《Materials》：Fiber Concrete Reinforced with Cord from Tires Using Low-Emission Recycling (Nearly Zero Waste)
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本文介绍了将汽车轮胎中的钢帘线经初步机械处理后用作结构混凝土增强材料的可行性。构成轮胎增强体的钢丝在与橡胶机械分离后不再进行进一步加工，而是以部分受橡胶污染的形式堆放于填埋场。进一步加工通常在经济上不合理。本研究旨在确定由普通混凝土添加从轮胎中回收的钢纤维（经
本文介绍了将汽车轮胎中的钢帘线经初步机械处理后用作结构混凝土增强材料的可行性。构成轮胎增强体的钢丝在与橡胶机械分离后不再进行进一步加工，而是以部分受橡胶污染的形式堆放于填埋场。进一步加工通常在经济上不合理。本研究旨在确定由普通混凝土添加从轮胎中回收的钢纤维（经相对简单的回收工艺获得）所制成的纤维混凝土的物理性能。本研究主要为实验性研究。文献综述部分介绍了纤维增强混凝土构件制作与测试方法的现有知识基础。接下来，研究人员展示了自行开展的采用预清理钢丝的纤维增强混凝土测试研究与结果。第五章总结了研究成果，并并列了最重要观察结果，这些结果可用于简单回收技术所获纤维的实际应用。本研究的实用价值在于展示废旧轮胎回收利用的实际可能性，特别是用于混凝土的纤维增强。研究结果表明，添加约1.3%的（受橡胶污染的）钢纤维可使该纤维混凝土的收缩率比在相同条件下养护的无纤维混凝土基体降低7–10%。
**论文解读：基于废旧轮胎低排放回收钢纤维增强混凝土的性能研究**
**一、研究背景及问题**
随着全球对原材料保护和环境污染及气候变化问题的日益关注，废弃材料的回收利用已成为当务之急。常见的废弃轮胎处理方法，如填埋和焚烧，往往导致二次环境污染。为了实现“零废弃”的理念，现代技术致力于将废弃材料作为二次原材料加以利用。在此背景下，废旧轮胎的回收利用成为研究热点。轮胎中的钢帘线作为增强材料，在机械分离后通常因进一步加工经济性不佳而被填埋处理，造成资源浪费和环境负担。尽管已有大量文献报道了将回收钢纤维用于混凝土增强，但多数研究采用的是经过清洗、筛分乃至热解等深度加工的高纯度纤维，这些方法能耗高、成本大，且可能产生化学污染物。此外，工厂制造的钢纤维通常比回收纤维赋予混凝土更高的力学性能。因此，探索一种低成本、低能耗、近乎零废弃的回收技术，并直接利用未经深度净化的轮胎钢帘线作为混凝土增强材料，具有重要的工程应用价值和环境意义。
**二、研究内容与结论**
本研究旨在实验验证一种低排放回收技术的可行性：将废旧汽车轮胎经机械处理后得到的、未经进一步净化且部分受橡胶污染的钢帘线，直接作为混凝土的分散增强材料。研究人员通过系统的实验，评估了这种回收纤维对混凝土各项物理和流变性能的影响。研究涉及不同强度等级（C20/25至C50/60）的混凝土基体，并设置了多个纤维掺量梯度（0.00%至1.27%）。研究结果表明，掺入回收钢纤维能够显著提高混凝土的抗脆性断裂强度（巴西劈裂法测试中，最大提升近400%）、抗弯拉强度（在约1.3%掺量下提升近两倍），并改善混凝土破坏时的延性，使破坏模式由脆性爆炸性破坏转变为更安全的塑性破坏。同时，回收纤维的加入有助于降低混凝土强度的离散性（变异系数降低），并减少混凝土的收缩（在约1.3%掺量下，收缩降低7–10%）。尽管在强基体（C45/55）中纤维的加入略微降低了抗压强度，但在弱基体（C20/25以下）中则能提高抗压强度。该研究证实了采用简单、低成本回收技术获得的钢纤维增强混凝土（RFRC）在实际工程（尤其是低标准结构）中的应用潜力，为废旧轮胎的回收利用提供了一条“近乎零废弃”的途径。该论文发表在《Materials》期刊上。
**三、主要关键技术方法**
* **轮胎回收技术**：研究涉及多种废旧轮胎处理方法，包括机械破碎分离（得到橡胶和受污染的钢丝）、水泥窑焚烧、热解（获得纯净钢丝）以及整胎利用。本研究主要采用机械破碎分离法，通过“拔丝机”获得未经净化、含橡胶杂质的钢纤维。
