为拓展再生骨料混凝土（RAC）在路桥工程中的应用，通过设计 12 组混凝土配合比，研究玄武岩纤维（BF）和聚丙烯腈纤维（PANF）对 RAC 性能的影响。基于弯曲强度试验，在不同应力水平下进行弯曲疲劳试验，运用 Weibull 分布理论分析纤维掺量对 RAC 疲劳寿命的影响，并建立单对数和双对数疲劳方程预测试件的极限疲劳强度。结果表明，BF 和 PANF 能显著提高 RAC 的弯曲强度和疲劳寿命，其中 0.1% BF 和 0.15% PANF 混杂时增强效果最佳。Weibull 理论能有效分析疲劳寿命，双对数疲劳方程预测效果更好。
一、引言
混凝土材料在建筑行业广泛应用，粗骨料约占混凝土总体积的 70%。二战后，全球城市化快速发展，砂石等自然资源被大量消耗，产生了大量废弃混凝土，对生态环境造成负面影响。将废弃混凝土加工成再生粗骨料（RCA）用于生产再生骨料混凝土（RAC），是一种符合环保和经济目标的绿色材料。但 RCA 内部存在微裂纹，骨料表面残留砂浆，导致 RAC 强度和耐久性降低，限制了其工程应用。在 RAC 中掺入纤维形成纤维增强再生骨料混凝土（FRAC），可显著提升 RAC 的综合性能。纤维增强 RAC 各组分间的连接，抑制微裂纹扩展，提高其力学性能和耐久性。目前，钢纤维应用广泛，但成本较高。因此，研究人员常选用硅酸盐纤维或合成纤维，如玄武岩纤维（BF）和聚丙烯腈纤维（PANF）。BF 是一种硅酸盐纤维，具有良好的力学和化学性能，能增强混凝土基体的致密性和均匀性，提高韧性；PANF 是一种有机合成纤维，能提高混凝土的抗冲击性、韧性和疲劳寿命。目前对单一 BF 和 PANF 掺入 RAC 的性能研究较多，但 RAC 是多相非均质材料，单一纤维增强效果有限。将 BF 和 PANF 混杂掺入 RAC，可发挥各自优势，在不同层次和承载阶段增强 RAC 性能。同时，RAC 主要用于道路和桥梁等基础设施，服役期间承受车辆和火车等循环荷载，易发生疲劳损伤。因此，研究 RAC 在循环荷载下的疲劳性能对拓展其应用场景至关重要。本研究通过对混凝土试件进行静力弯曲强度试验和循环加载疲劳试验，分析单一 BF、PANF 及两者混杂掺入对 RAC 性能的影响，利用 Weibull 分布理论建立疲劳方程，为 FRAC 在弯曲疲劳构件中的设计提供参考。试验选用 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥和 I 级粉煤灰，粉煤灰取代 15% 水泥以提高 RAC 的可持续性。粗骨料选用天然粗骨料（NCA）和 RCA，粒径 5-25mm，NCA 为连续级配石灰石碎石，RCA 由武汉某废弃 C35 混凝土试件经破碎、筛分、清洗和干燥制成。细骨料为天然河砂，最大粒径不超过 5mm。试验采用 BF 和 PANF 两种纤维，其物理指标见表 1。混凝土搅拌用水为武汉地区自来水。
表 1 纤维物理指标
试件设计强度为 C40，RCA 取代率为 25%。根据《普通混凝土配合比设计规程》（GB/T JGJ55 - 2011）进行配合比设计，共 12 组配合比，包括天然骨料混凝土（NAC）、RAC、玄武岩纤维再生骨料混凝土（BFRAC）、聚丙烯腈纤维再生骨料混凝土（PANFRAC）和 BF - PANF 混杂再生骨料混凝土（BPRAC）。NAC 和 RAC 作为对照组，BFRAC 设计了 0.1%、0.15% 和 0.2% 三种 BF 掺量，PANFRAC 设计了 0.1% 和 0.15% 两种 PANF 掺量，BPRAC 设计了五种混杂掺量组合，具体配合比如表 2 所示。
表 2 配合比设计 (kg/m³)
混凝土试件制备流程见图 1。按配合比称量各原材料，分三次加水搅拌。先将水泥、粉煤灰、粗细骨料搅拌 60s，加入三分之一水搅拌 60s 后加入纤维，再加入三分之一水搅拌 90s，最后加入剩余水搅拌 60s。测量拌合物坍落度后装入 100mm×100mm×400mm 模具，在振动台上振捣密实。试件在温度 20±5°C、相对湿度≥95% 的环境中养护 48h 后脱模编号，再根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081 - 2019）在标准养护室（温度 20±2°C，相对湿度≥95%）养护 28d 进行弯曲强度试验，疲劳试验前需再养护 6 个月，以减少制备和养护初期对试验结果的影响。
