引言随着全球汽车工业的发展和规模扩大，废弃轮胎等工业废物的数量迅速增加。我国是主要的轮胎生产国和消费国，每年生产超过1亿条轮胎，但轮胎回收率仅为10%。充分认识到工业废弃物的利用价值并开展综合利用研究，可以解决环境破坏和资源紧张问题。大量有效地利用废旧轮胎中的资源，能够为经济建设节省大量资金，实现废旧资源的再次利用，具有环保价值。近年来，废旧轮胎被回收和加工制成钢纤维。钢纤维能够明显改善混凝土抗压、抗拉、抗折等力学性能[1]。由于形状、长度、直径的不同和少量橡胶颗粒，从废轮胎中回收的废钢纤维在混凝土中的应用存在差异。与普通工业钢纤维相比，废旧轮胎钢纤维价格低廉且环保，与工业钢纤维具有相似的力学特性。因此，分别从轮胎钢纤维混凝土基本性能、轮胎钢纤维混凝土构件的试验研究以及轮胎钢纤维混凝土新体系的试验研究等方面综述国内外的研究进展，并对轮胎钢纤维混凝的研究进程进行展望。1废旧轮胎钢纤维混凝土基本性能废旧轮胎钢纤维(RTSF)是将废弃轮胎中的钢丝束带层运用物理手段进行剥离、切割等简单工艺后得到的新型钢纤维材料。将RTSF运用到超高性能混凝土中形成的废旧轮胎钢纤维超高性能混凝土(RTSF-UHPC)是新型的环保经济性钢纤维UHPC材料。近年来，国内外学者对废旧轮胎钢纤维混凝土的工作性能、力学性能等方面进行了大量研究[2-9]。RTSF用量较多时，需要更多的水泥浆覆盖纤维表面；附着在RTSF表面的残余橡胶颗粒在搅拌过程中吸收水分，对混凝土坍落度具有负面影响。RTSF常被用于制造混凝土，能够在纤维和水泥浆体之间形成松散的界面，为混凝土提供更多的气体渗透通道，从而提高混凝土中的空气含量。RTSF的长度明显短于工业钢纤维(ISF)，使RTSF能够产生更短的混凝土孔隙通道，且RTSF的直径比ISF更小，使RTSF很难形成空气通道，因此ISF对混凝土含气量的影响比RTSF更大。因此，纤维的加入降低了混凝土的工作性。随着钢纤维数量的增加，长径比越大，混凝土和易性越差，含气量越大。钢纤维长会导致混凝土骨料间离析现象严重，纤维的分散也会影响混凝土的性质及其可用性。RTSF能够有效抑制混凝土的初始裂缝产生，提高混凝土的抗压强度。随着RTSF含量的增加，混凝土混合物的和易性发生变化，混凝土的含气量增加，密实度降低，导致抗压强度下降。RTSF的长度不同，纤维数量大，有助于抵抗裂缝处的剪切，控制裂缝的扩展发挥桥接作用。桥接效应是由于横跨纤维长度和基体的剪切力因纤维拔出而产生的伪韧性响应。有时纤维也会阻碍变形，因此其抗剪强度提高，但相较于ISF其抗剪强度有所下降的原因是ISF力学特性略优于RTSF[6]。在混凝土中，ISF和RTSF具有类似的黏结性，它们在破坏混凝土时会产生类似的作用，但是破坏强度不存在明显差异。纤维材料从混凝土基质中被拔出会消耗大量能量，还会推迟整个破坏过程。ISF的弹性模量和长径比略高于RTSF，且ISF具有端钩。从混凝土中被拉出时，摩擦力非常大，RTSF略微弯曲，末端无挂钩。因此，较长的钢纤维的拉伸强度更高[10]。随着RTSF含量的增加，混凝土的抗压强度有一定程度的提高，最佳含量为0.75%。随着RTSF含量的增加，混凝土的抗拉强度、抗弯强度和抗弯强度均有所提高。