梁 靖，劉勝兵，鄭宇航

武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

當前，我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生了許多建筑垃圾，其經(jīng)過破碎、清洗和分級并取代部分或全部天然骨料拌制的混凝土稱為再生混凝土（recycled concrete，RC）［1-2］。然而，由于再生骨料內(nèi)部存在微裂縫以及表面殘留有砂漿，致使RC 易開裂，抗壓強度和劈裂抗拉強度有所降低［3-4］。

許多學者研究發(fā)現(xiàn)，纖維混凝土的抗壓性能和抗拉性能良好，纖維可以抑制混凝土微裂紋的擴展，因此將纖維摻入RC 中可以拓展RC 的應用范圍［5-6］。Gao 等［7］發(fā)現(xiàn)纖維混凝土的抗壓強度與普通混凝土類似，但抗折性能和韌性改善顯著。Hossain 等［8］發(fā)現(xiàn)纖維可提高RC 的延性，橡膠可增強其能量吸收能力。Aslani 等［9］發(fā)現(xiàn)纖維對再生骨料自密實混凝土的工作性能有負面影響但仍能提高力學性能并減少開裂。李曉路［10］通過研究發(fā)現(xiàn)，當纖維體積分數(shù)為0.3%時，RC 的力學性能改善效果較好。全曉旖等［11］研究發(fā)現(xiàn)RC 抗壓強度受不同玄武巖纖維體積分數(shù)的影響較大。元成方等［12］和周聰?shù)龋?3］發(fā)現(xiàn)RC 中摻入聚丙烯纖維會降低其抗壓性能，增強抗拉性能。綜上可知，纖維再生混凝土是當前的研究熱點之一，然而在RC 中摻入高強高模量聚乙烯纖維（polyethylene fiber，PF）方面的研究較少。PF 具有良好的親水性和較高的抗拉強度，可以阻止混凝土微裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展。本試驗采用再生粗骨料取代部分天然粗骨料，其質(zhì)量取代率為50%，分析PF 的體積分數(shù)對聚乙烯纖維再生混凝土（polyethylene fiber recycled concrete，PFRC）坍落度、抗壓性能和抗拉性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

水泥：P.O42.5 級水泥；水：武漢市自來水；天然粗骨料：4.25～25 mm 的人工碎石；再生粗骨料：某建筑工地破碎的廢棄混凝土，粗骨料基本性能見表1；天然細骨料：細度模數(shù)2.85 的普通河砂；PF（深圳特力新材料科技有限公司），性能指標見表2；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%以上。

表1 粗骨料的主要性能指標Tab.1 Main performance indexes of coarse aggregate

表2 PF 的主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of PF

1.2 試驗設計

試驗制備4 組設計強度為C30 的RC，其中PF體積分數(shù)分別為0、0.1%、0.2%和0.3%。RC 的基準配合比如下：水灰比為0.45，用水量為178 kg/m3，水泥用量為395 kg/m3，天然細骨料用量為667 kg/m3，天然粗骨料用量為568 kg/m3，再生粗骨料用量為568 kg/m3，減水劑用量為4.1 kg/m3。

1.3 試件制作及試驗方法

攪拌時采用濕拌與撒入纖維的方法，預防纖維結團。首先將再生骨料與附加水倒入攪拌機進行拌合1～2 min，接著倒入天然骨料、砂石和膠凝材料拌合1 min，最后加水和減水劑的混合液并同時撒入纖維進行濕拌2～3 min，最后入模并振搗成型。每組制備6 個立方體試塊（抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均采用非標準立方體試塊100 mm×100 mm×100 mm），待24 h 后便可將試塊拆模，放置標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

坍落度試驗按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［14］規(guī)定進行測試，立方體抗壓強度以及劈裂抗拉強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》［15］采用SYE-2000A 壓力試驗機進行測試。

