惡劣條件下纖維再生混凝土力學性能及微觀研究綜述

程傳，金應錫，張曉潔

(1.北方工業大學土木工程學院，北京 100144；2.北京市工業設計研究院有限公司，北京 100055；3.大連大學建筑工程學院，遼寧 大連 116622)

1 引言

使用建筑廢料生產混凝土可以提高資源利用率，是對城市建設原材料的有效開發利用，可以緩解對廢棄混凝土的浪費問題。然而，使用廢舊混凝土粉碎后所產生的骨料，其表面會粘附水泥砂漿，在粉碎的過程中其材料內部也會產生新的裂縫。這將使得再生骨料同天然骨料相比有些不足，比如吸水率大、空隙多、表觀密度低等[1]。且我國地理環境復雜，混凝土結構暴露在冰凍、海水侵蝕或者嚴重的災害下使得耐久性降低，會縮短混凝土的使用壽命。為了彌補這些不足，可以通過摻加纖維以此提高再生混凝土性能，國內外學者對此進行了大量研究。

2 高溫后纖維再生混凝土力學性能研究

2.1 抗壓力學性能

纖維再生混凝土的宏觀力學性能及骨料取代率和纖維摻量有關。目前，已有研究表明玄武巖纖維能耐高溫和抗酸堿腐蝕，并且抗拉強度和延性優異。摻入聚丙烯纖維[2]降低了混凝土中的有害孔隙，減小了內部孔隙，從而有效地抑制了裂縫的產生和發展，提高了混凝土的抗凍抗蝕能力。再生混凝土中添加纖維后，其抗拉強度、抗彎承載力、斷裂能力等均有明顯改善。

孔祥清等[3]以玄武巖纖維摻量為變量，研究不同摻量和溫度對纖維混凝土的力學性能影響。研究發現，在200℃條件下，纖維斷裂抗拉強度有較大幅度的提高，增加幅度在3.7%～10.4%之間。而在200℃以上，纖維斷裂強度的破壞程度明顯增加。

范錦澤[4]以玄武巖纖維的體積摻量和再生集料的替代率為變量，對再生混凝土的機械性能影響進行了分析。結果表明，2.6kg/m3纖維體積分數的玄武巖纖維對自密實再生混凝土的提升作用最大，比常規的自密實混凝土高19.1%。在高溫條件下，每一組試樣在400℃下的受壓強度都達到了最大值。

SAHIN FURKAN 等[5]研究了玄武巖纖維對砂漿性能的影響，結果表明，玄武巖纖維有積極的影響，特別是當使用0.8%～1.2%纖維摻量時，它能夠使抗壓強度結果增加25%，使抗折強度增加50%。

2.2 抗拉力學性能

朱如意[6]對試件進行了劈裂抗拉強度測試，結果表明，玻璃纖維能有效地抑制混凝土的松散、脫落，使其整體性能得到改善?？箟簭姸群团芽估瓘姸入S著加熱溫度的升高而降低。在此基礎上，加入玻璃纖維可以在一定程度上提高再生混凝土的耐熱性能，降低裂紋的產生。在200～400℃時，質量損耗速度顯著增大。在高溫條件下，加入玻璃纖維可以降低混凝土的質量損耗。

李長安[7]完成了對玄武巖纖維混凝土的高溫試驗，對其抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜彈性模量的變化進行了系統研究。試驗結果顯示，玄武巖纖維混凝土在200℃以上的溫度下，其抗壓強度、抗拉強度、彈性模量都有明顯差異。在200℃以下，隨著溫度的增加，抗壓強度和拉伸強度逐漸增大，200℃以上反之則下降。在200℃以前，彈性模量沒有明顯改變，200℃以上，彈性模量隨著溫度的增加而下降。

Rafiei Pouya 等[8]通過研究新一代纖維增強混凝土工程水泥基復合材料（ECC），發現在加固的ECC 中加入BF，有效地提高了混凝土的抗拉和抗折強度，但抗壓強度略有下降。在300～400℃范圍內觀察到明顯下降，而當加熱到300℃時，它平穩增加。加熱到100℃時，抗壓和抗折強度在獲得輕微的應變后減弱了。這項研究為未來重點開發耐高溫的ECC提供了研究基礎。