RTSF混凝土的抗压强度高于ISF混凝土，但在相同条件下，ISF对混凝土抗折强度的影响略优于RTSF。基体混凝土的强度水平对机械强度的增长几乎无影响，但对弯曲和拉伸强度的增长有很大影响。由于ISF的弹性模量和长径比略高于RTSF，纤维含量相同时，ISF混凝土的抗压强度、劈裂强度和弯曲拉伸强度高于RTSF混凝土。为了达到相同的强度，废轮胎中的钢纤维数量必须比工业钢纤维高约40%[4-5,8]。纤维含量增加时，纤维自身或纤维与骨料料颗粒之间的相互作用增强，RTSF和钩状钢纤维(HSF)混凝土的体积变形和质量损失降低，HSF相对于RTSF具有更好的锚固特性，前者比后者更有效地抑制收缩，RTSF的加入可以降低混凝土的泌水性，从而防止混凝土开裂[7]。因此，RTSF可以显著改善混凝土的基本力学性能，并在一定剂量内替代ISF。合理的RTSF含量和长径比可以充分提高混凝土的工作性能，减少体积收缩，防止混凝土断裂，有效提高其抗剪强度。2废旧轮胎钢纤维混凝土构件与普通混凝土相比，RTSF混凝土具有更好的力学性能，在工程实践中具有良好的应用前景。梁柱构件是工程中最常见的受力构件，研究RTSF混凝土构件对该材料应用于工程实践具有很好的指导意义。2.1废旧轮胎钢纤维混凝土砌块将RTSF掺入水泥砂浆制作成RTSF空心砂浆砌块，使砌块具有更大的延展性，以克服其低抗拉强度特性。由于RTSF的密度高于用于砂浆混凝土砌块生产的其他组分，试块密度随着纤维含量的增加而增加。混凝土砌块中的钢纤维不能吸水，因为相对其他组分，钢纤维的吸水率几乎可以忽略不计，随着纤维含量的增加，混凝土砌块的吸水率降低[11]。废旧轮胎钢纤维在砂浆基体内部可以提供更好的黏结效果，以此提高砌块的强度，其抗压强度随着轮胎钢纤维掺量的增加而增大。纤维有助于抵抗裂缝处的剪切，控制裂缝的扩展发挥桥接作用，含钢纤维砌块被破坏时产生的裂缝较少，裂缝宽度较小。因此，RTSF可以有效提高水泥砂浆混凝土空心砌块的物理及力学性能，RTSF空心砂浆砌块可以更好地被运用于工程实际。2.2废旧轮胎钢纤维混凝土柱制造钢纤维与RTSF存在略微差异，将两者混合使用制作混凝土棱柱体和圆板试件，分别对两种试件进行弯曲试验。由于较短的RTSF可以在较大的裂纹宽度下脱离基体甚至被拔出，导致渐进损伤，且在控制宏观裂纹方面的效果不如MSF，MSF具有较长的长度、较大的直径和变形形状，在桥接宏观裂纹处更有效。随着裂缝的扩展，钢纤维混凝土的后裂行为越来越依赖于纤维与基体的相互作用、纤维的分布和取向，而不是基体本身通过骨料互锁作用提供的阻力。因此，钢纤维在阻止微裂纹并延缓其形成宏观裂纹方面具有积极作用，且较高的纤维用量会导致较高的弯曲抗拉强度。通过BS EN 14651：2005三点缺口棱柱试验和ASTMC1550-05中心加载试验，得出不同裂缝宽度处的荷载存在一定线性关系的结论。由于棱柱与圆板试件断裂参数代表同一材料的断裂特性，因此SFRC棱柱体和圆板的弯曲行为存在相关性，分析得到转换公式。少量的RTSF与MSF共同工作具有显著的协同作用，但随着其数量的增加，这种作用减弱并最终逆转[9]。与普通钢筋相比，玄武岩钢筋的重量轻、强度高、耐酸性、耐腐蚀性和耐高温性好。在结构中更换常规钢筋可以降低寿命周期成本并延长结构的使用寿命。