2 結果與討論

2.1 坍落度

PFRC 坍落度試驗現(xiàn)象和結果見圖1。纖維體積分數(shù)為0.1%、0.2%和0.3%時，PFRC 坍落度較對比試件分別降低了6.4%、13.6%和18.2%。試驗中可以看出新拌的PFRC 比RC 更黏稠，由于PF 是親水性的合成纖維，對水的吸附能力較強，因此纖維表面需要水泥漿體包裹，從而使混凝土基體中水泥漿體數(shù)量相對減少，且PFRC 的內(nèi)部空隙逐漸被填實，使PFRC 孔隙率和流動性下降，導致新拌PFRC 的坍落度降低?？梢赃m當提高減水劑用量，增強其流動性；或者將再生骨料進行泡水預處理，可以減少其在拌合時對拌合水的吸附性，從而提高PFRC 的坍落度，改善其工作性能。

圖1 PFRC 坍落度試驗現(xiàn)象和結果：（a）試驗現(xiàn)象，（b）試驗結果Fig.1 PFRC phenomenon and results of slump test：（a）test phenomenon，（b）test results

2.2 破壞形態(tài)

未摻纖維的RC 進行立方體抗壓強度試驗時，隨著荷載不斷增大，試件裂縫逐步擴展，到達極限荷載后，試件突然破裂并伴隨著混凝土塊脫落，表現(xiàn)為脆性破壞。摻入PF 后，隨著荷載不斷增加，PFRC 產(chǎn)生許多微裂紋，到達極限荷載后，裂縫繼續(xù)增大但試塊裂而不碎，試塊相對較完整，脆性明顯改善。破壞形態(tài)見圖2（a）。

PFRC 進行劈裂抗拉試驗時，隨著荷載逐步增大，試件微裂縫逐漸擴展，當達到極限強度時，試塊并未劈裂為2 塊，呈現(xiàn)塑性破壞，其破壞形態(tài)見圖2（b）。主要是因為PF 能對PFRC 基體中的裂縫起到“橋架作用”，阻止微裂紋的擴展，承擔混凝土由于開裂釋放的部分應力，能夠充分發(fā)揮PF 的延性特性。而RC 進行劈裂抗拉試驗時，當達到極限強度，試件沿破裂面斷開直接劈裂為2 塊，斷裂面較為平整，脆性特征顯著。

圖2 PFRC 破壞形態(tài)：（a）抗壓強度，（b）劈拉強度Fig.2 Damage form of PFRC：（a）compressive strength，（b）splitting tensile strength

2.3 抗壓強度和劈裂抗拉強度

為了研究PFRC 力學性能與纖維體積分數(shù)的關系，可用增強系數(shù)來分析纖維的作用，如式（1）所示：

式中：f為PFRC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度、f1為RC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度。β為增強系數(shù)。當β＞1.0 時，纖維對PFRC 力學性能產(chǎn)生正效應，當β＜1.0 時，纖維對PFRC 力學性能產(chǎn)生負效應。

PFRC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度如表3所示。

表3 PFRC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度Tab.3 Compressive strength and split tensile strength of PFRC

增強系數(shù)與PF 體積分數(shù)的關系如圖3（a）所示。當PF 的體積分數(shù)為0.2%時，抗壓強度增強系數(shù)達最大值。PF 的體積分數(shù)為0.1%、0.2% 和0.3%時，抗壓強度較對比試件分別提高了5.5%、10.3%和4.8%。原因主要是纖維體積分數(shù)越大，PFRC 坍落度下降，基體薄弱界面增加，薄弱界面最先產(chǎn)生裂紋，導致PFRC 抗壓強度降低。同時可以發(fā)現(xiàn)，PF 對PFRC 抗壓性能的影響并不明顯，主要是因為PF 的彈性模量偏低所致。

