再生聚乙烯纤维混凝土的制备及性能研究

Preparation and Performance Study of Recycled Polyethylene Fiber Reinforced Concrete

摘要

采用普通硅酸盐水泥为基体，再生聚乙烯纤维（PEF）为填料（纤维长度为5 mm），制备不同纤维用量的PEF混凝土，系统分析PEF用量对PEF混凝土的坍落度、力学性能、抗冻融性能及保温性能的影响。结果表明：在同一纤维长度下，随着纤维用量的增大，PEF混凝土材料的流动性降低，坍落度逐步下降；加入体积分数1.0% PEF试样的力学性能最佳，抗压强度和抗拉强度分别为47.93 MPa和9.17 MPa；进一步增加PEF用量后，PEF混凝土材料的力学性能逐渐降低，材料的脆性增强，韧性减弱。随着冻融循环次数的增多，加入体积分数1.0% PEF试样的质量损失率最低，仅为0.44%，表现出较为优异的抗冻融性。在保温性能方面，PEF体积分数小于1.5%时所制备的PEF混凝土材料导热系数均在标准值以下，具有良好的保温性能。

Abstract

Ordinary Portland cement was used as the matrix, and recycled polyethylene fiber (PEF) with a length of 5 mm was used as the filler to prepare PEF concrete with different fiber contents. The effects of PEF content on the slump, mechanical properties, freeze-thaw resistance, and thermal insulation properties of PEF concrete were systematically analyzed. The results showed that, under the same fiber length, as the fiber content increased, the fluidity of PEF concrete decreased, and the slump gradually declined. The specimen with a PEF volume fraction of 1.0% exhibited the best mechanical properties, with a compressive strength of 47.93 MPa and a tensile strength of 9.17 MPa. Further increasing the PEF content led to a gradual decrease in the mechanical properties of PEF concrete, an increase in brittleness, and a decrease in toughness. With the increase in the number of freeze-thaw cycles, the specimen with a PEF volume fraction of 1.0% had the lowest mass loss rate, at only 0.44%, showing excellent freeze-thaw resistance. In terms of thermal insulation property, the PEF concrete prepared with a PEF volume fraction of less than 1.5% had a thermal conductivity below the standard value, indicating good thermal insulation properties.

Graphical abstract

关键词

再生聚乙烯纤维 / 混凝土 / 力学性能 / 抗冻融性能 / 保温性能

Key words

Recycled polyethylene fibers / Concrete / Mechanical properties / Freeze-thaw resistance / Thermal insulation properties

随着全球城市化进程加速，建筑行业的资源消耗与废弃物排放问题日益严峻^[1-3]。混凝土作为用量最大的建筑材料，其生产过程不仅消耗大量天然骨料，还会产生显著碳排放^[4-6]。与此同时，塑料污染已成为全球性环境挑战^[7]，尤其是聚乙烯(PE)类塑料废弃物，因难以降解而持续累积^[8-9]。将废弃PE资源化利用并提升混凝土的力学性能与耐久性，是实现建筑行业可持续发展的重要方法之一^[10-11]。

纤维增强混凝土因优异的抗裂性、韧性和抗冲击性能，近年来受到广泛关注^[12]。传统纤维(如钢纤维、碳纤维)虽能改善混凝土性能，但存在成本高^[13]、能耗大^[14]或回收困难等问题^[15]。再生聚乙烯纤维(PEF)作为一种潜在替代材料，不仅可来源于废弃塑料的再生利用，降低环境负荷，其轻质^[16]、耐腐蚀^[17]和高延展性等特点，也可能为混凝土带来独特增强效果。谭燕等^[18]研究发现，PE纤维可将高强石膏从脆性材料改性为延性材料。杨秀涛^[19]系统研究PE纤维的直径、长度和掺入量对再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。然而，目前关于PEF在混凝土中的应用研究仍处于探索阶段，尤其是掺量优化及其对混凝土微观结构与宏观性能的影响机制尚不明确。

本研究以熔融拉丝工艺制备的长度为5 mm的PEF为掺料，系统研究PEF用量对再生混凝土的工作性能、力学性能、耐久性和保温性能的影响，旨在为建筑废弃物与塑料垃圾的协同资源化提供新思路，同时推动高性能绿色混凝土的开发与应用。