同时，由于玄武岩钢筋弹性模量较小，变形较大，应力应变曲线呈线性、脆性等，限制了其在工程实践中的进一步应用。通过结合BFRP钢筋与RTSF制造一种新型的混凝土短柱，并利用分形理论研究偏心受压柱上裂纹的扩散情况。通过使用RTSF，能够有效连接混凝土裂缝，阻止偏心受压柱裂缝的形成，并减小裂缝的分支和宽度，提高混凝土和BFRP钢筋之间的黏附力。通过添加纤维改善混凝土的抗拉强度，从而减少裂纹的扩大，保证其稳定性和耐久性。使用RTSF混凝土制造构件可以增强构件的整体强度，当混凝土破损并退出工作时，BFRP钢筋与RTSF可以共同承担拉伸应力，同时纤维也会持续消耗能量。随着荷载的增加，玄武岩筋RTSF混凝土分形维数相应地增多。但是，在提高废旧钢纤维含量时，偏心柱的分形维数会逐渐降低，延缓了裂缝的发展，使荷载分布更加均匀。试件的受压偏心距减小时，分形维数逐渐减少，截面受压区的高度增加，裂纹的长度和宽度变小，试样的断裂脆性降低。玄武岩筋RTSF混凝土柱裂缝分布均具有自相似性[12]。ISF能够显著提升混凝土的强度和韧性，有效阻止裂缝的形成，并且能够改善混凝土的脆性。由于ISF混凝土的成本高且难以生产，需要寻找替代方案，从而降低成本。混杂钢纤维混凝土是一种新型建筑材料，由RTSF和ISF组成，具有优良的耐久性和耐腐蚀性。通过结合BFRP钢筋与混杂钢纤维混凝土可以有效地减少钢筋的腐蚀。玄武岩钢筋混杂钢纤维混凝土具有优异的力学性能，可以通过有限元模型评估其性能。当偏心距减小时，柱的开裂荷载和极限荷载会逐渐增加。在柱中，混凝土和玄武岩筋的变形情况大致相似。加载开始时，混凝土应变随荷载的增加而缓慢增加；荷载施加到开裂载荷时，变形变化增加；荷载继续增加到极限载荷时，变形变化更快。在柱的轴向压缩中，柱两侧的混凝土和玄武岩钢筋受到压缩，其变形基本相同。偏心距变小时，试验柱的最大侧向位移相应降低。梁的荷载-跨中侧向位移曲线可以被划分为3个阶段：在第一阶段，曲线会出现一个陡峭的斜率，直至其到达预定的开裂载荷，混凝土主要处于弹性阶段，其中柱刚度相对较高。随着荷载的增加，侧向位移也会逐渐增加。在第二阶段，由于荷载已经超过开裂荷载，柱刚度会逐渐变弱，曲线斜率也会变小，导致侧向位移变得更大。在第三阶段，试验柱的荷载达到极限荷载，柱会出现破坏，刚度急剧下降，导致柱承载能力快速下降，侧向位移显著提高[13]。因此，在混凝土中掺入RTSF能够有效抑制混凝土结构裂缝的开展，较长的钢纤维能更好发挥桥接作用，混凝土开裂以后主要依赖于纤维与基体的相互作用、纤维的分布和取向。在一定含量范围内，RTSF可以取代工业钢纤维。2.3废旧轮胎钢纤维混凝土梁在均布荷载作用下，当废旧钢纤维体积率逐渐增大时，混凝土梁的应力、位移变化逐渐减小，但其抗弯性能明显提高，在体积率为1.5%时抗弯性能达到最优[14]。范小春[15]等通过梁表面裂缝分布和演化研究混凝土梁的受弯性能。结果表明，废旧钢纤维混凝土梁表面裂缝具有自相似性，随着废旧钢纤维体积率的增加，试验梁受拉区混凝土的受力更加均匀，梁表面的裂缝分布也更加均匀，混凝土梁的分形维数与荷载等级和跨中挠度均呈对数增长。范小春[16]等进行超高性能混凝土梁裂缝分形研究，利用废旧钢纤维部分取代工业钢纤维制备混凝土梁，废旧钢纤维取代率越大，混凝土梁裂缝的分形维数越大，取代率为60%时，混凝土梁的经济性和抗弯性能综合效益最优。