不同骨料替代率纤维RAC力学性能的研究进展.pdf

第43卷第5期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.5 2023 年 10 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Oct.2023 收稿日期：2023-06-19 作者简介：马骏(1970-)，男，天津人，高级工程师，本科。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.05.011 不同骨料替代率纤维 RAC 力学性能的研究进展 马 骏1，王 晨2（1.渤海大学 辽宁 锦州 121013；2.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：在查阅大量国内外文献的基础上，对现阶段不同再生骨料替代率纤维掺量对 RAC 力学性能影响的研究成果进行深入归纳总结。重点阐述再生骨料与纤维掺量的关系，在不同骨料替代率下钢、聚丙烯和混掺两者纤维 RAC 的力学性能，最后总结并作出相应发展展望，以此期望为纤维再生混凝土在工程上更好地运用与推广提供便利。关键词：再生骨料替代率；纤维掺量；再生混凝土；力学性能；纤维再生混凝土 中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2023)05-0337-05 Research Progress on Mechanical Properties of RAC Fibers with Different Aggregate Replacement Rates MA Jun1,WANG Chen2（1.Bohai University,Jinzhou,Liaoning 121013,China;2.School of Civil and Architectural Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）Abstract:Based on a large number of literatures at home and abroad,the current research results on the effects of fiber content with different regenerated aggregate replacement rate on RAC mechanical properties were summarized.The relationship between recycled aggregate and fiber content,the mechanical properties of steel,polypropylene and blended fiber RAC under different aggregate replacement rates,and the corresponding development prospects are summarized and pointed out in order to provide convenience for the better application and promotion of fiber recycled concrete in engineering.Key words:regenerated aggregate replacement rate;fiber content;recycled concrete;mechanical properties;fiber recycled concrete.随着城镇化水平的不断提高和城市发展的需要，大量早期民用建筑因年久失修，失去原有设计使用功能或因城镇整体规划需要而被拆除，由此产生大量的建筑垃圾(construction and demolition waste，CDW)，日益成为不可忽视的环境问题。据中国住房和城乡建设部提供的测算数据，2021 年我国城市建筑垃圾的年产生量已超过 20 亿 t，而相应的资源化利用率却不足 5%，相比之下仍有大量建筑垃圾无法得到有效处理。