的绿色再生混凝土，主要用的原材料具体如下： （1） 水泥。P·O 42.5 级的普通硅酸盐水泥； （2） 粗骨料。绿色混凝土的粗骨料采用废弃的C40 混凝土梁破碎后的再生粗骨料，最大粒径为20 mm；（3） 细 骨 料。中 粗 河 砂，细 度 模 数 为2.55；（4） 减水剂； （5） 钢纤维。产自鞍山某公司，平均长度30 mm，平均直径0.5 mm，弹性模量为210 GPa； （6） 聚丙烯纤维。产自无锡某公司，平均长度12 mm，平均直径3 μm，弹性模量为3.5 GPa。将上述材料按照固定的配比开始制备纤维改性绿色RAC，其中，素RAC 的质量配比为水泥∶细骨料∶建筑垃圾再生粗骨料∶减水剂∶水＝540 ∶618 ∶1052 ∶2.16 ∶190。之后，按照体积配比，分别掺入不同体积掺量的SF 和PF 材料，具体掺入配比如下表1 所示。本次试验所用的纤维改良建筑废料再生绿色混凝土的制备流程均按照JGJ／T 221－2010 《纤维混凝土应用技术规程》 相关规范开展，养护时间为28 d，最后制备为150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体试样，以开展立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。

表1 纤维改良建筑废料再生绿色混凝土配比Table 1 Proportion of recycled green concrete with fiber improved construction waste

图1 纤维材料Fig.1 Fiber materials

1.2 试验方案

室内对纤维改良建筑废料再生绿色混凝土展开全面的试验研究，主要包括拌合物的坍落度试验、RAC 试件立方体抗压强度试验以及RAC 试件劈裂拉伸强度试验，深入分析了SF 和PF 对建筑垃圾再生混凝土宏观物理性质的影响。其中，坍落度试验、立方体抗压强度试验和劈裂拉伸强度试验均是按照相关试验规范标准的要求开展［16－17］，本次研究所用的试验设备为MTS－150 型力学试验设备（图2）。

图2 MTS－150 型力学试验设备Fig.2 MTS－150 mechanical test equipment

2 试验结果分析

2.1 坍落度

对不同配比的纤维改良建筑废料再生绿色混凝土拌合物开展了坍落度试验，得到试验结果如下表2 所示。由表2 可知，对于不掺SF 和PF 材料的素RAC 拌合物，其坍落度较高，可以达到168.87 mm。而在掺入SF 或PF 材料后，混凝土拌合物的坍落度产生了非常明显的下降，其中，单掺1%SF 材料的混凝土拌合物坍落度为92.16 mm，单掺0.8%PF 材料的混凝土拌合物坍落度为108.95 mm。进一步分析混掺SF 和PF 材料对绿色RAC 坍落度的影响，试验结果如表2 所示。由表2可知，在相同的SF 掺量下，RAC 材料的坍落度随PF 掺量的增大而逐渐减小； 以SF 材料掺量为1.0%为例，不同PF 材料下RAC 的坍落度分别为92.16 mm、42.85 mm、31.22 mm 和19.55 mm。同理，在相同的PF 掺量下，RAC 材料的坍落度随SF 掺量的增大而逐渐减小； 以PF 材料掺量为0.8%为例，不同PF 材料下RAC 的坍落度分别为108.95 mm、38.15 mm、31.22 mm 和25.33 mm。对比掺加纤维后RAC 材料的坍落度和素RAC 的坍落度，可以发现，不论单掺SF 材料、单掺PF 材料或混掺两种纤维材料，均会导致拌合物坍落度的下降。分析认为，当在混凝土中掺入SF 或PF材料后，水泥浆体会包裹住纤维材料表面，使得自由状态的浆体颗粒数量减少，因此坍落度降低。

表2 纤维改良建筑废料再生绿色混凝土拌合物坍落度Table 2 Slump of recycled green concrete mixture of fiber improved construction waste

2.2 立方体抗压强度

基于立方体抗压强度试验，得到不同纤维改良建筑废料再生绿色混凝土的抗压强度如图3 所示。由图3 可知，不掺SF 和PF 条件下，建筑废料再生混凝土试件的立方体抗压强度仅有49.20 MPa。SF材料和PF 材料对再生混凝土的抗压强度的影响不一致，由图3 可知，单掺SF 材料后混凝土的抗压强度明显提高，达到了55.32 MPa； 而PF 纤维则对RAC 的抗压强度有着明显的劣化效应，单掺PF材料的RAC 强度小幅降低，仅为47.88 MPa。

