彭全敏， 李文軒， 張慧， 李宏恩， 郭少龍， 李金釗

(1.天津城建大學土木工程學院， 天津 300384； 2.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室， 天津 300384； 3.天津城建大學理學院，天津 300384； 4.中國電建市政建設(shè)集團有限公司， 天津 300384)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，被廣泛使用的混凝土材料一方面在消耗大量的砂石料，另一方面又因基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)和舊城改造等產(chǎn)生了大量建筑垃圾。為節(jié)約自然資源、減少環(huán)境污染，用廢棄混凝土制成再生骨料來代替天然骨料，用再生混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)代替天然骨料混凝土(natural aggregate concrete, NAC)是建筑業(yè)的一條可持續(xù)發(fā)展之路。然而因再生骨料吸水率高、孔隙率大、強度低等自身缺陷，以此生產(chǎn)出的再生混凝土在力學性能等方面稍遜于普通混凝土[1-4]，如何對其增強成為近些年學術(shù)界和工程界研究的熱點。

大量科學研究和工程實踐都已表明，摻入原生的鋼纖維、碳纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維等可提高再生混凝土的強度、韌性和延性[5-9]，但這些纖維的生產(chǎn)在耗費自然資源的同時還帶來二氧化碳排放。為此有學者用廢棄物粗加工成纖維來增強再生混凝土。周靜海等[10]研究了再生骨料摻量、廢丙綸地毯纖維長度和摻量、水灰比等因素對再生混凝土劈裂抗拉強度的影響報道。Kein等[11]研究了廢PET塑料瓶纖維和廢塑料袋纖維對再生混凝土力學性能和耐久性能的影響。為最大限度實現(xiàn)固廢資源化，嘗試用裝啤酒、飲料的廢易拉罐加工成纖維條，代替原生纖維摻入再生混凝土中，并對纖維再生混凝土進行工作性能和力學性能的試驗，探究廢易拉罐粗纖維增強再生混凝土的有效性。

1 實驗方案

1.1 材料與配合比

膠凝材料為42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為表觀密度2 610 kg/m3的天然細砂，細度模數(shù)2.17。天然粗骨料為碎石，再生粗骨料從再生骨料加工廠購得，二者基本特性如表1所示。為獲得較好的流動性采用萘系高效減水劑，自來水拌合。將收集來的易拉罐洗凈后取瓶身人工剪成瓶片，游標卡尺測得其厚度為0.1 mm，試驗測得其密度為1.113 g/cm3，抗拉強度260～330 MPa，圖1為用電子萬能試驗機對瓶片進行拉伸試驗。為制備纖維混凝土，將易拉罐瓶片進一步裁剪成寬1～2 mm，長20、30、40 mm長的纖維狀，如圖2所示。

表1 粗骨料基本特性Table 1 Basic properties of coarse aggregates

為考查易拉罐纖維的長度和摻量對再生混凝土基本性能的影響，共設(shè)計11種配合比，其中兩種不摻纖維的天然骨料混凝土和再生骨料混凝土，9種纖維再生混凝土，纖維長度取20、30、40 mm，纖維體積摻量取0.5%、1.0%、1.5%(即5.6、11.0、15.7 kg/m3)?；炷猎O(shè)計強度為C40，水灰比為0.44，水泥∶細骨料∶粗骨料質(zhì)量比為391∶643∶1 305，再生混凝土的再生粗骨料取代率為50%，根據(jù)骨料吸水率加入附加水，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1%。

1.2 試件制作與試驗加載

采用強制式攪拌機拌合混凝土。攪拌程序為：首先，水泥與易拉罐纖維干拌1 min；隨后加入砂與2/3水攪拌1 min；然后加入粗骨料攪拌2 min，最后加減水劑和剩余水攪拌1 min。出料后，對各組新拌混凝土進行坍落度試驗。

參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)，每個配合比制作6個邊長100 mm的立方體試塊，每3個一組分別用于測試立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度。所有試塊用塑料膜覆蓋1 d后拆模，在實驗室水中養(yǎng)護28 d取出進行力學實驗?？箟汉团芽估囼灳凑铡痘炷廖锢砹W性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)在力學試驗機上進行，加載速率分別為5 kN/s和1.5 kN/s。

