采用集束纤维的无水泥混凝土管研发：传统水泥混凝土管的替代方案

《Eng》：Development of Cementless Concrete Pipes Incorporating Bundled Fibers: An Alternate to Cement Concrete Pipes Faisal Amin, Safeer Abbas, Rashid Hameed, Adeel Faisal and Muhammad Haseeb Alvi

　　

研究人员提出，将粉煤灰与集束钢纤维结合用于制备无水泥混凝土（即地质聚合物混凝土(GPC)）以生产全尺寸预制混凝土管，是一种经济可行且具有可持续性的排水基础设施解决方案，可有效降低整体碳排放影响。本研究探究了掺加无水泥混凝土及集束钢纤维的全尺寸预制管（内径450 mm）的力学行为。GPC配合比中完全以当地燃煤电厂产粉煤灰替代水泥，集束钢纤维由长钢丝经本地加工制成。研究中集束钢纤维在GPC管中的掺量设定为20 kg/m3与40 kg/m3。研究人员共在商业化预制管生产单元中浇筑6根全尺寸GPC管及2根传统水泥混凝土管。三点支承试验(TEBT)结果表明，无纤维GPC管与传统水泥混凝土管的开裂荷载及极限荷载相当，两类管材均满足ASTM C76 III级强度要求。当集束钢纤维掺量为40 kg/m3时，GPC管的开裂荷载与极限荷载分别提升18%与22%，因抗裂性能与极限承载力提高，其ASTM C76强度等级由III级提升至IV级。传统水泥混凝土管与GPC管均在关键部位（侧点、内底与外顶）出现相似裂缝；而掺加集束钢纤维的GPC管沿管体纵向呈现分布均匀的多条次生裂缝。试验管材的最终破坏由受弯作用与径向拉力共同控制。经济性分析显示，水泥混凝土管与GPC管成本相近，但纤维掺入提高了GPC管造价，原因是本地专用纤维供应有限。本研究为可持续、经济的预制管生产开辟了地质聚合物混凝土(GPC)应用新方向，可作为环境友好型替代材料用于可持续排水基础设施，同时丰富了现有前沿知识体系。

研究背景与意义

在全球基础设施建设持续扩张的背景下，传统水泥混凝土管长期作为排水系统的核心构件被广泛应用，但其生产高度依赖普通硅酸盐水泥（OPC），而水泥生产过程会释放大量二氧化碳（CO₂），带来显著的碳足迹与环境压力。与此同时，燃煤电厂产生的粉煤灰等工业固废若处置不当，易造成土地资源占用与环境污染。地质聚合物混凝土（Geopolymer Concrete, GPC）作为一种新型胶凝材料，以粉煤灰、矿渣等富铝硅酸废弃物为原料，通过碱激发反应形成三维网状结构，其力学性能可与传统水泥混凝土媲美，且生产过程中的CO₂排放量可降低约80%，被认为是建筑领域实现低碳转型的关键材料之一。然而，当前GPC的研究多集中于梁、板等结构构件，针对全尺寸GPC管，尤其是采用离心工艺制备的GPC管的研究十分匮乏，其在实际荷载下的力学响应、破坏模式及长期耐久性尚未得到充分验证，限制了其在排水工程中的规模化应用。此外，传统钢筋混凝土管常面临钢筋锈蚀导致的结构劣化问题，如何通过材料改性提升GPC管的韧性与抗裂性，同时兼顾经济性与可持续性，成为亟待解决的技术难题。在此背景下，由Faisal Amin、Safeer Abbas、Rashid Hameed、Adeel Faisal及Muhammad Haseeb Alvi组成的研究团队，在《Eng》期刊发表研究，系统探究了掺加本地制备集束钢纤维的全尺寸GPC离心管的结构性能与经济性，旨在为可持续排水基础设施提供创新解决方案。

