纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土工程性能研究

趙靜怡

（安康學院陜南生態經濟發展研究中心，陜西 安康725000）

0 引言

為合理使用廢棄建筑材料且達到節約資源的目的，再生骨料混凝土逐漸得到推廣應用。然而，由于再生骨料性質影響，RAC 的力學性質及變形能力較差［1－3］。因此，如何有效改善RAC 的工程性能對其推廣應用及資源節約利用具有重要意義。

現有研究表明，通過摻加一定量的無機纖維能夠有效改善RAC 的力學特性。部分學者指出，玄武巖纖維具有較好的拉伸性能，且其強度較大，通過在混凝土中摻入一定量的玄武巖纖維，可以有效提升混凝土的抗壓強度和抗拉強度［4－6］。同時，也有部分學者指出，鋼纖維作為一種強度很大的纖維材料，其在提升混凝土的工程性能方面也具有非常好的應用前景［7－9］。此外，聚丙烯纖維由于成本低廉，也常用在混凝土改良中。學者門發現摻入少量的聚丙烯纖維會導致混凝土抗壓強度小幅度降低，而抗拉性能則有著顯著的提升［10－12］。綜上可知，現有研究主要針對單摻某種無機纖維條件下混凝土的力學特性，且單摻纖維會導致某種性質變差，如單摻聚丙烯纖維會抗拉強度降低，而過量單摻鋼纖維則會提高成本［13－15］。

現有研究缺乏對混摻多種纖維改良混再生混凝土工程性質的研究，混摻多種纖維改良再生混凝土具有較廣泛的研究前景。為有效改善RAC 試件的力學性能，本次研究室內制備了不同鋼纖維（SF）、聚丙烯纖維（PF） 摻量條件下的RAC，并對其展開了坍落度試驗、立方體抗壓強度試驗以及劈裂抗拉強度試驗。研究成果為RAC 的改良提供了一定的借鑒作用。

1 試驗設計

1.1 試樣制備

本次研究需要制備不同SF 和PF 摻量的綠色再生混凝土，主要用的原材料具體如下： （1） 水泥。P·O 42.5 級的普通硅酸鹽水泥； （2） 粗骨料。綠色混凝土的粗骨料采用廢棄的C40 混凝土梁破碎后的再生粗骨料，最大粒徑為20 mm；（3） 細 骨 料。中 粗 河 砂，細 度 模 數 為2.55；（4） 減水劑； （5） 鋼纖維。產自鞍山某公司，平均長度30 mm，平均直徑0.5 mm，彈性模量為210 GPa； （6） 聚丙烯纖維。產自無錫某公司，平均長度12 mm，平均直徑3 μm，彈性模量為3.5 GPa。將上述材料按照固定的配比開始制備纖維改性綠色RAC，其中，素RAC 的質量配比為水泥∶細骨料∶建筑垃圾再生粗骨料∶減水劑∶水＝540 ∶618 ∶1052 ∶2.16 ∶190。之后，按照體積配比，分別摻入不同體積摻量的SF 和PF 材料，具體摻入配比如下表1 所示。本次試驗所用的纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土的制備流程均按照JGJ／T 221－2010 《纖維混凝土應用技術規程》 相關規范開展，養護時間為28 d，最后制備為150 mm×150 mm×150 mm 的標準立方體試樣，以開展立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。

表1 纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土配比Table 1 Proportion of recycled green concrete with fiber improved construction waste

圖1 纖維材料Fig.1 Fiber materials

1.2 試驗方案

室內對纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土展開全面的試驗研究，主要包括拌合物的坍落度試驗、RAC 試件立方體抗壓強度試驗以及RAC 試件劈裂拉伸強度試驗，深入分析了SF 和PF 對建筑垃圾再生混凝土宏觀物理性質的影響。其中，坍落度試驗、立方體抗壓強度試驗和劈裂拉伸強度試驗均是按照相關試驗規范標準的要求開展［16－17］，本次研究所用的試驗設備為MTS－150 型力學試驗設備（圖2）。

圖2 MTS－150 型力學試驗設備Fig.2 MTS－150 mechanical test equipment

2 試驗結果分析

2.1 坍落度

對不同配比的纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土拌合物開展了坍落度試驗，得到試驗結果如下表2 所示。由表2 可知，對于不摻SF 和PF 材料的素RAC 拌合物，其坍落度較高，可以達到168.87 mm。而在摻入SF 或PF 材料后，混凝土拌合物的坍落度產生了非常明顯的下降，其中，單摻1%SF 材料的混凝土拌合物坍落度為92.16 mm，單摻0.8%PF 材料的混凝土拌合物坍落度為108.95 mm。進一步分析混摻SF 和PF 材料對綠色RAC 坍落度的影響，試驗結果如表2 所示。由表2可知，在相同的SF 摻量下，RAC 材料的坍落度隨PF 摻量的增大而逐漸減??； 以SF 材料摻量為1.0%為例，不同PF 材料下RAC 的坍落度分別為92.16 mm、42.85 mm、31.22 mm 和19.55 mm。同理，在相同的PF 摻量下，RAC 材料的坍落度隨SF 摻量的增大而逐漸減??； 以PF 材料摻量為0.8%為例，不同PF 材料下RAC 的坍落度分別為108.95 mm、38.15 mm、31.22 mm 和25.33 mm。對比摻加纖維后RAC 材料的坍落度和素RAC 的坍落度，可以發現，不論單摻SF 材料、單摻PF 材料或混摻兩種纖維材料，均會導致拌合物坍落度的下降。分析認為，當在混凝土中摻入SF 或PF材料后，水泥漿體會包裹住纖維材料表面，使得自由狀態的漿體顆粒數量減少，因此坍落度降低。