* **纤维特性表征**：通过随机取样和人工分离，测定了回收纤维的橡胶污染水平（质量占比约7.56%，体积占比约29.78%）及不同直径（细丝、中等丝、粗丝）的组成比例。
* **混凝土配合比设计与成型**：制备了不同强度等级的混凝土，并添加不同体积率（0.00%至1.27%）的回收钢纤维。研究人员在实验室条件下确定了未处理纤维的最大可掺量，并制备了不同形状的试件（圆柱体、立方体、梁）用于力学性能测试。
* **力学性能测试**：采用标准试验方法评估了混凝土的抗压强度、抗脆性断裂强度（巴西劈裂法）、抗弯拉强度（四点弯曲试验），并分析了应力-应变曲线。研究人员运用多裂纹扩展分析方法（即FSD/ESD方法），详细评估了纤维在混凝土开裂后的增强、应变控制和裂纹扩展阶段的性能。
* **纤维分布均匀性评估**：通过对断裂后的梁试件进行切割，统计截面上的纤维数量，评估了纤维在混凝土基体中的分布均匀性。
**四、研究结果**
**4.1 钢丝强度测试**
对回收钢丝（纤维）进行了拉伸强度测试，结果表明其平均抗拉强度约为2000 MPa，与文献报道的工厂生产纤维相当，为混凝土增强提供了基本的强度保障。
**4.2 单轴压缩下的复合材料的强度与刚度测试**
对混凝土立方体试件进行了抗压强度测试。结果显示，在相同条件下，掺入回收纤维的混凝土与未掺纤维的基体混凝土相比，其平均抗压强度相当。但的关键在于，掺入纤维的混凝土破坏过程更为稳定，无明显爆炸性破坏。此外，与未掺纤维的基体相比，掺入回收纤维的试件组强度变异系数普遍更低，表明混凝土的强度均匀性得到改善。
**4.3 混凝土抗脆性断裂性能**
采用巴西劈裂法测试了混凝土的抗脆性断裂强度。结果表明，随着回收纤维掺量的增加，混凝土的抗脆性断裂强度显著提高。在纤维掺量为1.27%时，相对于基体，强度增幅可达175%至近400%（弱基体时）。同时，掺入纤维的试件组强度变异系数显著降低，表明复合材料在测试中表现更均匀。
**4.4 混凝土抗弯拉强度测试**
对梁式试件进行了四点弯曲试验，以测定抗弯拉强度。结果显示，与未掺纤维的混凝土相比，高掺量（约1.3%）纤维混凝土的抗弯拉强度几乎提高了一倍，表现出显著的增强效果。更重要的是，纤维增强了混凝土破坏后的延性，使其呈现“绳索效应”，即破坏后承载力下降缓慢并伴随较大塑性变形。然而，极小的纤维掺量（低于0.15%）反而会导致抗弯拉强度降低约30%。
**五、总结与结论**
**讨论总结**：研究讨论了纤维掺入对混凝土横向变形的影响机制，认为橡胶杂质的高压缩性是导致横向变形增大的原因之一。同时，研究人员指出了在应变测量和裂纹观测中存在的技术挑战，如试件支座沉降、裂纹出现位置随机等，并提出了改进测量方法的建议（如多点摄像测量）。此外，研究结果分析需考虑不同批次混凝土基体的强度差异，纤维的加入对强基体抗压强度略有不利影响，但被其对抗弯和抗裂性能的显著改善所补偿。
**研究结论**：
1. 来自废旧轮胎回收的钢纤维（RFRC）是提高混凝土构件单轴应力强度并增强其抗脆性断裂能力的有效方法，其抗脆断强度最大可达基体强度的近400%。
2. 受橡胶污染的回收钢丝增强混凝土可提高混凝土的抗拉强度参数，并显著扩大构件破坏后的塑性变形范围，从而提升结构安全性。回收纤维的加入使纤维增强混凝土的抗压强度更均匀，且其破坏机制为非爆炸性的。
3. 高纤维掺量（约1.3%）的样品表现出更高的抗弯拉强度，几乎是基体混凝土的两倍。在较弱混凝土中效果更明显。纤维增强混凝土破坏后，构件传递的荷载随塑性应变增加而下降（“绳索效应”）。
4. 极少量回收纤维（低于0.15%）的添加会导致抗弯拉强度下降约30%。而添加约1.3%的（受橡胶污染的）钢纤维可使混凝土的收缩率比无纤维的混凝土基体降低7–10%。
5. 该技术成果可应用于需要提高抗故意破坏能力（如防盗围栏）的混凝土结构。未来研究应进一步探讨纤维对混凝土泊松比、徐变、收缩、冲切强度及配方的影响。