为了改变这一现状，国内外的学者开展了大量有关建筑垃圾回收、再利用的研究。增强再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)就是 CDW 回收再利用研究中的其中之一，在相关研究中，再生骨料的使用可降低建筑材料10%20%的成本1，可减少 65%的温室气体排放和 58%不可再生能源的使用2，实现了经济、绿色、低碳。以上 RAC 的特点不仅满足装配式墙板对绿色、经济材料的需求，而且更符合国家双碳目标。目前 RAC 的研究上较少涉及装配式墙板，而装配式墙板发展的今天，RAC 与装配式墙板的结合必是338 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 一种绿色发展的方向。接下来以不同骨料替代率纤维掺量对 RAC 力学性能的影响作为总框架，在相同骨料替代率下，找出纤维掺量与 RAC 的力学性能之间的规律，以表格量化为实现 RAC 的各项力学性能如何选择纤维以及指出相应的最佳掺量或范围，为今后研究RAC 装配式墙板打下基础。1 再生骨料替代率与纤维掺量 近几年来，再生混凝土迎合社会发展的需要逐渐成为国内外研究的焦点，众多学者进行了大量的研究，大体分为 2 类，第 1 类是关于再生骨料替代率(Rp)对 RAC 的力学性能影响，其中包含了对再生骨料的处理技术，主要侧重寻找最优的再生骨料处理方法使其到达或超过天然骨料的效果；第 2 类是关于纤维掺量对 RAC 力学性能的影响，主要侧重利用纤维特性弥补再生骨料存在的不足，从而可达到预想的最佳效果。对比 2 类，在考虑经济性和实用性 2 方面，第 1 类明显处于劣势，其原因有：在成本上再生骨料的处理高于直接掺加适量纤维；相比之下骨料处理技术过于复杂不易掌控。而在第 2 类的研究上，则主要涉及 Rp与纤维掺量的微妙关系。首先 RAC 的强度多少会受 Rp的影响，但这方面的研究并不绝对，一种观点认为再生骨料的掺入会引起混凝土力学性能的降低，替代率越高RAC 的强度下降得越快3；一种观点表示再生骨料的使用不会降低混凝土的强度或影响较小4-6，还有一种观点则发现在强度上，RAC 高于天然骨料混凝土7，而产生差异的主要原因集中在骨料种类的差异和再生骨料的初始强度8。其次，纤维掺量则与Rp截然相反，总体上呈现出随纤维掺量的增加 RAC的强度先增大后减小的趋势9，当其强度达到峰值时则为对应最佳掺量。而对应 2 者之间的微妙关系是指一定 Rp与相应适量纤维的组合平衡关系，即再生骨料与纤维的充分利用，使达到相对轻质高强的最佳效果。2 不同 Rp下纤维 RAC 的力学性能 2.1 钢纤维(SF)钢纤维(steel fiber，SF)是一种新型、高性能的纤维品种，作为结构型纤维对 RAC 增强增韧方面效果显著10，具体到不同的 Rp下又有所区别。在 20%的 Rp下，周陈旭等11在试验中发现 SF的掺入对 RAC 的基本力学性能都有一定的改善，其中 1.0%的 SF 掺量为最佳；吴维熙12在疲劳寿命结果分析中发现，SF 掺量为 1.0%时试件的平均寿命等各项指数最高。在 30%的 Rp下，吴维熙在抗折疲劳试验中得出结论：1.0%SF 掺量为最佳值，此时能使废弃混凝土最大程度地利用，使其满足实际的工程需求。当 Rp为 40%时，杨粉等13将 2 种 0.5%的 SF掺入 RAC 进行对比试验，发现 SF 对 RAC 的抗压强度和弹性模量不敏感，但可明显改善其劈拉和抗折强度，通过图 1 可以发现剪切端钩型 SF 整体好于铣削型 SF。(a)剪切端钩型钢纤维 (b)铣削型钢纤维 图 1 两种不同 SF 的对比 50%的 Rp是一个转折点14，在 SFRAC 基本力学性能的研究上，何文昌等15同样发现 SF 的掺入对 RAC 劈裂抗拉和抗折强度的影响要远大于抗压强度的规律，图 2 具体表现增幅；在抗冲击试验中孔祥清等16发现，RAC 的延性比整体随着纤维掺量的增加而提高，但可以发现纤维掺量在 0.5%1.0%之间时，延性比变化相对较小，原因可能有：再生骨料自身内部存在着差异，试验过程中拌合物的流动性随骨料的增加逐渐减小，出现搅拌不均匀、结团、局部空洞等现象；而在对应的动态冲击试验中，骆豪等17发现随着 SF 掺量的增大，试件第5期 马骏等：不同骨料替代率纤维RAC力学性能的研究进展 339 粉碎性破坏形态的趋势变小，2.0%的纤维掺量为最佳，此时 SF 的桥接作用充分发挥，裂缝尖端部位的应力集中问题得到缓解18、抗冲击性能得到增强；而涉及环境评价和力学性能方面，Yuan 等19认为SF为1%时可以获得更好的抗弯性能和低碳排放的优势。