硅粉對(duì)纖維橡膠再生混凝土抗壓性能影響試驗(yàn)

謝建和++李自堅(jiān)++孫明煒

摘要：以普通混凝土和橡膠再生混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)摻入硅粉和纖維材料研究強(qiáng)化環(huán)保型混凝土抗壓性能的方法。用再生混凝土100%等體積代替粗骨料，用橡膠顆粒20%等體積代替細(xì)骨料，內(nèi)摻10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）或外摻3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硅粉以及摻入聚丙烯纖維或鋼纖維，制備了4組12個(gè)混凝土立方體試件，通過(guò)軸壓試驗(yàn)研究了混凝土試件的破壞模式、抗壓強(qiáng)度和工作性能。結(jié)果表明：與單一摻入硅粉相比，硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入能進(jìn)一步強(qiáng)化混凝土的抗壓性能；硅粉的摻入可以強(qiáng)化漿體與橡膠顆粒間的界面性能，提高鋼纖維橡膠再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；硅粉和纖維材料對(duì)混凝土的工作性能有負(fù)作用，其復(fù)合摻入時(shí)建議采用適量的減水劑。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；硅粉；橡膠；聚丙烯纖維；鋼纖維；抗壓性能

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)資源消耗大國(guó)，每年都產(chǎn)生大量的固體廢棄物，如建筑垃圾、廢舊橡膠、鋼渣等，各種自然災(zāi)害也會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。如何有效循環(huán)利用這些固體廢棄物，既減輕環(huán)境污染，又節(jié)省原材料的消耗，是城市可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)研究課題。目前，利用廢棄混凝土進(jìn)行破碎、清洗、分級(jí)后重新形成的骨料來(lái)制備混凝土是應(yīng)用較廣的再生技術(shù)[1]。另外，利用廢棄輪胎橡膠取代部分混凝土骨料也是一種流行的環(huán)保手段，其原因有2個(gè)：一是大量的廢棄橡膠已經(jīng)成了廣為人知的環(huán)境問(wèn)題；二是橡膠能夠吸收大量的應(yīng)變能，大大提高混凝土的動(dòng)力性能[2]。因此，橡膠再生混凝土是一種富有發(fā)展前景的環(huán)保建筑材料。

現(xiàn)有研究表明，與天然骨料相比，再生骨料和橡膠骨料均會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。Xiao等[1]收集了近年的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生粗骨料替代率不超過(guò)30%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度變化并不明顯，但替代率為100%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降約為10%～25%。至于橡膠，通常是以細(xì)顆?；蚍蹱畲婊炷良?xì)骨料。AlTayeb等[3]、Valadares等[4]、Fonseca等[5]先后對(duì)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示當(dāng)混凝土中橡膠的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)明顯下降。為了提高混凝土抗壓性能，摻入硅粉是一種非常有效的處理方法。大量研究表明，摻入硅粉能夠增加再生混凝土的密實(shí)度，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[68]。然而，關(guān)于硅粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，現(xiàn)有的研究缺少對(duì)外摻和內(nèi)摻2種方法的對(duì)比，尚未見關(guān)于外摻和內(nèi)摻硅粉對(duì)橡膠再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究報(bào)道。另外，為了提高混凝土的抗折和抗沖擊性能，在混凝土中加入高韌性材料是一種非常不錯(cuò)的選擇[9]，比如摻入鋼纖維[1011]或聚丙烯纖維（PPF）[12]等材料。

本文擬以橡膠顆粒代替細(xì)骨料，再生混凝土代替粗骨料，通過(guò)外摻PPF或鋼纖維，內(nèi)摻或外摻硅粉，對(duì)該類環(huán)保型混凝土的抗壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討不同硅粉摻入方式、不同纖維類型對(duì)該類混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并初步探明其破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)采用石井水泥廠生產(chǎn)的42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥。天然骨料采用花崗巖碎石，再生骨料采用深圳市綠發(fā)鵬程環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的骨料。再生骨料和天然骨料均采用粒徑為5～10 mm和10～20 mm的骨料，按1∶1混合而成，且均為連續(xù)級(jí)配，其吸水率分別為2.1%和0.9%。天然細(xì)骨料采用連續(xù)級(jí)配、密度為2.69 g·cm-3、細(xì)度模數(shù)為2.52、吸水率為0.8%的粗河砂。試驗(yàn)用水為飲用自來(lái)水。PPF為河北廊坊防火保溫密封材料有限公司生產(chǎn)，其基本性能見表1。鋼纖維采用衡水橡膠城提供的剪切波浪型纖維，其是由普通鋼板剪切并經(jīng)壓制成型，長(zhǎng)度為32 mm，長(zhǎng)徑比為45，抗拉強(qiáng)度為800 MPa。硅粉為成都東藍(lán)星科有限公司生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。減水劑采用廣東省江門強(qiáng)力建材科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，其技術(shù)指標(biāo)見表3。橡膠顆粒直徑范圍為0.85～1.40 mm，密度為1.05 g·cm-3，熔點(diǎn)為170 ℃。圖1為橡膠顆粒、鋼纖維、再生骨料和硅粉的外觀形態(tài)。