圖1 廢易拉罐瓶片抗拉強度試驗Fig.1 Tensile test of waste soft drink can slice

圖2 不同長度的廢易拉罐纖維Fig.2 Waste can fibers with different length

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 坍落度試驗

由新拌混凝土的坍落度值(圖3)可知，因再生骨料表面粗糙、吸水率大，RAC的坍落度略低于NAC。易拉罐纖維增強再生混凝土(fiber reinforced recycled aggregate concrete, FRRAC)的坍落度總體上隨纖維摻量和長度的增大而下降。當纖維摻量在0.5%時，纖維再生混凝土的坍落度與不摻纖維的再生混凝土、天然骨料混凝土相當，甚至略有提高；纖維摻量超過0.5%后，再生混凝土坍落度大幅下降，但體積摻量在1.0%～1.5%變化時，坍落度變化幅度不大，分別是不摻纖維再生混凝土坍落度的67%～79%和62%～70%。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，摻入的纖維增大了混凝土流動的阻力，且纖維越長阻力越大，但因易拉罐纖維較輕薄、表面光滑，小摻量下對混凝土自由流動的阻礙作用不大。鑒于現(xiàn)有文獻關(guān)于類似廢金屬纖維增強混凝土或再生混凝土的研究甚少，參考鋼纖維混凝土的文獻進行比較，陳愛玖等[12]、Shariful等[13]、Gao等[14]有相似報道，隨著再生骨料和鋼纖維的加入，混凝土的坍落度逐漸減小。

2.2 抗壓強度試驗

圖4顯示出各配合比混凝土試件的28 d立方體抗壓強度實測平均值。取代率50%再生混凝土的抗壓強度比天然骨料混凝土低6%，纖維再生混凝土的抗壓強度是天然骨料混凝土強度的81%～98%，是再生混凝土強度的87%～105%，除個別配合比試件的抗壓強度較小外，大部分纖維試件的抗壓強度與不摻纖維再生混凝土試件相當，易拉罐粗纖維對抗壓強度影響不大。纖維摻量及長度對再生混凝土抗壓強度的影響如圖5所示。

圖3 不同混凝土拌合物的坍落度Fig.3 Slump of different concrete mix

圖5顯示廢易拉罐纖維對再生混凝土抗壓強度的影響規(guī)律不顯著，尤其在20 mm短纖維以及0.5%小摻量條件下，此時粗纖維的作用未能很好發(fā)揮。究其原因，摻纖維具有雙重效應(yīng)，一方面纖維可跨越裂縫，具有橋接裂縫、傳遞應(yīng)力的有利效應(yīng)；而另一方面，光滑的金屬纖維與砂漿的黏結(jié)性能差，摻纖維會在混凝土基體中引入新的裂隙或低強度的界面過渡區(qū)，帶來負面效應(yīng)。

由圖6纖維再生混凝土的掃描電鏡照片可以看出，盡管較低水灰比的水泥砂漿可包裹金屬纖維表面，但被疏松水泥石包裹后的粗纖維仍與周圍水泥石存在明顯裂隙。因此，纖維對混凝土抗壓強度是增強還是削弱實際是兩種效應(yīng)此消彼長的結(jié)果。由圖5(a)可知，纖維摻量為1%時，纖維混凝土的抗壓強度隨纖維長度的增大(20～40 mm)而降低，相對于無纖維的再生混凝土試件，抗壓強度由增長4%到下降3%，說明此時纖維的負面效應(yīng)逐漸增大；摻量為1.5%時，抗壓強度隨纖維長度的增大(20～40 mm)先降后升，說明摻量增大后20～30 mm短纖維對抗壓強度不利，40 mm長纖維對抗壓強度最有利，橋接裂縫作用充分發(fā)揮，抵消了薄弱界面過渡區(qū)帶來的負效應(yīng)。