1 实验部分

1.1 主要原料

普通硅酸盐水泥，P.O 42.5，芜湖海螺材料有限公司，表1为硅酸盐水泥的主要化学组分；PEF，单丝纤维状，长度5 mm，密度0.97 g/cm³，武汉浩源再生纤维有限公司；减水剂，聚羧酸盐，工业品，武汉华鼎化工有限公司；天然河砂，表观密度2.65 g/cm³，含水量<1.5%；粗骨料(碎石)，粒径5~15 mm，表观密度2.51 g/cm³，芜湖金鼎建筑材料有限公司。

1.2 仪器与设备

水泥搅拌机，JY-500，南京江源仪器制造厂；光学显微镜，SG-310，上海光学仪器制造厂；电子万能拉力试验机，ZYH-5600，江苏科达电子设备有限公司；热导率测试仪，RD-500，天津江南设备制造厂；冻融试验箱，DR-350，天津河源机电设备有限公司；混凝土养护箱，THR-7005，河南天华仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

按照JGJ 55—2011中的要求制备PEF混凝土。为满足使用要求，在分析各原料成分的基础上，经过试拌、测量与调整，最终确定PEF混凝土实际配合比，其中添加PEF的体积分数分别为0、0.5%、1.0%、1.5%；减水剂用量为水泥组分质量的0.35%，水灰比为0.4。表2为PEF混凝土的配方。首先将PEF和水泥充分搅拌均匀，随后再将河砂、碎石、减水剂、水加入搅拌机中，充分混合搅拌10 min，将混凝土转移至模具中，在振动台上振动30 s直至混凝土出浆，24 h后脱模，分别得到养护7、14、28 d后的PEF混凝土。

1.4 性能测试与表征

坍落度测试：按照GB/T 50080—2016测试水泥浆体的坍落度，其中模具上口直径×下口直径×高度为36 mm×60 mm×40 mm。

力学性能测试：按照JG/T 266—2011中的规定测试PEF混凝土抗拉强度和抗压强度，试验速度为15 mm/min。

保温性能测试：使用热导率测试仪测试材料的导热系数，样品尺寸为400 mm×100 mm×50 mm。

抗冻融性能测试：根据GB/T 50082—2024测试PEF混凝土的抗冻融性能，分别以质量损失率和抗压强度保持率来表征。

2 结果与讨论

2.1 PEF混凝土的坍落度分析

图1为PEF混凝土的坍落度。从图1可以看出，随着PEF用量的增加，混凝土的坍落度从234 mm降低至176 mm，下降24.8%，表明PEF用量的增加对混凝土的坍落度有着较为显著的影响。分析认为，当添加少量PEF时，其在混凝土中交错程度较低，难以形成密集网络结构，对材料整体流动性影响较小；随着PEF用量增加，PEF更易在混凝土内部缠结，导致材料流动性降低^[20]。因此，PEF混凝土的坍落度呈下降趋势。

2.2 PEF混凝土的力学性能分析

图2为PEF混凝土的力学性能。从图2可以看出，PEF用量的增加使PEF混凝土的抗压强度及抗拉强度呈先增加后降低的变化特征。加入体积分数1.0% PEF试样的力学性能最佳，抗压强度和抗拉强度分别为47.93 MPa和9.17 MPa。PEF用量进一步增加后，混凝土材料的力学性能开始降低。混凝土抗拉强度和抗压强度的比值称为拉压比，可以直接反映材料的脆性及韧性，该值越大，材料的脆性越小，韧性越高^[21]。从图2可以看出，随着PEF用量的增加，拉压比先增大后减小，表明混凝土材料的脆性呈现先降低后升高的趋势，韧性呈现先升高后降低的趋势，加入体积分数1.0% PEF的混凝土材料具有较佳的力学性能。分析认为，适量加入PEF时，PEF与混凝土基质间附着力较强，能够有效抵御材料在外力作用下出现的压缩及弯折变形，并在受到拉压外力时通过拔出或断裂形式耗散能量^[22]，从而不同程度地提升混凝土材料的强度。然而，过量的PEF会在混凝土基质中明显团聚，分散性差，形成较多薄弱点，从而对混凝土材料力学性能的提升产生不利影响^[23]。

图3为PEF混凝土抗压破坏后形态。从图3可以看出，所有试样均出现不同程度的破坏裂纹。其中，加入体积分数1.5% PEF试样的破坏形态最为明显，PEF混凝土出现大量的脱落；加入体积分数1.0% PEF的试样保持相对完整的形态；加入体积分数0.5% PEF和1.5% PEF试样相较于1.0% PEF试样表面的裂纹进一步加剧。分析认为，PEF的存在可以抑制混凝土基质在受到外力压迫时出现的损伤，减少试样的破损程度，同时纤维网络结构的完善可以进一步约束裂纹的扩展^[24]。而加入体积分数1.5% PEF试样的破坏形态加剧，主要是由于过量的PEF在混凝土基质中出现明显团聚，在受到外力作用时出现应力不均的情况，过于集中的应力更容易使材料发生明显的破损形态，从而混凝土试样表面出现脱落^[25]。