3 凍融后纖維再生混凝土的力學性能

3.1 抗壓力學性能

在飽和水狀態和凍融的循環交替作用下，混凝土因此產生了凍裂，導致混凝土彈性模量和力學性能嚴重降低，從而導致了混凝土的斷裂。目前，纖維對混凝土的抗凍性能改善普遍認為有以下四個原因。第一，纖維在混凝土中三維空間分布特性，會明顯抑制早期裂縫的生成；以及收縮裂縫和連通裂縫的產生；第二，摻加的適量纖維可優化混凝土內部孔隙結構，減小孔隙率，增加密實度，增大抗水腐蝕能力；第三，摻加纖維會使得混凝土內部含氣量增大，減小凍融過程中的滲透壓力和靜水壓力；第四，纖維對混凝土內部集料起到“承載”的作用，降低了混凝土表層析出、集料分離等問題的發生概率[9]。

朱柏衡[10]采用直接拉拔試驗方法，對BFRP 筋與再生混凝土粘結-滑移特性進行了研究，并分析混合纖維（含0.2%纖維素纖維與0.2%玄武巖纖維）的摻入及凍融次數對混凝土性能的影響。研究結果表明，在相同的凍融循環下，玄武巖纖維與纖維素纖維混合后，可以顯著地提高玄武巖纖維和BFRP 筋與再生混凝土的抗拉彈性模量，從而有效地提高了二者粘結-滑移曲線上的峰值結合強度。

3.2 抗拉力學性能

皇甫秉輝[11]利用快速凍融技術，對PVA 和玄武巖纖維在再生混凝土中的抗凍性影響進行了研究。研究發現，在凍融250 次后，普通的再生混凝土試樣已不完整，而在300 次凍融循環后，摻入纖維試樣表面粗糙集料暴露，但總體完整性良好。在相同的凍融循環次數下，兩種不同摻量的纖維混合后能顯著改善再生混凝土的抗凍性。

Peng Gaifei 等[12]對鋼纖維再生混凝土的機械性能，包括抗壓強度、拉伸劈裂強度和斷裂能量進行研究，結果表明，鋼纖維可以增強UHPC 和混凝土的強度和韌性。由于再生鋼纖維的卷曲形狀、較高的抗拉強度（1800～2000MPa）和適當的直徑（1mm），UHPRSFRC 的鋼纖維不會立即被拉斷，縮頸現象明顯。在60kg/m3的情況下，回收鋼纖維或工業鋼纖維的用量，UHPC 的拉伸劈裂強度可以提高25%～30%。

4 高溫后纖維再生混凝土的微觀研究

4.1 微觀形貌研究

混凝土材料的宏觀物性主要取決于其化學組成和孔隙結構，加快對微觀結構的深入理解和掌握，對其性能的改善起著重要作用。在此基礎上建立微觀結構與宏觀力學性能的聯系，這對于改善材料的綜合性能以及促進其設計與開發都有一定的指導作用。

王永貴等[13]利用電子顯微鏡和XRD對高溫處理后的玄武巖纖維混凝土進行了顯微觀測。結果顯示，隨溫度的增加，材料的燒失率增加，抗壓強度和最佳的納米氧化硅含量下降，砂漿基體、界面過渡區、纖維與砂漿之間的結合性能惡化，且CH 結晶和C-S-H 凝膠的質量濃度下降。隨著取代速率和質量分數的增加，材料的燒失率和抗壓強度隨之下降，而砂漿的基質也會變得疏松。研究發現，不同的溫度、骨料取代率、納米氧化硅含量等因素會顯著地影響再生混凝土的力學性能。

Xie Jianhe 等[14]通過掃描電子顯微鏡（SEM）研究了鋼纖維再生混凝土的降解機制。研究發現，水的蒸發和混凝土中氫化物的分解是導致混凝土強度下降的主要原因?；炷林械乃终舭l和氫化物的分解是導致RAC 抗壓性能下降的主要原因。RAC 的抗壓性能隨著溫度的升高而降低，但鋼纖維的加入大大抵消了這種負面影響。得益于硅灰和鋼纖維的卓越耦合效應，含有硅灰的鋼纖維RAC（SRAC）在高溫環境下表現出優異的抗壓性能。

