纺织纤维增强再生混凝土研究进展

倪洁　刘佳明　兰鹏　何家金　方宇杰

摘 要：中国每年要产生数以亿吨计的建筑垃圾。目前，中国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾的近40%，将未经处理的建筑垃圾直接运往郊外或乡村，采用露天堆放或以填埋的方式进行处理，不仅会消耗大量的土地资源、还会占用垃圾清运费等建设经费，同时，清运和堆放过程中的遗撒和粉尘、灰砂飞扬等问题又会引起严重的环境污染，严重破坏生态环境。越来越多的专家学者希望通过使用纺织垃圾作为掺合料和引进外加剂、减水剂来提高再生混凝土的性能，设计出具有工程应用价值的废弃纤维再生混凝土，解决多种环境和生态问题。

关键词：纤维 再生混凝土 力学性能 耐久性能

中图分类号：TU528.01 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0070-02

混凝土是国家经济发展和工业化进程中的重要基础原材料之一，是我国各种建筑耗材中消耗量最大的。水泥混凝土是一种既传统又焕发着无限生命力的建筑材料，随着城市的不断扩张和工业化加剧，混凝土的消耗量也在持续增加。我国基础设施建设如火如荼地进行，城镇化进程不断加剧，每年建设铁路、桥梁、港口等基础建设就需要约40亿方混凝土。

结构终有其寿命，寿终的建筑就成为建筑垃圾，这些建筑垃圾中50%～70%为废弃混凝土（约2 000万t）。建筑垃圾一般采取直接填埋的方法来处理，这种方法既浪费土地，又浪费了资源。再生混凝土是用建筑垃圾中分离出的再生骨料，替代混凝土中的部分或全部骨料。这是解决天然骨料资源紧缺问题、建筑垃圾污染和治理的难题以及可能由此引发的一系列生态和社会问题的有效方法。

天然骨料搅拌成的混凝土本身就有材料刚性大而柔性不足的问题，以及混凝土材料本身固有的结构缺陷，造成混凝土抗拉强度低、韧性差、易开裂，而再生混凝土由于再生骨料表面附着部分硬化的水泥砂浆，这一缺陷更加明显。在传统的混凝土性能开发领域，常通过添加粉煤灰、聚丙烯纤维等来改善混凝土的相关性能指标。在再生混凝土性能的研究中许多学者希望通过添加短纤维弥补这些缺陷，并取得了一定的成果。

1 纺织纤维增强再生混凝土的制备工艺

针对纤维增强混凝土性能的试验在各种混凝土试验中并不少见。但是在混凝土搅拌过程中极易出现纤维成团现象，导致纤维分布不均匀，致使混凝土性能不稳定。为了防止这种现象的发生，采用干拌法拌制混凝土。即先投入砂、水泥、碎石、再生骨料，搅拌均匀后，再分次投入废弃纤维进行搅拌，直至设计添加完纤维量并且搅拌均匀后加入水，再持续搅拌10 min左右即可，制备工艺流程图如图1所示。

2 纺织纤维增强再生混凝土的力学性能

2.1 抗压强度

针对纤维增强混凝土抗压性能的研究已经比较丰富。宁夏大学王勇升、金宝宏等研究指出掺加0.4%和0.8%的聚丙烯纤维时，混凝土的抗压强度提高为104%和120%。当混凝土掺加0.4%和0.8%的涤纶纤维时，其相应的抗压强分别提高至105%和94.8%[1]。天津工业大学王建坤、天津城建学院王书祥等人的实验分别使用涤纶和回收涤纶作为增强纤维。实验结果表明使用涤纶作为增强纤维可以使抗压强度提高7.4%～26.45%，使用回收的涤纶也表现出相同的作用，但在有些配比中表现较差[2]。

同时对于使用聚丙烯腈纤维作为增强纤维对于混凝土的抗压强度贡献并不十分明显。纤维掺量为0.15%时，混凝土的抗压强度仅有约9%的提升。Achozaimy A M等人进行的研究表明以聚丙烯作为增强纤维对抗压性能改变不大。李燕飞等人的实验也表明了抗压强度在1 d、3 d、28 d均有不同程度地提高。

此外张天翼等人的试验表明纤维长度也对混凝土的力学性能有影响25 mm效果好于11 mm[3]。杨永生等人的试验表明添加体积率在0%～0.12%的聚丙烯纤维时，混凝土抗压强度提升幅度明显增大，体积率在0.12%～0.14%时，混凝土抗压强度提升强度趋于平稳。混凝土的抗压强度会随聚丙烯纤维的掺量增加而不断增加[4]。

2.2 劈裂抗拉强度

李学英等的试验表明聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的3 d、7 d和28 d的抗折强度分别提高了39%和11%和19%[5]。聚丙烯腈纤维对混凝土劈裂抗拉强度增加的影响则在纤维掺量为0.15%时比较明显，提升量接近20%；王建坤等人的实验表明使用涤纶和回收涤纶对混凝土抗拉强度均有明显提高，并且加入的纤维长度30 mm效果较好[2]。