2.3 PEF混凝土的抗冻融性能分析

图4为加入1.0% PEF试样的冻融损失形态。从图4可以看出，经过5次冻融循环试验后，样品表面仅有少量砂石裸露。随着冻融循环次数的增加，试样表面粗糙度逐渐增大，在完成75次冻融循环后，试样表面开始出现PEF裸露现象。清洗掉试样表面的砂石后，继续进行冻融试验。当冻融循环次数达到125次时，试样表面出现明显的凹坑，粗骨料暴露较为明显，局部材料损失较为显著。

图5为PEF混凝土的抗冻融性能。从图5a可以看出，在冻融初始阶段(25次)，各试样质量均出现不同程度的增加。这是因为在冻融初期，材料内部裂纹扩展并逐渐吸水，导致样品质量上升。随着冻融次数增加，材料内部孔隙因反复冷却收缩而被破坏，内部间隙增大^[26]，水分及其他组分更易脱离，质量损失率逐步上升^[27]，这一现象也可从图4直观看出。当循环次数达到125次时，试样表面出现明显凹坑，质量损失率达到最大值。其中，加入体积分数1.0% PEF的试样质量损失率最低，仅为0.44%，表现出优异的抗冻融性能。从图5b可以看出，随着冻融次数增加，材料的抗压强度保持率逐步下降。其中，加入体积分数1.5% PEF的试样强度下降最为明显，循环125次时，抗压强度仅为初始值的76.6%；而加入体积分数1.0% PEF的试样在循环125次时，抗压强度仍保持在86.7%。

分析认为，掺入相同长度的PEF纤维时，少量纤维可在混凝土基质中较均匀分散，但与基质的融合性较差，难以与混凝土基质紧密连接^[28]。随着PEF用量增加，过多的PEF易在混凝土中聚集，受外力时易出现应力不均，从而更易受损^[29]。而当PEF体积分数为1.0%时，在保证混凝土坍落度的同时，力学性能及抗冻融效果均表现良好。

2.4 PEF混凝土的保温性能分析

图6为PEF混凝土的保温性能。从图6可以看出，随着PEF用量的增加，试样的导热系数呈先减小后增大的趋势，未加入PEF试样的导热系数为0.151 W/(m·K)，加入体积分数0.5% PEF试样的导热系数降低为0.146 W/(m·K)，继续增加PEF的体积分数至1.5%时，导热系数增大为0.162 W/(m·K)。根据JG/J 144—2019中的有关规定，外墙保温层再生塑料混凝土材料的导热系数标准值为0.160 W/(m·K)。当PEF体积分数小于1.5%时制备的混凝土试样导热系数均在标准值以下，具有良好的保温性，具备实际应用价值。分析认为，由于PEF自身的导热系数较低，加入适量PEF有利于改善混凝土材料的热工性能^[30]，而PEF用量过多则不利于其在水泥基质中的均匀分散，容易形成孔隙等缺陷，对材料的保温性能带来不利影响^[31]。

3 结论

随着PEF用量的增加，混凝土的坍落度呈现下降的趋势，材料的流动性降低。加入体积分数1.0% PEF试样的力学性能最佳，抗压强度和抗拉强度分别为47.93 MPa和9.17 MPa。PEF用量进一步增加后，混凝土材料的力学性能逐渐降低。混凝土材料的脆性呈现先降低后升高的趋势，韧性呈现先升高后降低的趋势，加入体积分数1.0% PEF的混凝土材料具有较佳的力学性能。过量的PEF在混凝土基质中会出现明显团聚，受外力作用时易产生应力不均，过于集中的应力会使材料出现明显破损，进而导致混凝土试样表面脱落。当循环达到125次时，加入体积分数1.0% PEF试样的质量损失率最低，仅为0.44%，抗压强度仍保持至86.7%，表现出较为优异的抗冻融性。PEF自身导热系数较低，适量加入PEF可改善混凝土材料的热工性能。然而，PEF过量会阻碍其在水泥基质中均匀分散，容易形成孔隙等缺陷，从而对材料的保温性能产生不利影响。

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基金资助

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河南省教育科学规划2025年度一般课题(2025YB0463)

河南应用技术职业学院青年骨干教师资助项目(2024-GGJS-T001)