4.2 孔結構研究

混凝土作為一種多孔介質，其孔隙結構在混凝土研究中起著舉足輕重的作用，對混凝土的抗滲、抗凍性、強度等宏觀物理力學特性具有很大的影響。通過對混凝土孔隙結構的研究，可以有效地揭示混凝土的力學性能機理和預測其宏觀力學性能變化規律。

袁少林[15]利用SEM 技術，觀察和分析了聚丙烯-玄武巖混合纖維RAC 在高溫下的顯微結構，探討了不同溫度對RAC 顯微形態的影響。在室溫下，水泥漿體組織及呈連續塊狀C-S-H 凝膠均完整、致密，Ca(OH)2為不規則的片狀結晶，未水化的水泥顆粒為球狀。在200℃下，由于水在汽化過程中所產生的水蒸氣會加速水泥顆粒的水化作用，從而使結構變得更為致密。200℃以后，隨著加熱溫度的增加，C-S-H 與Ca(OH)2結晶逐漸脫水、分解，使其內部的空隙逐漸增加，并且結構更加疏松。

5 凍融后纖維再生混凝土的微觀研究

5.1 微觀形貌研究

吳永強[16]利用電子顯微鏡對試件的顯微組織進行了掃描，結果表明，玄武巖纖維的長度越大，越容易產生有害的孔隙，而不利的孔隙在凍融循環中會使混凝土的力學性能嚴重下降，粉煤灰中細小的球形粒子能夠填充微孔，提高其工作性能，增強其抗凍融能力。

張秉宗等[17]根據現場取樣，通過XRD 對混凝土水化產物進行分析，采用核磁共振技術，從微觀角度對混凝土內部的孔隙變化情況進行了分析。結果表明，PFRC 可以提高混凝土在復鹽體系中的凍融次數，并顯著降低混凝土的脫落。當試驗結束時，0.9kg/m3纖維摻量的PFRC 與常規混凝土相比，降低了3.61%。在細觀層面，聚丙烯纖維的加入使混凝土的微觀孔隙結構得到了輕微的改善，但并不顯著。聚丙烯纖維對“加速劣化”期混凝土的毛細孔和非毛細孔的增加具有明顯的抑制作用。從微觀形態上看，在混凝土中產生的腐蝕產物是導致裂縫發生的主要原因，而PP 纖維對AFt、CaSO4等腐蝕產物的形成沒有起到抑制作用。

5.2 孔結構研究

趙燕茹等[18]以纖維體積率和凍融循環次數為主要參數，對玄武巖纖維混凝土的抗鹽凍性能進行了試驗，采用3.5%的氯化鈉水溶液浸泡凍融后，觀測玄武巖纖維混凝土的微觀形貌。研究發現，進行凍融循環后，摻加玄武巖纖維能大大減少混凝土的質量損耗，并能放緩其相對動彈性模量的下降速率，玄武巖纖維的添加能起到一定的抑制開裂作用，減小基體孔隙、孔洞的數目，延緩初期開裂和互相貫穿裂縫的發生，從而使混凝土的抗鹽凍性能比一般混凝土好。

ORTEGA-LOPEZ VANESA 等[19]利用壓汞法對纖維混凝土進行孔隙率、孔徑大小的測量，MIP 分析和毛細管吸水試驗結果表明，纖維增強的CEAFS 總體上具有良好的性能，可以承受腐蝕性的環境。未增強的CEAFS 顯示出稍差的性能，預示著較弱的耐腐蝕性。

6 總結及展望

由上述分析可以看出，摻加適量纖維對再生混凝土的性能都有很大提高，但是影響因素單一，實際工程應用比較復雜，很少遇到單一因素影響，當前需要對多重因素的復雜環境下進行更深入的研究。我國地理環境復雜，今后需對多重耦合的復雜環境條件，如凍融、鹽蝕、碳化和荷載共同作用下的耐久性能進行研究，這樣能更好地應用于工程實際。

分形維數本質上是反映多孔介質孔隙結構在空間分布中復雜度的一個參量，隨著分形維數的增加，孔隙的空間形狀和形狀的變化越復雜。目前已有許多測量混凝土內部孔隙結構的方法，如光學法、壓汞法、吸附法、X 射線衍射法等?？梢試@這些測孔方法數據建立分維模型，計算孔容分維、孔表面積分維、孔隙率分維，可以根據這些分形維數來確定孔隙的復雜性。