Rp到达 60%，Merin 等20、Mathew 等21的研究不仅认为 60%为最佳 Rp，而且还在此基础上研究了 SFRAC 梁的剪切性能，发现使用 SF 纤维能有效提高混凝土的抗剪强度和韧性，当掺量为 1.5%时为最佳状态。相比未掺基体，其初始裂缝荷载可以提高 60%。100%的 Rp时，孔祥清等16研究了 SFRAC 的抗冲击性，选择了端钩型和波纹型 2 种 SF 进行比较，见图 3。发现端钩型明显优于波纹型，同时随SF 掺量的增加，延性比呈直线上升，这与 Rp为 50%时呈现出显著差异；在微观领域，何文昌等15对SFRAC 力学性能进行了微观结构的研究，对比了不同的 2 种 SF，发现端钩型 SF 与水泥浆体有良好的化学胶结力，而波纹型则在过渡区域形成较多晶体状水化产物。总体来看，Rp在 050%时，所需纤维体积掺量的辅助较少，在此范围再生骨料的正面影响大于负面影响，当 Rp超过 50%后，随着再生骨料负面影响超过正面影响，所需纤维体积掺量逐渐升高。SF在不同纤维体积掺量下的表现如表 1 所示。图 2 基本力学性能的增幅情况 图 3 两种不同 SF 的比较 表 1 SF 在不同纤维体积掺量下的表现 再生骨料 替代率/%文献 对再生混凝土的力学性能影响 纤维体积掺量/%抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 抗冲击强 抗折强度 10 12-1 1 20 11-12 3 1-2 1*30 12,22 3 1-1 1*40 13 3 1-1 0.5 50 15-171922-23 3 1-1 2 1.0/1.2*/1.5/2.0*60 1721 4 2 1 3 1 1.5*100 14161922-24 3 1 2 1 2 1.0/1.2*/1.5*注：14 表示影响程度，由强到弱；“*”表示最佳纤维掺量 2.2 聚丙烯纤维(PPF)PPF 具有抗拉强度高、耐腐蚀、混合工艺简单、韧性高、价格低等优点，是继钢纤维之后发现的能够有效改善 RAC 力学性能的纤维。Rp为 30%时，王坤25发现，PPF 的掺入不利于RAC 抗压强度的改善，但可以明显改善劈裂抗拉和抗折强度，具体纤维掺入的变化趋势均为先增后减的态势，得出最佳纤维掺量为 0.15%；在研究废弃轮胎的橡胶屑、再生骨料和纤维 3 者结合 RAC 力学性能的表现中，Hossain 等26发现 PPF 掺量为 2%时，有最高的抗压强度、韧性和延展性；在改善含铁尾矿再生骨料混凝土(TRAC)的高脆性方面，Xu等27验证了掺入 PPF 的可行性，并提出在保证强度和废弃物利用率的前提下，其最佳掺量为 0.6%。Rp到达 50%时，王坤25发现，试件在抗折强度的变化上与 Rp=30%差异较小，而在劈裂抗拉上差异较大，即劈裂抗拉和抗折强度的最佳掺量分别为0.10%、0.15%；Ahmed 等28指出 PPF 的最佳掺量为 0.6%，此时抗压强度提高了 24.8%；Zhu 等29发现当纤维掺量达到 1.0 kg/m3时，PPFRAC 的抗压340 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 强度和抗弯强度均超过天然骨料混凝土，且PPFRAC 损伤后仍能保持裂纹不发生断裂；朱红兵等30在抗折疲劳性能的研究上，发现 1.6 kg/m3的PPF 掺入可分别提高 RAC23.9%的抗折强度和 2.5倍的抗折疲劳寿命；Rp为 100%时，RAC 力学性能的研究上，霍俊芳等31发现，掺量为 0.8 kg/m3时，轴心抗压、劈裂抗拉和抗折强度分别提高 15.8%、40.5%、39.6%；在高掺 PPF 时，何文昌等32发现 RAC 的抗压强度会有小幅度的降低，抗折强度在 0.9%的掺量为最佳，同时微观领域的界面情况也有具体指出；Ahmed等28发现在 Rp不同时，0.6%的 PPF 掺量仍为最佳，此时抗压强度增幅与 50%的 Rp相近；Luo 等33研究PPF 与人造砂复合 RAC 的工作性能和力学性能，发现纤维的最佳掺量随混凝土强度等级的不同而不同，在纤维掺量为 0.6 kg/m3时，各强度等级混凝土的抗压强度均有明显提高。