由圖5(b)可知，當纖維摻量大于等于0.5%時，再生混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出隨30 mm纖維摻量的增大而降低，但隨40 mm纖維摻量的增大而提高的趨勢，摻1.5%長40 mm纖維的試件抗壓強度最高，較無纖維的再生混凝土試件提高5%，表明長

圖4 不同類型混凝土的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of different concrete

圖5 廢易拉罐纖維對再生混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of waste can fibers on compressive strength of RAC

圖6 纖維再生混凝土SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM Photograph of FRRAC

纖維隨其摻量的增大逐步發(fā)揮出較大的正面效應(yīng)，若繼續(xù)增大纖維的摻量和長度，再生混凝土抗壓強度可能會進一步提高。

陳愛玖等[12]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的抗壓強度隨鋼纖維的增加(0.5%、1%)而增大3%～10%、5%～13%。Shariful等[13]將50 mm長的低質(zhì)鋼纖維以0.5%、1%的體積分數(shù)摻入再生磚骨料混凝土中發(fā)現(xiàn)，隨鋼纖維摻量的增加，各齡期混凝土的圓柱體抗壓強度略有提高。Gao等[14]試驗得出，再生混凝土抗壓強度隨30 mm鋼纖維摻量(0～2.0%)的增加而增大。高丹盈等[15]研究表明，剪切波紋型、銑削型和切斷弓型鋼纖維對天然混凝土的抗壓增強比分別為 0.93、1.04 和 1.14，對再生混凝土的抗壓增強比分別為 0.95、1.18 和 1.23，不同型式的鋼纖維對同一再生混凝土基體有利也有弊。因所用的廢金屬纖維源于廢易拉罐人工剪制而成，在材質(zhì)和尺寸上不如原生纖維控制精準，廢易拉罐纖維對再生混凝土抗壓強度的影響規(guī)律不明顯，在再生混凝土抗壓強度上的增強效果不如商用原生鋼纖維。

2.3 劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉強度是衡量混凝土抗裂的重要指標，反映混凝土抗拉性能。圖7顯示出各試件28 d劈裂抗拉強度實測平均值。取代率50%的再生混凝土劈裂抗拉強度比天然骨料素混凝土低31%，其抗拉強度降幅大于抗壓強度降幅，拉壓強度比由天然骨料混凝土的1/11降低到1/14，表明所采用的再生粗骨料對抗拉強度的影響明顯大于抗壓強度，再生粗骨料大幅削弱混凝土的抗拉能力。相關(guān)文獻也有類似結(jié)論：Dong等[7]研究表明，再生粗骨料取代率為50%和100%的再生混凝土具有與天然骨料混凝土相似或略高的抗壓強度，但劈裂抗拉強度卻隨粗骨料取代率的增大而下降，取代率100%時的劈裂抗拉強度是天然骨料混凝土的67%；何文昌等[16]研究表明，隨著再生粗骨料取代率由0提高到50%和100%時，試件的立方體抗壓強度值分別降低了4%和7.8%，劈裂抗拉強度值分別降低了9.5%和15.4%，再生骨料對混凝土抗拉強度的劣化大于抗壓強度。

圖7 不同類型混凝土的劈裂抗拉強度Fig.7 Splitting tensile strength of different concrete

廢易拉罐纖維長度和摻量對再生混凝土劈裂抗拉強度的影響如圖8所示。由圖8(a)可知，當纖維摻量為0.5%時，摻20 mm纖維的再生混凝土劈裂抗拉強度最高，此后隨纖維長度的增大，纖維再生混凝土抗拉強度下降；當纖維摻量為1.0%時，在纖維長度不超過30 mm的條件下，纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度隨纖維長度的增大而增長，纖維長度增大到40 mm時，抗拉強度小幅下降；當纖維摻量為1.5%時，纖維再生混凝土的抗拉強度隨纖維長度的增大(20～40 mm)而微幅上漲，此摻量下纖維長度對抗拉強度的影響較小。周靜海等[17]也對取代率50%的再生混凝土進行劈裂抗拉強度試驗，結(jié)果是廢丙綸地毯纖維摻量為0.08% 時，劈裂抗拉強度隨纖維長度的增加先升后降；纖維摻量為0.12%和0.16% 時，再生混凝土劈裂抗拉強度隨著纖維長度的增加下降；纖維長度30 mm時，摻量對劈拉強度影響減弱。