图1 抗弯强度试验
弯曲强度试验和弯曲疲劳试验均采用 100mm×100mm×400mm 试件。弯曲强度试验在试件养护 28d 后进行，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081 - 2019）进行四点弯曲试验（图1），试件支座跨度 300mm，距端部 50mm，加载点间距 100mm，利用 MTS 微机控制电子压力试验设备加载，记录峰值荷载，按公式（1）计算四点弯曲弯曲强度：
式中：f 为弯曲强度，MPa；F为破坏荷载，kN；l为支座间跨度，mm；b为试件横截面宽度，mm；h为试件横截面高度，mm；0.85 为非标准试件尺寸系数。弯曲疲劳试验在试件养护 6 个月后进行，试件放置和加载位置与四点弯曲强度试验相同，采用 MTS 制造的疲劳试验机进行力控制循环加载，加载频率 10Hz，以弯曲强度试验的破坏荷载为疲劳试验加载参数的依据，在 0.6、0.7 和 0.8 三种应力水平下对每组试件进行试验。疲劳荷载循环比r = Lmin / Lmax设为 0.1，试验前对试件施加 1kN 压力后释放，重复至位移变化控制在 1mm 内。控制软件设定循环加载上限为2*10的6次方，若试件达到该次数仍未破坏，疲劳寿命记为2*10的6次方；若提前破坏，试验机自动停止并记录循环次数作为疲劳寿命。各组试件弯曲强度和纤维增强系数变化见图 2。RAC 弯曲强度比 NAC 低 8.9%，掺入纤维可不同程度提高 RAC 弯曲强度。PANF 掺量为 0.1% 和 0.15% 时，PANFRAC 弯曲强度分别比 RAC 提高 16.82% 和 10.68%；BFRAC 弯曲强度随 BF 掺量增加先升后降，BF 掺量为 0.1%、0.15% 和 0.2% 时，分别比 RAC 提高 8.18%、12.27% 和 6.14%。BF 和 PANF 与水泥砂浆的强粘结力，适量的纤维能协同抑制混凝土内部微裂纹扩展，提高弯曲强度；但纤维掺量过多会导致分散不均，产生缺陷降低强度。
图2 抗弯强度和纤维增强系数
BPRAC 弯曲强度相比 RAC 显著增强，增强幅度为 9.77% - 26.59%。0.1% BF + 0.15% PANF 掺量组合的弯曲强度最高，为 5.57MPa，相比 RAC、最佳 PANFRAC 和最佳 BFRAC 分别提高 26.59%、8.37% 和 12.75%。从纤维增强系数可知，单掺纤维和混杂纤维均能显著增强 RAC 弯曲强度，合适的混杂纤维增强效果更明显。PANF 弹性模量低、柔韧性高，在混凝土受外力初期有效吸收能量，分散裂纹尖端应力；BF 弹性模量高、抗拉强度高，在加载后期混凝土达到极限破坏强度时仍能承受外力，两者协同提高 BPRAC 弯曲强度。基于弯曲试验得到疲劳试验的峰值循环荷载参数见表 3，NAC、RAC、BFRAC、PANFRAC 和 BPRAC 的极限疲劳强度见图 3。混凝土材料的不均匀性使同应力水平下试件疲劳寿命存在差异，且所有试件疲劳寿命均随应力水平升高而降低。RAC 在相同应力水平下平均疲劳寿命最短，单掺及混杂纤维混凝土的平均疲劳寿命长于 RAC，纤维在混凝土基体中相互作用，协同基体承受外部循环荷载、消耗能量、减缓内部微裂纹扩展，从而提高混凝土弯曲疲劳寿命。
表 3 峰值循环荷载参数
图 3 极限疲劳强度的比较
综上所述，BF 和 PANF 的/掺入对 RAC 性能优化效果显著，0.1% BF 和 0.15% PANF 的掺量组合可有效提升 RAC 的弯曲强度和弯曲疲劳寿命。双对数方法能更精准地预测疲劳寿命和强度，为工程应用提供可靠参考。后续研究可考虑优化纤维组合类型，增加各应力水平下的试件数量，进一步深入探究纤维增强 RAC 的性能，推动其在实际工程中的广泛应用。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