PPF 在不同骨料替代率下的表现如表 2 所示 表 2 PPF 在不同骨料替代率下的表现 再生骨料替代率(%)文献 对再生混凝土的力学性能影响 纤维体积掺量 抗压强度 抗拉强度 抗折强度 30 25 26 27 3 3 3 1 1 1 2 2 2 0.15%*2%*0.6%*50 28 25 25 1 3 3 3 1 2 2 2 1 0.6%*0.1%*0.15%*100 28,33 31 32 1 3 3 2 1 2 3 2 1 0.6%*0.8 kg/m3 0.9%注：14 表示影响程度，由强到弱；“*”表示最佳纤维掺量2.3 钢纤维与聚丙烯纤维混掺 通过前面 2 种纤维的综述可以发现，SF 可以限制裂缝出现直至破坏阶段的发展，PPF 可限制早期的裂缝出现和发展，混杂 SF 和 PPF 的使用对 RAC的力学性能存在良好的耦合效应。混掺 SF 与 PPF 方面，孔祥清等做了大量的研究，已形成较为成熟的体系。在断裂性能的研究上，孔祥清等34发现RAC的抗断裂性在SF和PPF的掺入下均有提高，其中 SF 的改善效果优于 PPF，且SF 掺量为 1.5%、PPF 掺量为 0.9%时改善效果最理想；在基本力学性能上，孔祥清等35-37指出：当 SF掺量为 117 kg/m3，PPF 掺量为 0.6 kg/m3时，混杂纤维 RAC 的增强效果表现较好，提升抗压强度建议采用单掺 SF，在抗拉、抗折和抗冲击性能的改善上则建议混掺。此外，章文姣等38通过试验也发现了上述的对比规律，并指出 SF是 RAC 弹性模量的主要影响因素；在微观领域 He等39利用 SEM 清楚地观察到混掺之后的水泥浆体密度和均匀性更好；在弯曲韧性上，孔祥清等40得出结论：混掺纤维的效果优于单掺，SF 掺量为1.0%、PPF 掺量为 0.9%时，RAC 抗弯性能最佳。3 总结及展望 通过上述对不同Rp下2种不同纤维混掺的研究分析，可以得出如下结论与展望：(1)SF 对于 RAC 的增强上，主要集中于抗拉、抗折、抗剪和抗冲击这 4 个方面。需要特别指出，本文相同 Rp下存在不同最佳纤维掺量值，原因主要集中于再生骨料的初始强度和试验所掺加的其它材料。此外，还需注意多种因素的耦合作用、施工技术上的改良，并着重微观领域对纤维增强机理的进一步研究。(2)PPF 在 RAC 中的表现上主要集中于抗拉、抗折以及早期的抗裂方面，同时可以发现在不同的文献中对 PPF 在增强 RAC 抗压性能上存在分歧。回到不同的 Rp条件下，对应纤维掺量需结合与试验的相似性进行选择。在施工上，除与 SF 有相同问题外。在搅拌时 PPF 自身柔软体质易造成断裂破碎等现象，后续影响的研究尚需进一步探索。(3)在混掺 SF 和 PPF 上存在最佳组合，分别是1.5%掺量的 SF 和 0.9%掺量的 PPF。两者最佳组合可以有效的增强 RAC 的基本力学性能。在对比单掺与混掺上，单掺仅在增强 RAC 抗压强度上表现其优越性，而在其他性能上混掺会更胜一筹。(4)当前，墙板发展面临 2 大问题，门窗洞口的应力集中，墙板相对轻质高强的材料，而恰好在这 2 方面纤维 RAC 存在一定优势，但需要验证 2 个问题：SF 与 PPF 的混掺是否有益于墙板洞口应力分散，纤维掺量与 Rp的微妙关系是否能实现一定质量的减轻。第5期 马骏等：不同骨料替代率纤维RAC力学性能的研究进展 341 参考文献：1 Zheng C,Lou C,Du G,et al.Mechanical properties of recycled concrete with demolished waste concrete aggregate and clay brick aggregateJ.Results in 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