由圖8(b)可知，纖維從無到有(即摻量從0到0.5%)時，再生混凝土劈裂抗拉強度提升幅度最大；摻量大于0.5%后，再生混凝土劈裂抗拉強度小幅增長或下降，纖維摻量為1.5%時抗拉強度最低，此時各纖維長度下的混凝土劈裂抗拉強度相近。對于20 mm的纖維，在摻量為0.5%時纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度最高，較不摻纖維的再生混凝土增長48%，之后強度隨摻量逐漸下降，增幅降低到25%；對于30 mm和40 mm的纖維，當摻量不超過1.0%時，纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度隨纖維摻量的增大較再生混凝土強度分別增長40%～47%和39%～41%，超過此摻量后強度下降，增幅降至25%和27%。可見，纖維摻量過大不利于混凝土抗拉強度的提高，摻少量的短纖維比大量的長纖維更益于混凝土抗拉性能的增強。

圖8 廢易拉罐纖維對再生混凝土劈裂抗拉強度的影響Fig.8 Effect of waste can fibers on splitting tensile strength of RAC

圖9為40 mm易拉罐纖維增強再生混凝土劈裂抗拉試件破壞后的斷裂面，可以看出，當纖維較長且摻量較大時，纖維易彎曲折疊于斷面，導(dǎo)致纖維作用未能有效發(fā)揮，試件抗拉強度反而低于同長度低摻量試件。不同纖維類型對混凝土抗拉性能的影響不同，張麗娟等[18-19]摻入體積分數(shù)0.5%～2%長約30 mm鋼纖維后，再生混凝土的劈拉強度隨鋼纖維體積分數(shù)的增加而增大；周靜海等[17]在取代率50%的再生混凝土中摻入長度12、19、30 mm廢棄丙綸地毯纖維后發(fā)現(xiàn)劈裂強度均有所提高，纖維摻量不超過0.12%時強度隨纖維摻量的增加而增大，纖維摻量0.12%～0.16%隨纖維摻量的增多而減小。

3 結(jié)論

采用廢易拉罐剪制成20、30、40 mm長纖維條，以0.5%、1.0%、1.5%的體積分數(shù)摻入再生混凝土，探究纖維對再生混凝土性能的影響，得出如下結(jié)論。

(1)再生粗骨料對抗拉強度的影響明顯大于抗壓強度，再生粗骨料對混凝土的抗拉強度的劣化程度明顯大于抗壓強度。

(2)廢易拉罐粗纖維摻量較小(0.5%)時，纖維再生混凝土的流動性與不摻纖維再生混凝土相當；摻量較大(1.0%～1.5%)時，纖維再生混凝土的坍落度隨纖維摻量和長度的增大而減小。

(3)廢易拉罐粗纖維對再生混凝土抗壓強度的影響不明顯，尤其在短纖維以及小摻量條件下增長效應(yīng)不大，但對再生混凝土劈裂抗拉強度的增強效果顯著。摻廢易拉罐粗纖維后，再生混凝土的劈裂抗拉強度可達到天然骨料混凝土強度的86%～102%，是再生混凝土強度的1.25～1.48倍；摻量為0.5%、長度20 mm纖維的再生混凝土試件劈裂抗拉強度最高，而各纖維長度均在摻量為1.5%時，纖維再生混凝土的抗拉強度最低，摻少量的短纖維比大量的長纖維更能大幅提高再生混凝土抗拉強度。

(4)盡管廢易拉罐纖維對再生混凝土抗壓強度的影響規(guī)律不如原生纖維顯著，但基于研究結(jié)果，用廢易拉罐作為再生混凝土的纖維增強材料是環(huán)?？尚械?，可考慮對廢易拉罐進行分揀，并機械加工成統(tǒng)一規(guī)格的纖維，開展廢易拉罐纖維增強再生混凝土的深入研究。