废弃预浸碳布纤维增强混凝土的弯曲性能实验与数值模拟研究：可持续建筑材料的创新路径

为解决碳纤维增强聚合物(CFRP)废弃物处理难题及提升混凝土力学性能，研究人员开展预浸碳布废料(SPCCW)纤维增强混凝土的弯曲性能研究。通过实验与有限元分析(FEA)结合，发现1.0%纤维掺量下抗弯强度提升24.9%，揭示纤维通过应力重分布延缓裂纹扩展的机制，为建筑废弃物资源化利用提供新思路。

　　

随着全球建筑行业对高性能混凝土需求的增长，传统混凝土材料在抗拉强度和抗裂性能方面的固有缺陷日益凸显。碳纤维增强聚合物(CFRP)因其卓越的强度重量比和耐腐蚀性，在航空航天等领域广泛应用，但其生产过程中产生的预浸碳布废料(PCCW)却面临严峻的环境挑战。常规的焚烧和填埋处理方式因环保法规限制而逐渐被淘汰，如何实现这类高价值废弃物的资源化利用成为亟待解决的课题。

在此背景下，中国的研究团队创新性地将机械加工后的废弃预浸碳布纤维(SPCCW)应用于混凝土增强领域。通过系统的实验研究和数值模拟，揭示了SPCCW纤维对混凝土力学性能的改善机制，相关成果发表在《Materials Today Sustainability》上。

研究采用C40级混凝土为基体，通过高速粉碎工艺将PCCW加工成长度5-40mm、直径0.1-1mm的SPCCW纤维，设置0.5%-2.0%四种体积分数进行对比。三点弯曲试验结合有限元分析(FEA)评估了材料的弯曲性能，采用Visco-polymerization开裂模型模拟粘性裂纹扩展，并应用混凝土塑性损伤(CDP)模型捕捉材料在拉压应力下的非线性行为。

在"实验弯曲性能"部分，研究通过标准化的三点弯曲试验发现：纤维掺量显著影响混凝土的力学响应。当SPCCW含量为1.0%时，抗弯强度达到峰值5.96MPa，较基准组提升24.9%。荷载-挠度曲线显示，纤维的加入不仅提高了峰值荷载，还增大了破坏位移，表明材料韧性得到改善。断面分析揭示，纤维通过"拉断"和"拔出"两种机制共同作用，有效桥接裂纹并重新分布应力。

"数值模拟"章节详细阐述了有限元模型的建立过程。研究人员创新性地采用三维随机分布算法模拟纤维的空间排布，结合扩展有限元法(XFEM)处理强不连续问题。模拟结果与实验数据高度吻合，最大误差仅1.9%，验证了模型的可靠性。应力云图显示，1.0%纤维掺量时混凝土承受的最大主应力能力最强，这与实验结果相互印证。裂纹发展模拟再现了实验中观察到的"之字形"扩展路径，证实了纤维对裂纹偏转的引导作用。

研究得出多项重要结论：SPCCW纤维的最佳掺量为1.0%，此时抗弯强度提升24.9%；纤维通过应力重分布和裂纹桥接机制延缓破坏进程；超过最优掺量后，工作性下降导致的密实度降低会抵消纤维增强效果。这些发现不仅为CFRP废弃物的高值化利用提供了技术路径，也为开发可持续建筑材料提供了理论依据。

该研究的创新性体现在三个方面：首次系统评估SPCCW纤维对混凝土弯曲性能的影响；建立了考虑纤维随机分布的高精度有限元模型；提出了基于废弃物特性的最优纤维掺量设计方法。未来研究可进一步探索SPCCW增强混凝土在动态荷载和复杂环境下的长期性能，推动这类绿色材料在实际工程中的应用。