惡劣條件下纖維再生混凝土力學(xué)性能及微觀研究綜述

程傳，金應(yīng)錫，張曉潔

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.北京市工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100055；3.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

1 引言

使用建筑廢料生產(chǎn)混凝土可以提高資源利用率，是對(duì)城市建設(shè)原材料的有效開發(fā)利用，可以緩解對(duì)廢棄混凝土的浪費(fèi)問題。然而，使用廢舊混凝土粉碎后所產(chǎn)生的骨料，其表面會(huì)粘附水泥砂漿，在粉碎的過(guò)程中其材料內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)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(guó)地理環(huán)境復(fù)雜，混凝土結(jié)構(gòu)暴露在冰凍、海水侵蝕或者嚴(yán)重的災(zāi)害下使得耐久性降低，會(huì)縮短混凝土的使用壽命。為了彌補(bǔ)這些不足，可以通過(guò)摻加纖維以此提高再生混凝土性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。

2 高溫后纖維再生混凝土力學(xué)性能研究

2.1 抗壓力學(xué)性能

纖維再生混凝土的宏觀力學(xué)性能及骨料取代率和纖維摻量有關(guān)。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(qiáng)度和延性優(yōu)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(nèi)部孔隙，從而有效地抑制了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)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(qiáng)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(duì)纖維混凝土的力學(xué)性能影響。研究發(fā)現(xiàn)，在200℃條件下，纖維斷裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(duì)再生混凝土的機(jī)械性能影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，2.6kg/m3纖維體積分?jǐn)?shù)的玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)再生混凝土的提升作用最大，比常規(guī)的自密實(shí)混凝土高19.1%。在高溫條件下，每一組試樣在400℃下的受壓強(qiáng)度都達(dá)到了最大值。

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

2.2 抗拉力學(xué)性能

朱如意[6]對(duì)試件進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)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?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著加熱溫度的升高而降低。在此基礎(chǔ)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(chǎn)生。在200～400℃時(shí)，質(zhì)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(zhì)量損耗。

李長(zhǎng)安[7]完成了對(duì)玄武巖纖維混凝土的高溫試驗(yàn)，對(duì)其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和靜彈性模量的變化進(jìn)行了系統(tǒng)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，玄武巖纖維混凝土在200℃以上的溫度下，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和拉伸強(qiáng)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(guò)研究新一代纖維增強(qiáng)混凝土工程水泥基復(fù)合材料（ECC），發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度，但抗壓強(qiáng)度略有下降。在300～400℃范圍內(nèi)觀察到明顯下降，而當(dāng)加熱到300℃時(shí)，它平穩(wěn)增加。加熱到100℃時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度在獲得輕微的應(yīng)變后減弱了。這項(xiàng)研究為未來(lái)重點(diǎn)開發(fā)耐高溫的ECC提供了研究基礎(chǔ)。

3 凍融后纖維再生混凝土的力學(xué)性能

3.1 抗壓力學(xué)性能

在飽和水狀態(tài)和凍融的循環(huán)交替作用下，混凝土因此產(chǎn)生了凍裂，導(dǎo)致混凝土彈性模量和力學(xué)性能嚴(yán)重降低，從而導(dǎo)致了混凝土的斷裂。目前，纖維對(duì)混凝土的抗凍性能改善普遍認(rèn)為有以下四個(gè)原因。第一，纖維在混凝土中三維空間分布特性，會(huì)明顯抑制早期裂縫的生成；以及收縮裂縫和連通裂縫的產(chǎn)生；第二，摻加的適量纖維可優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，減小孔隙率，增加密實(shí)度，增大抗水腐蝕能力；第三，摻加纖維會(huì)使得混凝土內(nèi)部含氣量增大，減小凍融過(guò)程中的滲透壓力和靜水壓力；第四，纖維對(duì)混凝土內(nèi)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(fā)生概率[9]。

朱柏衡[10]采用直接拉拔試驗(yàn)方法，對(duì)BFRP 筋與再生混凝土粘結(jié)-滑移特性進(jìn)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(shù)對(duì)混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明，在相同的凍融循環(huán)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(jié)-滑移曲線上的峰值結(jié)合強(qiáng)度。

3.2 抗拉力學(xué)性能

皇甫秉輝[11]利用快速凍融技術(shù)，對(duì)PVA 和玄武巖纖維在再生混凝土中的抗凍性影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(huán)次數(shù)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(duì)鋼纖維再生混凝土的機(jī)械性能，包括抗壓強(qiáng)度、拉伸劈裂強(qiáng)度和斷裂能量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鋼纖維可以增強(qiáng)UHPC 和混凝土的強(qiáng)度和韌性。由于再生鋼纖維的卷曲形狀、較高的抗拉強(qiáng)度（1800～2000MPa）和適當(dāng)?shù)闹睆剑?mm），UHPRSFRC 的鋼纖維不會(huì)立即被拉斷，縮頸現(xiàn)象明顯。在60kg/m3的情況下，回收鋼纖維或工業(yè)鋼纖維的用量，UHPC 的拉伸劈裂強(qiáng)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(xué)組成和孔隙結(jié)構(gòu)，加快對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的深入理解和掌握，對(duì)其性能的改善起著重要作用。在此基礎(chǔ)上建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的聯(lián)系，這對(duì)于改善材料的綜合性能以及促進(jìn)其設(shè)計(jì)與開發(fā)都有一定的指導(dǎo)作用。

