為拓展再生骨料混凝土（RAC）在路橋工程中的應用，通過設計 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 RAC 性能的影響。基于彎曲強度試驗，在不同應力水平下進行彎曲疲勞試驗，運用 Weibull 分布理論分析纖維摻量對 RAC 疲勞壽命的影響，并建立單對數和雙對數疲勞方程預測試件的極限疲勞強度。結果表明，BF 和 PANF 能顯著提高 RAC 的彎曲強度和疲勞壽命，其中 0.1% BF 和 0.15% PANF 混雜時增強效果最佳。Weibull 理論能有效分析疲勞壽命，雙對數疲勞方程預測效果更好。
一、引言
混凝土材料在建筑行業廣泛應用，粗骨料約占混凝土總體積的 70%。二戰后，全球城市化快速發展，砂石等自然資源被大量消耗，產生了大量廢棄混凝土，對生態環境造成負面影響。將廢棄混凝土加工成再生粗骨料（RCA）用于生產再生骨料混凝土（RAC），是一種符合環保和經濟目標的綠色材料。但 RCA 內部存在微裂紋，骨料表面殘留砂漿，導致 RAC 強度和耐久性降低，限制了其工程應用。在 RAC 中摻入纖維形成纖維增強再生骨料混凝土（FRAC），可顯著提升 RAC 的綜合性能。纖維增強 RAC 各組分間的連接，抑制微裂紋擴展，提高其力學性能和耐久性。目前，鋼纖維應用廣泛，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，具有良好的力學和化學性能，能增強混凝土基體的致密性和均勻性，提高韌性；PANF 是一種有機合成纖維，能提高混凝土的抗沖擊性、韌性和疲勞壽命。目前對單一 BF 和 PANF 摻入 RAC 的性能研究較多，但 RAC 是多相非均質材料，單一纖維增強效果有限。將 BF 和 PANF 混雜摻入 RAC，可發揮各自優勢，在不同層次和承載階段增強 RAC 性能。同時，RAC 主要用于道路和橋梁等基礎設施，服役期間承受車輛和火車等循環荷載，易發生疲勞損傷。因此，研究 RAC 在循環荷載下的疲勞性能對拓展其應用場景至關重要。本研究通過對混凝土試件進行靜力彎曲強度試驗和循環加載疲勞試驗，分析單一 BF、PANF 及兩者混雜摻入對 RAC 性能的影響，利用 Weibull 分布理論建立疲勞方程，為 FRAC 在彎曲疲勞構件中的設計提供參考。試驗選用 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥和 I 級粉煤灰，粉煤灰取代 15% 水泥以提高 RAC 的可持續性。粗骨料選用天然粗骨料（NCA）和 RCA，粒徑 5-25mm，NCA 為連續級配石灰石碎石，RCA 由武漢某廢棄 C35 混凝土試件經破碎、篩分、清洗和干燥制成。細骨料為天然河砂，最大粒徑不超過 5mm。試驗采用 BF 和 PANF 兩種纖維，其物理指標見表 1。混凝土攪拌用水為武漢地區自來水。
表 1 纖維物理指標
試件設計強度為 C40，RCA 取代率為 25%。根據《普通混凝土配合比設計規程》（GB/T JGJ55 - 2011）進行配合比設計，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 作為對照組，BFRAC 設計了 0.1%、0.15% 和 0.2% 三種 BF 摻量，PANFRAC 設計了 0.1% 和 0.15% 兩種 PANF 摻量，BPRAC 設計了五種混雜摻量組合，具體配合比如表 2 所示。
表 2 配合比設計 (kg/m3)
混凝土試件制備流程見圖 1。按配合比稱量各原材料，分三次加水攪拌。先將水泥、粉煤灰、粗細骨料攪拌 60s，加入三分之一水攪拌 60s 后加入纖維，再加入三分之一水攪拌 90s，最后加入剩余水攪拌 60s。測量拌合物坍落度后裝入 100mm×100mm×400mm 模具，在振動臺上振搗密實。試件在溫度 20±5°C、相對濕度≥95% 的環境中養護 48h 后脫模編號，再根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081 - 2019）在標準養護室（溫度 20±2°C，相對濕度≥95%）養護 28d 進行彎曲強度試驗，疲勞試驗前需再養護 6 個月，以減少制備和養護初期對試驗結果的影響。