3废旧轮胎钢纤维混凝土新体系普通钢筋混凝土作为最常见、使用最多的建筑材料，具有强度高、抗震冲击性能好等优点。在工程实践中，钢筋混凝土结构仍然存在部分问题：结构自重大；混凝土经常带裂缝工作，削弱保护钢筋的能力；在海工作业类似的侵蚀环境下，钢筋混凝土的耐久性能很差，钢筋材料易被锈蚀，影响结构的寿命。RTSF具有绿色环保等优点。将RTSF掺入混凝土与其他新型绿色高性能材料搭配，形成新的组合体系以达到糅合材料的优良特性的目的，开发新的绿色建筑材料具有较大的应用前景。再生粗骨料由建筑（结构）废料中的混凝土、砂浆、石、砖块和陶瓷砖制成，RILEM标准将再生细骨料划分为3个等级（Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级）。通过使用再生骨料，能够有效降低建筑垃圾对环境的影响，同时能够节省资源。通过使用再生骨料取代部分天然骨料，以制备RTSF再生骨料混凝土。由于再生骨料由填充有水泥浆的天然骨料组成，其接触面之间存在许多小间隙。再生骨料表面的水泥砂浆具有多孔隙和大孔隙率的特点，表面残余的水泥浆具有很强的吸附能力。再生骨料破碎时，内部会形成一定数量的微裂纹，使骨料的吸水能力显著高于天然骨料。添加RTSF后，纤维和溶液之间的混凝土界面松弛，导致气体含量增加。RTSF能够在混凝土中形成网状，提高混凝土内部的摩擦阻力，从而提高混凝土的强度和耐久性。混合物与RTSF接触时，残留橡胶颗粒会吸收水分。再生骨料含量增加时，混凝土会变得更黏稠，导致混凝土混合物的流动性降低，并增加混凝土中的气体含量；RTSF掺量增加时，混凝土的坍塌度会降低，同时气体含量升高。再生骨料替代率提高时，混凝土立方体的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度和弯曲韧度均会下降。RTSF能够有效改善再生骨料混凝土的基本力学性能，RTSF再生骨料混凝土具有明显的韧性特征。立方体在抗压破坏时，混凝土样品表面通常只会出现裂缝，不会出现大块混凝土脱落现象。但是立方体在拉伸或弯曲过程中受到损伤时，试件呈现裂而不断的破坏形式，并且试件基本保持完整。使用再生骨料作为替代骨料时，RTSF可以弥补混凝土机械性能的损失，从而提高混凝土的使用寿命[17]。橡胶骨料被认为可以改善混凝土的脆性，橡胶骨料的引入为混凝土提供了优异的动态性能、变形性能和耐久性，并为解决混凝土收缩和断裂、脆性和耐久性问题提供了新的可能性。采用RTSF和橡胶骨料单掺或复掺的方法，研究高强混凝土的基本力学性能。作为一种弹性材料，橡胶骨料的弹性模量远低于普通骨料，其承载力远低于普通骨料；橡胶骨料与水泥基层的连接较弱，橡胶骨料和水泥基层之间的过渡区较大；橡胶骨料和水泥基体的弹性模量之间存在很大差异。在加载过程中，橡胶骨料和水泥基层之间可能发生异步变形，导致橡胶骨料与水泥基层相交处出现裂缝，裂缝继续扩大会导致混凝土破坏。废旧轮胎钢纤维的掺入减少了混凝土中的缺陷和初始微裂纹，分散了混凝土中应力，减缓了微裂纹的形成和发展，并在加固中发挥了重要作用。随着橡胶含量的增加，混凝土橡胶骨料的弯曲韧性大大提高[18]。