為拓展再生骨料混凝土（RAC）在路橋工程中的應(yīng)用，通過設(shè)計(jì) 12 組混凝土配合比，研究玄武巖纖維（BF）和聚丙烯腈纖維（PANF）對(duì) RAC 性能的影響。基于彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，運(yùn)用 Weibull 分布理論分析纖維摻量對(duì) RAC 疲勞壽命的影響，并建立單對(duì)數(shù)和雙對(duì)數(shù)疲勞方程預(yù)測試件的極限疲勞強(qiáng)度。結(jié)果表明，BF 和 PANF 能顯著提高 RAC 的彎曲強(qiáng)度和疲勞壽命，其中 0.1% BF 和 0.15% PANF 混雜時(shí)增強(qiáng)效果最佳。Weibull 理論能有效分析疲勞壽命，雙對(duì)數(shù)疲勞方程預(yù)測效果更好。玄武巖纖維；聚丙烯腈纖維；疲勞性能；極限疲勞強(qiáng)度
一、引言
混凝土材料在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用，粗骨料約占混凝土總體積的 70%。二戰(zhàn)后，全球城市化快速發(fā)展，砂石等自然資源被大量消耗，產(chǎn)生了大量廢棄混凝土，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。將廢棄混凝土加工成再生粗骨料（RCA）用于生產(chǎn)再生骨料混凝土（RAC），是一種符合環(huán)保和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的綠色材料。但 RCA 內(nèi)部存在微裂紋，骨料表面殘留砂漿，導(dǎo)致 RAC 強(qiáng)度和耐久性降低，限制了其工程應(yīng)用。在 RAC 中摻入纖維形成纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土（FRAC），可顯著提升 RAC 的綜合性能。纖維增強(qiáng) RAC 各組分間的連接，抑制微裂紋擴(kuò)展，提高其力學(xué)性能和耐久性。目前，鋼纖維應(yīng)用廣泛，但成本較高。因此，研究人員常選用硅酸鹽纖維或合成纖維，如玄武巖纖維（BF）和聚丙烯腈纖維（PANF）。BF 是一種硅酸鹽纖維，具有良好的力學(xué)和化學(xué)性能，能增強(qiáng)混凝土基體的致密性和均勻性，提高韌性；PANF 是一種有機(jī)合成纖維，能提高混凝土的抗沖擊性、韌性和疲勞壽命。目前對(duì)單一 BF 和 PANF 摻入 RAC 的性能研究較多，但 RAC 是多相非均質(zhì)材料，單一纖維增強(qiáng)效果有限。將 BF 和 PANF 混雜摻入 RAC，可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在不同層次和承載階段增強(qiáng) RAC 性能。同時(shí)，RAC 主要用于道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施，服役期間承受車輛和火車等循環(huán)荷載，易發(fā)生疲勞損傷。因此，研究 RAC 在循環(huán)荷載下的疲勞性能對(duì)拓展其應(yīng)用場景至關(guān)重要。本研究通過對(duì)混凝土試件進(jìn)行靜力彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)和循環(huán)加載疲勞試驗(yàn)，分析單一 BF、PANF 及兩者混雜摻入對(duì) RAC 性能的影響，利用 Weibull 分布理論建立疲勞方程，為 FRAC 在彎曲疲勞構(gòu)件中的設(shè)計(jì)提供參考。試驗(yàn)選用 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥和 I 級(jí)粉煤灰，粉煤灰取代 15% 水泥以提高 RAC 的可持續(xù)性。粗骨料選用天然粗骨料（NCA）和 RCA，粒徑 5-25mm，NCA 為連續(xù)級(jí)配石灰石碎石，RCA 由武漢某廢棄 C35 混凝土試件經(jīng)破碎、篩分、清洗和干燥制成。細(xì)骨料為天然河砂，最大粒徑不超過 5mm。試驗(yàn)采用 BF 和 PANF 兩種纖維，其物理指標(biāo)見表 1。混凝土攪拌用水為武漢地區(qū)自來水。
表 1 纖維物理指標(biāo)
試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 C40，RCA 取代率為 25%。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（GB/T JGJ55 - 2011）進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，共 12 組配合比，包括天然骨料混凝土（NAC）、RAC、玄武巖纖維再生骨料混凝土（BFRAC）、聚丙烯腈纖維再生骨料混凝土（PANFRAC）和 BF - PANF 混雜再生骨料混凝土（BPRAC）。NAC 和 RAC 作為對(duì)照組，BFRAC 設(shè)計(jì)了 0.1%、0.15% 和 0.2% 三種 BF 摻量，PANFRAC 設(shè)計(jì)了 0.1% 和 0.15% 兩種 PANF 摻量，BPRAC 設(shè)計(jì)了五種混雜摻量組合，具體配合比如表 2 所示。
表 2 配合比設(shè)計(jì) (kg/m3)
混凝土試件制備流程見圖 1。按配合比稱量各原材料，分三次加水?dāng)嚢琛Ｏ葘⑺唷⒎勖夯摇⒋旨?xì)骨料攪拌 60s，加入三分之一水?dāng)嚢?60s 后加入纖維，再加入三分之一水?dāng)嚢?90s，最后加入剩余水?dāng)嚢?60s。測量拌合物坍落度后裝入 100mm×100mm×400mm 模具，在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)。試件在溫度 20±5°C、相對(duì)濕度≥95% 的環(huán)境中養(yǎng)護(hù) 48h 后脫模編號(hào)，再根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081 - 2019）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度 20±2°C，相對(duì)濕度≥95%）養(yǎng)護(hù) 28d 進(jìn)行彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)前需再養(yǎng)護(hù) 6 個(gè)月，以減少制備和養(yǎng)護(hù)初期對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
圖1 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)
彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)均采用 100mm×100mm×400mm 試件。彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)在試件養(yǎng)護(hù) 28d 后進(jìn)行，按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081 - 2019）進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖1），試件支座跨度 300mm，距端部 50mm，加載點(diǎn)間距 100mm，利用 MTS 微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)設(shè)備加載，記錄峰值荷載，按公式（1）計(jì)算四點(diǎn)彎曲彎曲強(qiáng)度：
式中：f 為彎曲強(qiáng)度，MPa；F為破壞荷載，kN；l為支座間跨度，mm；b為試件橫截面寬度，mm；h為試件橫截面高度，mm；0.85 為非標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸系數(shù)。彎曲疲勞試驗(yàn)在試件養(yǎng)護(hù) 6 個(gè)月后進(jìn)行，試件放置和加載位置與四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)相同，采用 MTS 制造的疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力控制循環(huán)加載，加載頻率 10Hz，以彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞荷載為疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)的依據(jù)，在 0.6、0.7 和 0.8 三種應(yīng)力水平下對(duì)每組試件進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞荷載循環(huán)比r = Lmin / Lmax設(shè)為 0.1，試驗(yàn)前對(duì)試件施加 1kN 壓力后釋放，重復(fù)至位移變化控制在 1mm 內(nèi)。控制軟件設(shè)定循環(huán)加載上限為2*10的6次方，若試件達(dá)到該次數(shù)仍未破壞，疲勞壽命記為2*10的6次方；若提前破壞，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止并記錄循環(huán)次數(shù)作為疲勞壽命。3.1 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果各組試件彎曲強(qiáng)度和纖維增強(qiáng)系數(shù)變化見圖 2。RAC 彎曲強(qiáng)度比 NAC 低 8.9%，摻入纖維可不同程度提高 RAC 彎曲強(qiáng)度。PANF 摻量為 0.1% 和 0.15% 時(shí)，PANFRAC 彎曲強(qiáng)度分別比 RAC 提高 16.82% 和 10.68%；BFRAC 彎曲強(qiáng)度隨 BF 摻量增加先升后降，BF 摻量為 0.1%、0.15% 和 0.2% 時(shí)，分別比 RAC 提高 8.18%、12.27% 和 6.14%。BF 和 PANF 與水泥砂漿的強(qiáng)粘結(jié)力，適量的纖維能協(xié)同抑制混凝土內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，提高彎曲強(qiáng)度；但纖維摻量過多會(huì)導(dǎo)致分散不均，產(chǎn)生缺陷降低強(qiáng)度。
圖2 抗彎強(qiáng)度和纖維增強(qiáng)系數(shù)
BPRAC 彎曲強(qiáng)度相比 RAC 顯著增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度為 9.77% - 26.59%。0.1% BF + 0.15% PANF 摻量組合的彎曲強(qiáng)度最高，為 5.57MPa，相比 RAC、最佳 PANFRAC 和最佳 BFRAC 分別提高 26.59%、8.37% 和 12.75%。從纖維增強(qiáng)系數(shù)可知，單摻纖維和混雜纖維均能顯著增強(qiáng) RAC 彎曲強(qiáng)度，合適的混雜纖維增強(qiáng)效果更明顯。PANF 彈性模量低、柔韌性高，在混凝土受外力初期有效吸收能量，分散裂紋尖端應(yīng)力；BF 彈性模量高、抗拉強(qiáng)度高，在加載后期混凝土達(dá)到極限破壞強(qiáng)度時(shí)仍能承受外力，兩者協(xié)同提高 BPRAC 彎曲強(qiáng)度。基于彎曲試驗(yàn)得到疲勞試驗(yàn)的峰值循環(huán)荷載參數(shù)見表 3，NAC、RAC、BFRAC、PANFRAC 和 BPRAC 的極限疲勞強(qiáng)度見圖 3。混凝土材料的不均勻性使同應(yīng)力水平下試件疲勞壽命存在差異，且所有試件疲勞壽命均隨應(yīng)力水平升高而降低。RAC 在相同應(yīng)力水平下平均疲勞壽命最短，單摻及混雜纖維混凝土的平均疲勞壽命長于 RAC，纖維在混凝土基體中相互作用，協(xié)同基體承受外部循環(huán)荷載、消耗能量、減緩內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，從而提高混凝土彎曲疲勞壽命。
表 3 峰值循環(huán)荷載參數(shù)
圖 3 極限疲勞強(qiáng)度的比較
綜上所述，BF 和 PANF 的/摻入對(duì) RAC 性能優(yōu)化效果顯著，0.1% BF 和 0.15% PANF 的摻量組合可有效提升 RAC 的彎曲強(qiáng)度和彎曲疲勞壽命。雙對(duì)數(shù)方法能更精準(zhǔn)地預(yù)測疲勞壽命和強(qiáng)度，為工程應(yīng)用提供可靠參考。后續(xù)研究可考慮優(yōu)化纖維組合類型，增加各應(yīng)力水平下的試件數(shù)量，進(jìn)一步深入探究纖維增強(qiáng) RAC 的性能，推動(dòng)其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。Zhong, C., Xiao, Q., Fan, Z. et al. Experimental investigation on flexural fatigue performance of recycled aggregate concrete hybrid with basalt-polyacrylonitrile fiber. Sci Rep 15, 5855 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-89682-x