圖1 抗彎強度試驗
彎曲強度試驗和彎曲疲勞試驗均采用 100mm×100mm×400mm 試件。彎曲強度試驗在試件養護 28d 后進行，按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081 - 2019）進行四點彎曲試驗（圖1），試件支座跨度 300mm，距端部 50mm，加載點間距 100mm，利用 MTS 微機控制電子壓力試驗設備加載，記錄峰值荷載，按公式（1）計算四點彎曲彎曲強度：
式中：f 為彎曲強度，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 為非標準試件尺寸系數。彎曲疲勞試驗在試件養護 6 個月后進行，試件放置和加載位置與四點彎曲強度試驗相同，采用 MTS 制造的疲勞試驗機進行力控制循環加載，加載頻率 10Hz，以彎曲強度試驗的破壞荷載為疲勞試驗加載參數的依據，在 0.6、0.7 和 0.8 三種應力水平下對每組試件進行試驗。疲勞荷載循環比r = Lmin / Lmax設為 0.1，試驗前對試件施加 1kN 壓力后釋放，重復至位移變化控制在 1mm 內。控制軟件設定循環加載上限為2*10的6次方，若試件達到該次數仍未破壞，疲勞壽命記為2*10的6次方；若提前破壞，試驗機自動停止并記錄循環次數作為疲勞壽命。各組試件彎曲強度和纖維增強系數變化見圖 2。RAC 彎曲強度比 NAC 低 8.9%，摻入纖維可不同程度提高 RAC 彎曲強度。PANF 摻量為 0.1% 和 0.15% 時，PANFRAC 彎曲強度分別比 RAC 提高 16.82% 和 10.68%；BFRAC 彎曲強度隨 BF 摻量增加先升后降，BF 摻量為 0.1%、0.15% 和 0.2% 時，分別比 RAC 提高 8.18%、12.27% 和 6.14%。BF 和 PANF 與水泥砂漿的強粘結力，適量的纖維能協同抑制混凝土內部微裂紋擴展，提高彎曲強度；但纖維摻量過多會導致分散不均，產生缺陷降低強度。
圖2 抗彎強度和纖維增強系數
BPRAC 彎曲強度相比 RAC 顯著增強，增強幅度為 9.77% - 26.59%。0.1% BF + 0.15% PANF 摻量組合的彎曲強度最高，為 5.57MPa，相比 RAC、最佳 PANFRAC 和最佳 BFRAC 分別提高 26.59%、8.37% 和 12.75%。從纖維增強系數可知，單摻纖維和混雜纖維均能顯著增強 RAC 彎曲強度，合適的混雜纖維增強效果更明顯。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，分散裂紋尖端應力；BF 彈性模量高、抗拉強度高，在加載后期混凝土達到極限破壞強度時仍能承受外力，兩者協同提高 BPRAC 彎曲強度。基于彎曲試驗得到疲勞試驗的峰值循環荷載參數見表 3，NAC、RAC、BFRAC、PANFRAC 和 BPRAC 的極限疲勞強度見圖 3。混凝土材料的不均勻性使同應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力水平升高而降低。RAC 在相同應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，協同基體承受外部循環荷載、消耗能量、減緩內部微裂紋擴展，從而提高混凝土彎曲疲勞壽命。
表 3 峰值循環荷載參數
圖 3 極限疲勞強度的比較
綜上所述，BF 和 PANF 的/摻入對 RAC 性能優化效果顯著，0.1% BF 和 0.15% PANF 的摻量組合可有效提升 RAC 的彎曲強度和彎曲疲勞壽命。雙對數方法能更精準地預測疲勞壽命和強度，為工程應用提供可靠參考。后續研究可考慮優化纖維組合類型，增加各應力水平下的試件數量，進一步深入探究纖維增強 RAC 的性能，推動其在實際工程中的廣泛應用。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