对于混掺SF 材料和PF 材料的RAC 试件，从整体来看，在SF 材料掺量相同的条件下，RAC 的立方体抗压强度随着PF 材料增大而逐渐降低； 当SF 掺量为0.5%时，不同PF 掺量的RAC 试件的抗压 强 度 分 别 为 54.32 MPa、48.12 MPa 以 及44.03 MPa。相反的是，在PF 材料掺量相同时，RAC 的立方体抗压强度随着SF 材料增大而逐渐增大； 当PF 材料掺量为0.4%时，不同SF 掺量RAC试件的抗压强度分别为54.32 MPa、56.15 MPa 和57.33 MPa。分析认为，当在再生混凝土试样中掺入一定量的SF 纤维后，混凝土加载破坏过程中，由于钢纤维的强度较大，因此其能够有效的分担部分外部荷载，因此提高了RAC 试件的抗压强度；而PF 材料的弹性模量较差，在RAC 掺入PF 材料后会导致RAC 试件的承载能力降低。

此外，试验结果表明，当钢纤维和聚丙烯纤维体积掺量较大时，RAC 试件的立方体抗压强度又出现了明显的降低。分析认为，当RAC 中纤维的掺量过大时，会导致纤维在混凝土搅拌过程中发生团聚问题，因此RAC 内部结构不均匀，试件的承载能力降低。

2.3 劈裂抗拉强度

基于劈裂抗拉强度试验，得到不同纤维改良建筑废料再生绿色混凝土的抗拉强度如图4 所示。由图4 可知，不掺SF 和PF 条件下，建筑废料再生混凝土试件的抗拉强度仅有2.75 MPa。SF 材料和PF 材料对再生混凝土的抗压强度的影响不一致，由图4 可知，相较于素RAC 试件，掺入SF 或PF 材料后，纤维改良RAC 试件的抗拉强度均有所提高。单掺SF 纤维和单掺PF 纤维的RAC 试件抗拉强度分别为4.32 MPa 和3.39 MPa，分别较素RAC 试件提高了57.09%和23.27%。

图4 纤维改良建筑废料再生绿色混凝土劈裂抗拉强度Fig.4 Splitting tensile strength of recycled green concrete with fiber improved construction waste

对于混掺SF 材料和PF 材料的RAC 试件，从整体来看，当PF 掺量较低时，RAC 试件的抗拉强度随SF 材料掺量的增大逐渐增大； 而当PF 掺量较大时，RAC 试件的抗拉强度则呈现出先增大后减小的变化趋势。当SF 掺量较低时，RAC 试件的抗拉强度随SF 材料掺量的增大逐渐增大； 而当PF掺量较大时，RAC 试件的抗拉强度则呈现出逐渐减小。分析认为，在RAC 试件劈裂拉伸加载破坏过程中，素RAC 试件由于内部无纤维，因此其迅速破坏并断裂； 而对于纤维改良的RAC 试件，在其劈裂破坏过中，可以观察到纤维的逐渐断裂过程。这表明，SF 和PF 材料在拉伸破坏过程中承担一定的拉伸应力，因此提高了RAC 试件的抗拉强度。

3 结论

为有效提升建筑废料再生绿色混凝土（RAC）的力学性能，室内利用钢纤维和聚丙烯纤维分别制备了钢纤维改良RAC、聚丙烯纤维改良RAC 以及钢－聚丙烯纤维改良RAC，并对三种RAC 材料开展了坍落度试验、立方体抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验。研究发现：

（1） 素RAC 拌合物的坍落度较高，可以达到168.87 mm。掺入SF 或PF 材料后，混凝土拌合物的坍落度产生了非常明显的下降，单掺1%SF 材料的混凝土拌合物坍落度为92.16 mm，单掺0.8%PF 材料的混凝土拌合物坍落度为108.95 mm。

（2） 单掺SF 材料后混凝土的抗压强度明显提高，而PF 纤维则对RAC 的抗压强度有着明显的劣化效应，单掺PF 材料的RAC 强度小幅降低。当钢纤维和聚丙烯纤维体积掺量较大时，RAC 试件的立方体抗压强度又出现了明显的降低。

（3） 当PF 或SF 掺量较低时，RAC 试件的抗拉强度随另一种纤维材料掺量的增大逐渐增大；而当PF 或SF 掺量较大时，RAC 试件的抗拉强度则会出现减小的现象。研究成果为我国建筑废料的回收利用以及混凝土的改良提供了一定的借鉴作用。