表2 纖維改良建筑廢料再生綠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 立方體抗壓強度

基于立方體抗壓強度試驗，得到不同纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土的抗壓強度如圖3 所示。由圖3 可知，不摻SF 和PF 條件下，建筑廢料再生混凝土試件的立方體抗壓強度僅有49.20 MPa。SF材料和PF 材料對再生混凝土的抗壓強度的影響不一致，由圖3 可知，單摻SF 材料后混凝土的抗壓強度明顯提高，達到了55.32 MPa； 而PF 纖維則對RAC 的抗壓強度有著明顯的劣化效應，單摻PF材料的RAC 強度小幅降低，僅為47.88 MPa。

對于混摻SF 材料和PF 材料的RAC 試件，從整體來看，在SF 材料摻量相同的條件下，RAC 的立方體抗壓強度隨著PF 材料增大而逐漸降低； 當SF 摻量為0.5%時，不同PF 摻量的RAC 試件的抗壓 強 度 分 別 為 54.32 MPa、48.12 MPa 以 及44.03 MPa。相反的是，在PF 材料摻量相同時，RAC 的立方體抗壓強度隨著SF 材料增大而逐漸增大； 當PF 材料摻量為0.4%時，不同SF 摻量RAC試件的抗壓強度分別為54.32 MPa、56.15 MPa 和57.33 MPa。分析認為，當在再生混凝土試樣中摻入一定量的SF 纖維后，混凝土加載破壞過程中，由于鋼纖維的強度較大，因此其能夠有效的分擔部分外部荷載，因此提高了RAC 試件的抗壓強度；而PF 材料的彈性模量較差，在RAC 摻入PF 材料后會導致RAC 試件的承載能力降低。

此外，試驗結果表明，當鋼纖維和聚丙烯纖維體積摻量較大時，RAC 試件的立方體抗壓強度又出現了明顯的降低。分析認為，當RAC 中纖維的摻量過大時，會導致纖維在混凝土攪拌過程中發生團聚問題，因此RAC 內部結構不均勻，試件的承載能力降低。

2.3 劈裂抗拉強度

基于劈裂抗拉強度試驗，得到不同纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土的抗拉強度如圖4 所示。由圖4 可知，不摻SF 和PF 條件下，建筑廢料再生混凝土試件的抗拉強度僅有2.75 MPa。SF 材料和PF 材料對再生混凝土的抗壓強度的影響不一致，由圖4 可知，相較于素RAC 試件，摻入SF 或PF 材料后，纖維改良RAC 試件的抗拉強度均有所提高。單摻SF 纖維和單摻PF 纖維的RAC 試件抗拉強度分別為4.32 MPa 和3.39 MPa，分別較素RAC 試件提高了57.09%和23.27%。

圖4 纖維改良建筑廢料再生綠色混凝土劈裂抗拉強度Fig.4 Splitting tensile strength of recycled green concrete with fiber improved construction waste

對于混摻SF 材料和PF 材料的RAC 試件，從整體來看，當PF 摻量較低時，RAC 試件的抗拉強度隨SF 材料摻量的增大逐漸增大； 而當PF 摻量較大時，RAC 試件的抗拉強度則呈現出先增大后減小的變化趨勢。當SF 摻量較低時，RAC 試件的抗拉強度隨SF 材料摻量的增大逐漸增大； 而當PF摻量較大時，RAC 試件的抗拉強度則呈現出逐漸減小。分析認為，在RAC 試件劈裂拉伸加載破壞過程中，素RAC 試件由于內部無纖維，因此其迅速破壞并斷裂； 而對于纖維改良的RAC 試件，在其劈裂破壞過中，可以觀察到纖維的逐漸斷裂過程。這表明，SF 和PF 材料在拉伸破壞過程中承擔一定的拉伸應力，因此提高了RAC 試件的抗拉強度。

3 結論

為有效提升建筑廢料再生綠色混凝土（RAC）的力學性能，室內利用鋼纖維和聚丙烯纖維分別制備了鋼纖維改良RAC、聚丙烯纖維改良RAC 以及鋼－聚丙烯纖維改良RAC，并對三種RAC 材料開展了坍落度試驗、立方體抗壓強度試驗以及劈裂抗拉強度試驗。研究發現：

（1） 素RAC 拌合物的坍落度較高，可以達到168.87 mm。摻入SF 或PF 材料后，混凝土拌合物的坍落度產生了非常明顯的下降，單摻1%SF 材料的混凝土拌合物坍落度為92.16 mm，單摻0.8%PF 材料的混凝土拌合物坍落度為108.95 mm。

（2） 單摻SF 材料后混凝土的抗壓強度明顯提高，而PF 纖維則對RAC 的抗壓強度有著明顯的劣化效應，單摻PF 材料的RAC 強度小幅降低。當鋼纖維和聚丙烯纖維體積摻量較大時，RAC 試件的立方體抗壓強度又出現了明顯的降低。

（3） 當PF 或SF 摻量較低時，RAC 試件的抗拉強度隨另一種纖維材料摻量的增大逐漸增大；而當PF 或SF 摻量較大時，RAC 試件的抗拉強度則會出現減小的現象。研究成果為我國建筑廢料的回收利用以及混凝土的改良提供了一定的借鑒作用。