根据上述RTSF的应用效果，钢纤维和橡胶骨料与混凝土混合具有更好作用效果。废旧轮胎中分离钢纤维带有少量橡胶和其他杂质的再生轮胎钢丝帘线(RTSC)可替代工业钢纤维和RTSF研制超高性能混凝土(UHPC)。RTSC长径比较低时纤维在混凝土中锚固长度不够，导致纤维过早滑移。由于RTSC中含有橡胶和其他杂质，RTSC及长度小于9 mm的纤维能够显著降低UHPC混合料的强度[19]。提高钢纤维的清洁度和减少短纤维的数量对提高混合料的性能是必要的。通过试验确定RTSF和ISF的最佳掺量和配比，可以制备性能与仅含ISF的普通纤维混凝土相当或更好的可持续混杂纤维混凝土(SHFRC)。随着纤维含量的增加，混凝土的和易性将下降，立方体的抗压、抗折及弯曲抗拉强度增大；纤维含量过高时，抗压抗折强度将因为拌合物的工作性能变差、混凝土含气量增大、密实度降低，导致抗压强度下降。合理控制纤维掺量是制备超高性能混凝土的关键。RTSF含量高、间距小时的短纤维和薄纤维的存在对弯曲强度具有积极影响，允许以相对低廉的成本在混凝土中掺入大量的RTSF。在最佳掺量和正确配比下，RTSF与制造钢纤维之间的协同作用甚至可以用于制备具有挠曲硬化行为的SHFRC[20]，并依据试验建立挠度-裂缝宽度比预测模型：δ=0.72CMOD+0.05，可在设计阶段有效地对四点弯曲下特定挠度值的裂缝宽度进行可靠预测。与普通硅酸盐水泥(OPC)砂浆相比，碱激发材料(AAM)具有低渗透性和减缓腐蚀速率。与在OPC基体中相比，RTSF的长期性能在碱激发材料中可能得到提高。将废旧轮胎钢纤维运用于OPC和AAM，制备新型混合砂浆，综合利用废旧轮胎钢纤维特性和碱激发材料特性。由于碱激发偏高岭土(MK)砂浆的黏性促进了空气的进入，反过来影响力学强度，较大的空隙能够促进试件在荷载作用下的裂缝生成。将RTSF进行轻度腐蚀会导致纤维表面粗糙，从而减少纤维从基体中滑脱的现象。高碱含量增加了碱激发试样的导电性，F级粉煤灰(PFA)和偏高岭土(MK)碱激发砂浆的电阻率均低于OPC。且RTSF金属在基体中更紧密地堆积会导致材料导电性增强。因此碱激发砂浆的孔隙率高于OPC[21]，具有更高的导电性。纤维含量增加时，OPC的电阻率增加，但碱激发砂浆无明显影响。PFA会阻碍钢纤维的腐蚀，MK会增加试件孔隙率，导致钢纤维的腐蚀程度较高。综上，RTSF可以增强OPC和AAM的性能，PFA碱激发砂浆能更好应用于海洋和其他侵蚀环境中。RTSF混凝土的新体系多种多样，能够为社会建筑发展开辟新的途径，使传统混凝土的性能得到改良。将废弃建筑垃圾或其他绿色材料用于制备新型混凝土，具有绿色环保的功效，同时解决了环境破坏和资源紧张问题，促进了社会经济进一步发展。4结语废旧轮胎钢纤维作为一种绿色建筑材料添加物，具有较好的优良特性。国内外对RTSF混凝土的关注点主要在纤维掺量、长度、直径对混凝土力学性能的影响、RTSF与其他钢纤维按照一定比例形成的混凝土构件以及RTSF与其他绿色建材组成的新型混凝土方面。但对RTSF混凝土微观结构和反应机理的研究还不够深入，对RTSF采取不同的掺入方式的研究成果偏少。因此，对RTSF的研究还有许多方面需要深入，研究利用RTSF与其他新型材料制备超高性能混凝土也具有较为重要的意义。