主要技术方法

研究人员选取内径450 mm、壁厚65 mm的全尺寸预制混凝土管为研究对象，采用工业化离心成型工艺制备试件。试验共设计4组管材：传统水泥混凝土管（RC1）、无纤维GPC管（GPC1）、掺20 kg/m³集束钢纤维GPC管（GPC1-SF20）及掺40 kg/m³集束钢纤维GPC管（GPC1-SF40），每组包含2个平行试件。GPC以本地燃煤电厂粉煤灰完全替代水泥，碱激发剂采用模数14的氢氧化钠（NaOH）溶液与硅酸钠（Na₂SiO₃）溶液，质量比为1.5。集束钢纤维由12根细钢丝螺旋缠绕而成，长度21 mm，通过本地加工制备。所有管材均采用相同配筋率的钢筋笼增强，成型后先进行21天水养，再转入喷淋养护至测试龄期。研究人员通过三点支承试验（Three-Edge Bearing Test, TEBT）评估管材的受外压性能，同步采集荷载-变形曲线与裂缝发展模式，并结合小尺寸试件的抗压、劈裂抗拉及抗折试验，系统分析纤维掺量对GPC管力学性能的影响。

研究结果

混凝土配合比性能：无纤维GPC与RC1的坍落度均为19 mm，满足离心工艺对低流动性混凝土的要求；掺加40 kg/m³集束钢纤维后，GPC坍落度下降10 mm，但仍可顺利成型。力学性能测试显示，GPC1的抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度分别为28.7 MPa、2.9 MPa与4.4 MPa，与RC1（30.5 MPa、3.1 MPa、4.7 MPa）接近；随纤维掺量增加，GPC1-SF20与GPC1-SF40的各项强度指标逐步提升，其中GPC1-SF40的抗压强度达35.8 MPa，较GPC1提升24.7%，表明集束钢纤维可有效改善GPC的脆性特征。

试验管材裂缝形态：RC1与GPC1的开裂模式相似，初始发丝裂缝出现在管内底与外顶，随荷载增加向侧点延伸，最终以受弯与径向拉伸复合破坏为主，裂缝呈少数几条主裂缝贯穿的形态。掺加集束钢纤维后，GPC管的裂缝分布显著改变：GPC1-SF20与GPC1-SF40在加载过程中均出现多条平行于管轴线的次生裂缝，裂缝间距缩小至30–100 mm，且纤维的桥接作用有效抑制了裂缝宽度扩展；GPC1-SF40的侧点裂缝出现时间晚于其他组别，未观察到径向裂缝，表现出更优的裂后延性。

受外压荷载-变形行为：各组管材的荷载-变形曲线均分为上升段与下降段。RC1与GPC1的初始刚度几乎一致，0.3 mm裂缝宽度对应的竖向变形分别为8.65 mm与8.70 mm，极限荷载下的变形分别为15.50 mm与16.10 mm。掺加纤维后，GPC管的初始刚度略有提升，GPC1-SF40在0.3 mm裂缝宽度下的变形为7.80 mm，极限变形达21.20 mm；下降段曲线斜率更平缓，表明纤维增强了管材的能量吸收能力。试验数据显示，RC1与GPC1的0.3 mm裂缝荷载与极限荷载分别为108 kN、150 kN和105 kN、147 kN，均满足ASTM C76 III级要求；GPC1-SF40的对应荷载提升至124 kN与181 kN，较GPC1分别提高18%与23%，达到ASTM C76 IV级标准。

经济性分析：GPC1因完全替代水泥，利用免费粉煤灰，单位成本略低于RC1；GPC1-SF20与GPC1-SF40因集束钢纤维本地供应不足导致成本上升，但随着纤维生产的规模化，成本有望降低。

讨论与结论

研究人员通过对比试验与理论分析指出，全尺寸GPC离心管的制备工艺与传统钢筋混凝土管兼容，无需对现有生产线进行重大改造，具备工业化推广的可行性。GPC1的结构性能与RC1相当，证明粉煤灰基地质聚合物混凝土可完全替代水泥用于排水管生产，显著降低隐含碳排放。集束钢纤维的掺入通过裂纹桥接效应提升了GPC管的抗裂性与极限承载力，40 kg/m³掺量即可实现强度等级从III级到IV级的跨越，为薄壁、高强预制管的设计提供了新思路。尽管当前纤维成本较高，但随着本地化供应链完善，其综合效益将进一步凸显。研究同时指出，GPC管在微生物腐蚀、长期服役性能等方面的数据仍需补充，未来需结合生命周期评价进一步明确其在极端环境下的适用性。该研究不仅验证了GPC管作为可持续排水基础设施材料的潜力，也为工业固废的高附加值利用提供了工程实践范例，对推动混凝土制品行业的低碳转型具有重要参考价值。