王永貴等[13]利用電子顯微鏡和XRD對(duì)高溫處理后的玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了顯微觀測(cè)。結(jié)果顯示，隨溫度的增加，材料的燒失率增加，抗壓強(qiáng)度和最佳的納米氧化硅含量下降，砂漿基體、界面過(guò)渡區(qū)、纖維與砂漿之間的結(jié)合性能惡化，且CH 結(jié)晶和C-S-H 凝膠的質(zhì)量濃度下降。隨著取代速率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的燒失率和抗壓強(qiáng)度隨之下降，而砂漿的基質(zhì)也會(huì)變得疏松。研究發(fā)現(xiàn)，不同的溫度、骨料取代率、納米氧化硅含量等因素會(huì)顯著地影響再生混凝土的力學(xué)性能。

Xie Jianhe 等[14]通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）研究了鋼纖維再生混凝土的降解機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，水的蒸發(fā)和混凝土中氫化物的分解是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降的主要原因。混凝土中的水分蒸發(fā)和氫化物的分解是導(dǎo)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(fù)面影響。得益于硅灰和鋼纖維的卓越耦合效應(yīng)，含有硅灰的鋼纖維RAC（SRAC）在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能。

4.2 孔結(jié)構(gòu)研究

混凝土作為一種多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)在混凝土研究中起著舉足輕重的作用，對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗凍性、強(qiáng)度等宏觀物理力學(xué)特性具有很大的影響。通過(guò)對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的研究，可以有效地揭示混凝土的力學(xué)性能機(jī)理和預(yù)測(cè)其宏觀力學(xué)性能變化規(guī)律。

袁少林[15]利用SEM 技術(shù)，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(jié)構(gòu)，探討了不同溫度對(duì)RAC 顯微形態(tài)的影響。在室溫下，水泥漿體組織及呈連續(xù)塊狀C-S-H 凝膠均完整、致密，Ca(OH)2為不規(guī)則的片狀結(jié)晶，未水化的水泥顆粒為球狀。在200℃下，由于水在汽化過(guò)程中所產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)加速水泥顆粒的水化作用，從而使結(jié)構(gòu)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(jié)晶逐漸脫水、分解，使其內(nèi)部的空隙逐漸增加，并且結(jié)構(gòu)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(qiáng)[16]利用電子顯微鏡對(duì)試件的顯微組織進(jìn)行了掃描，結(jié)果表明，玄武巖纖維的長(zhǎng)度越大，越容易產(chǎn)生有害的孔隙，而不利的孔隙在凍融循環(huán)中會(huì)使混凝土的力學(xué)性能嚴(yán)重下降，粉煤灰中細(xì)小的球形粒子能夠填充微孔，提高其工作性能，增強(qiáng)其抗凍融能力。

張秉宗等[17]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣，通過(guò)XRD 對(duì)混凝土水化產(chǎn)物進(jìn)行分析，采用核磁共振技術(shù)，從微觀角度對(duì)混凝土內(nèi)部的孔隙變化情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，PFRC 可以提高混凝土在復(fù)鹽體系中的凍融次數(shù)，并顯著降低混凝土的脫落。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，0.9kg/m3纖維摻量的PFRC 與常規(guī)混凝土相比，降低了3.61%。在細(xì)觀層面，聚丙烯纖維的加入使混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)得到了輕微的改善，但并不顯著。聚丙烯纖維對(duì)“加速劣化”期混凝土的毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔的增加具有明顯的抑制作用。從微觀形態(tài)上看，在混凝土中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物是導(dǎo)致裂縫發(fā)生的主要原因，而PP 纖維對(duì)AFt、CaSO4等腐蝕產(chǎn)物的形成沒有起到抑制作用。

5.2 孔結(jié)構(gòu)研究

趙燕茹等[18]以纖維體積率和凍融循環(huán)次數(shù)為主要參數(shù)，對(duì)玄武巖纖維混凝土的抗鹽凍性能進(jìn)行了試驗(yàn)，采用3.5%的氯化鈉水溶液浸泡凍融后，觀測(cè)玄武巖纖維混凝土的微觀形貌。研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行凍融循環(huán)后，摻加玄武巖纖維能大大減少混凝土的質(zhì)量損耗，并能放緩其相對(duì)動(dòng)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(shù)目，延緩初期開裂和互相貫穿裂縫的發(fā)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(duì)纖維混凝土進(jìn)行孔隙率、孔徑大小的測(cè)量，MIP 分析和毛細(xì)管吸水試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)的CEAFS 總體上具有良好的性能，可以承受腐蝕性的環(huán)境。未增強(qiáng)的CEAFS 顯示出稍差的性能，預(yù)示著較弱的耐腐蝕性。

6 總結(jié)及展望

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

分形維數(shù)本質(zhì)上是反映多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)在空間分布中復(fù)雜度的一個(gè)參量，隨著分形維數(shù)的增加，孔隙的空間形狀和形狀的變化越復(fù)雜。目前已有許多測(cè)量混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的方法，如光學(xué)法、壓汞法、吸附法、X 射線衍射法等。可以圍繞這些測(cè)孔方法數(shù)據(jù)建立分維模型，計(jì)算孔容分維、孔表面積分維、孔隙率分維，可以根據(jù)這些分形維數(shù)來(lái)確定孔隙的復(fù)雜性。