很多试验均表明涤纶纤维增强混凝土和聚丙烯纤维增强混凝土中随着纤维掺量的增加，试件的抗劈裂强度变化趋势均是先上升，后下降。对比而言，采用涤纶作为增强纤维的效果明显好于使用聚丙烯纤维作为增强纤维。也有试验表明在混凝土中加入聚丙烯在1 d时抗拉强度降低了3.4%。

3 纺织纤维增强再生混凝土的耐久性能

3.1 抗渗性

已经有很多学者对于纤维增强再生混凝土的抗渗性能进行研究。马一平、郭海洋等人试验研究表明聚丙烯纤维的掺量和种类对混凝土抗塑性干缩裂缝有影响，直径较小的单丝纤维比网状纤维抗塑性干缩裂缝能力较好，混凝土抗干缩开裂能力随着聚丙烯纤维掺量的增大而增大。陈德玉、刘欢等人[6]试验研究表明掺入长度为10 mm，密度为0.9 kg/m3的聚丙烯纤维会使再生混凝土的抗裂、抗渗冲击性能均有较大幅度提高。Miller和Rifai在研究中建议工程中掺加纤维的最大量不宜超过0.8%。他们的研究表明，掺入聚丙烯纤维会使再生混凝土抗渗性明显提高。掺加聚丙烯纤维体积量为0.05%～0.1%时，混凝土的抗渗性能提高40%以上。

3.2 抗冻性

我国北方寒冷地区，昼夜温差变化较大使混凝土频繁遭受冻融破坏，严重影响了混凝土结构的使用安全。试验证明，在掺加体积量大于0.1%的聚丙烯腈纤维后，C50混凝土不仅抗冻能力有较大提高，而且在冻融过程结束后的抗斥强度也高于素混凝土。与同条件的素混凝土的抗冻性比较，掺加少量聚丙烯纤维的混凝土的抗冻性能明显提升。

3.3 抗裂性

掺入聚丙烯腈能够明显改善混凝土的抗裂性能。掺入聚丙烯腈纤维可以有效推迟混凝土早期收缩裂缝出现的时间。混凝土在l～14 d时，其限裂等级均达到了一级。聚丙烯腈纤维通过抑制早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，显著提高了混凝土早期的抗拉强度。

4 结语

综上所述，在混凝土中加入纤维，能够提高混凝土的抗拉、抗压、抗弯、抗冲击强度和韧性，并且使早期裂缝的生长得到抑制，从而延长了混凝土的耐久性。使纤维在混凝土领域中得到了广泛应用，促进了纤维工业的发展。从目前的应用情况看，研究新型轻质、高强、抗拉、抗弯、耐腐蚀、耐久性好的纤维混凝土是重点发展方向。目前，大多数国内研究局限于碳纤维、玻璃纤维、丙纶、锦纶等，且关于纺织纤维的研究更少；国外的纤维增强则主要侧重于碳纤维和玻璃纤维。

现在纺织行业和人们的日常生活中，每年会出现大量的纺织废料（如边角料、废旧服装等），其中含有大量不可降解的聚合物（如丙纶、涤纶等），一般处理方式会浪费资源、污染环境。如果仿照再生骨料和传统纤维增强混凝土的思路，将纺织废料破碎成增强纤维，添加到再生混凝土中，将能弥补再生混凝土在抗拉强度、韧性、抗渗等方面的缺陷，并更大程度地节约资源、保护环境，达到建筑垃圾和纺织废料的联合再生利用。因此研究添加纺织纤维后再生混凝土性能的变化是十分必要的。

纺织纤维混凝土有广阔的发展前景，而纺织废料增强再生混凝土也将会是其中的一个重要发展方向。现有试验结果也表明，纤维增强废弃混凝土的再生利用是可行的，但再生混凝土与增强纤维在配合比设计、材料性能及耐久性等方面均存在一定差异。因此，针对再生纤维混凝土的技术开发需要更多的研究。

参考文献

[1] 王勇升，金宝宏，王佳龙，等.聚丙烯纤维和涤纶纤维混凝土力学性能的比较研究[J].混凝土与水泥制品，2013（2）：50-52.

[2] 王建坤，王书祥，杨继强，等.涤纶增强混凝土的性能研究[J].产业用纺织品，2007（8）：35-38.

[3] 张天翼，吴强.涤纶增强混凝土的性能研究[J].山西建筑，2008 （5）：208-209.

[4] 杨永生，王军.纤维再生混凝土基本力学性能试验[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2013（12）：1669-1672.

[5] 李学英，马新伟，韩兆祥，等.聚丙烯纤维混凝土的工作性与力学性能[J].武汉理工大学学报，2009（5）：9-12.

[6] 陈德玉，刘欢，卢忠远.聚丙稀纤维掺量对再生混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2009（4）：35-37.