劈裂抗拉強度增強系數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢，纖維體積分數(shù)越高，PFRC 劈裂抗拉強度增強越顯著，當纖維體積分數(shù)分別為0.1%、0.2% 和0.3%時，劈裂抗拉強度較對比試件分別提高了6.9%、16.1%和22.5%。且隨著纖維摻量的增加，其抗拉性能改善效果更顯著。

混凝土的拉壓比可以表征其脆性性能，拉壓比愈小，混凝土的脆性越大。由圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，PFRC 的拉壓比隨纖維體積分數(shù)的增大而提高，纖維體積分數(shù)增加到0.3%時，PFRC 的拉壓比最大，較基準RC 提高了16.9%。PF 可提升PFRC 的黏結力，阻止其內(nèi)部微裂縫的擴展，使PFRC 拉壓比逐漸增大，說明PF 能改善再生混凝土的脆性，使之由脆性破壞轉變?yōu)檠有云茐摹?/p>

圖3 增強系數(shù)和拉壓比與聚乙烯纖維體積分數(shù)關系：（a）增強系數(shù)，（b）拉壓比Fig.3 Relationship between enhancement factor and tension-compression ratio and volume fraction of polyethylene fiber：（a）enhancement factor，（b）tension-compression ratio

2.4 纖維作用機理

根據(jù)纖維間距理論可知，復合材料與纖維間距有關，外荷載作用下產(chǎn)生的應力使復合材料因內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生損傷。因此，可通過改善復合材料內(nèi)部缺陷增強其韌性。將纖維均勻摻入混凝土中，當產(chǎn)生的裂紋長度大于纖維間距時，纖維則會制約裂紋的擴展，裂紋則在復合材料內(nèi)部產(chǎn)生較小影響的狹小孔洞。

PF 的親水性較好，可附著較多的水化產(chǎn)物，纖維表面可牢牢地鎖住水分，降低水分的流失。因此，PFRC 水化反應更加充分并可減少裂紋的產(chǎn)生，抗裂性能相應提高。PFRC 受力的過程中，當外力逐漸增大至試件抗裂強度時，試件出現(xiàn)裂紋，纖維便橫跨裂紋承受外力，從而抑制裂紋的持續(xù)發(fā)展。

PFRC 受壓時，PF 能延緩混凝土裂紋的擴展，新裂紋出現(xiàn)時，PF 再次起到阻裂作用，如此反復，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多微裂紋且發(fā)展途徑變得曲折，使試塊裂而不碎，從而起到增韌、阻裂的效果。此外，PF 增強PFRC 的抗裂性能主要體現(xiàn)在2 個方面：①當PFRC 硬化收縮時，PF 抑制了其收縮變形，從而減少因收縮變形產(chǎn)生的裂紋；②當試件承受外荷載時，PF 能夠抑制混凝土內(nèi)部的應力集中和尖端效應，在微裂紋出現(xiàn)和微裂縫發(fā)展初期，起到黏結作用，有效地阻止裂縫的發(fā)展。同時，當微裂縫不斷擴大，PF 則會被拔出，此過程消耗大量的能量，增強了PFRC 的韌性。

3 結 論

本文研究了PF 體積分數(shù)對PFRC 坍落度、抗壓性能和抗拉性能的影響規(guī)律與作用機理，主要結論如下：

（1）隨著PF 體積分數(shù)的增加，PFRC 坍落度逐漸降低，摻入體積分數(shù)為0.3%的PF 時，坍落度較對比試件降低幅度最大（18.2%）。

（2）PF 對PFRC 立方體抗壓強度有一定的增強作用，當PF 纖維體積分數(shù)為0.2%時立方體抗壓強度提升幅度最大（10.3%）。

（3）PF 具有較好的阻裂作用。在一定范圍內(nèi)，纖維體積分數(shù)越高，PFRC 的劈裂抗拉強度提高幅度越大，當PF 體積分數(shù)為0.3%時，劈裂抗拉強度和拉壓比較對比試件分別提高了22.5%、16.9%。