1.2 試驗(yàn)裝置

本文研究是在MATEST C088O1材料壓縮試驗(yàn)機(jī)上實(shí)施軸壓試驗(yàn)，采用力控制模式，加載速度為0.5 MPa·s-1，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

本文研究的所有試件均在養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。軸壓試驗(yàn)中，普通混凝土試件和其他組試件分別加載至峰值后降至峰值荷載的20%和40%停止加載，立方體抗壓強(qiáng)度如表4所示。

2.1 破壞模式

在軸壓過(guò)程中，普通混凝土試塊中部的表層首

與普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纖維混凝土在加載接近峰值荷載時(shí)，裂縫數(shù)量更多，但裂縫寬度更小。當(dāng)荷載降至峰值的20%時(shí)，試件未見混凝土脫落，表面保持完整。在荷載從峰值的20%降至峰值的40%過(guò)程中，表層的混凝土開始外鼓，但試件最終裂而不碎，沒有出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象。圖4為硅粉聚丙烯纖維混凝土承受軸壓后搗開的破壞形態(tài)。與普通混凝土相似，硅粉聚丙烯纖維混凝土的受壓破壞斷面主要出現(xiàn)在天然粗骨料與砂漿的粘結(jié)面。值得提出的是，硅粉聚丙烯纖維混凝土出現(xiàn)了一定數(shù)量的天然粗骨料被劈裂的現(xiàn)象；聚丙烯纖維既出現(xiàn)被拔出的現(xiàn)象，也出現(xiàn)被拔斷的現(xiàn)象（圖4）。這說(shuō)明硅粉的摻入較大提高了粗骨料與砂漿粘結(jié)面的強(qiáng)度，導(dǎo)致部分粗骨料破壞。另外，聚丙烯纖維的存在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能，使得混凝土破壞時(shí)表面更加平整。

硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土的破壞過(guò)程與硅粉聚丙烯纖維混凝土相似，破壞后兩者的表面均保持較完整，但后者的裂縫數(shù)量更少，裂縫寬度更小。這主要是因?yàn)榫郾├w維細(xì)長(zhǎng)，且與混凝土粘結(jié)良好，在混凝土內(nèi)部起串連作用，而鋼纖維雖強(qiáng)度更高，但其與再生混凝土粘結(jié)不好，導(dǎo)致混凝土破壞后內(nèi)部更為松散，如圖5（a）所示。對(duì)于硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土，試塊的破壞斷面主要是再生粗骨料與砂漿的粘結(jié)面，但是也出現(xiàn)一定數(shù)量再生粗骨料被劈裂的現(xiàn)象，磚塊被劈裂的現(xiàn)象較為明顯，見圖5（b）；混凝土中的鋼纖維均是被拔出，未見被拔斷的現(xiàn)象。從本文研究試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，無(wú)論是鋼纖維還是聚丙烯纖維，它們摻入混凝土一定程度上抑制了裂縫的擴(kuò)展，混凝土基體并沒有明顯的剝落現(xiàn)象，混凝土試件表面均能保持較完整。這表明混凝土在受壓過(guò)程中，纖維有效地減少了裂縫尖端的應(yīng)力集中，起到了耗散破壞能量的作用，增加了混凝土的延性。值得提出的是，與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在混凝土中的粘結(jié)性能更好。

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖6為各組混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度之比。從圖6可見，與普通混凝土相比，內(nèi)摻和外摻硅粉的橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了31.4%和20.6%。這一方面是因?yàn)樵偕止橇媳旧淼亩嗫仔?、?qiáng)度低以及其破碎過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)損傷等原因，另一方面是因?yàn)橐约?xì)骨料身份摻入的橡膠顆粒具有較強(qiáng)的憎水性和較大的孔隙率，致使其與膠凝材料沒有粘結(jié)牢固，降低混凝土密實(shí)性，導(dǎo)致橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低[13]。

為了分析硅粉對(duì)橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，圖7給了本次試驗(yàn)和本課題組[14]前期沒摻硅粉的試驗(yàn)結(jié)果。從圖7可以看出，隨著橡膠摻量的增加，橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨之下降。與同批次的普通混凝土相比，沒摻硅粉、橡膠替代率為16%的混凝土抗壓強(qiáng)度下降了40%，而內(nèi)摻10%硅粉、橡膠替代率為20%的混凝土抗壓強(qiáng)度只下降了31%。由圖7的變化趨勢(shì)可推測(cè)，內(nèi)摻10%硅粉至少能給橡膠替代率為20%的橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度帶來(lái)15%的提高，而外摻3%硅粉則能進(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度，其增幅約為26%。由此可見，摻入硅粉是提高橡膠鋼纖維再生混凝土抗壓性能的有效方法。究其原因，硅粉的摻入不僅改善了硬化水泥漿體與粗骨料間的粘結(jié)界面，而且硅粉顆粒散布在橡膠顆粒表面，改善了漿體與橡膠顆粒間的界面，增強(qiáng)其粘結(jié)強(qiáng)度。另外，與內(nèi)摻法相比，外摻法的膠凝材料總質(zhì)量多于內(nèi)摻法的膠凝材料，而且外摻法的水泥含量多于內(nèi)摻法，產(chǎn)生的水泥水化物也更多，硅粉與其反應(yīng)更加充分，更有效地產(chǎn)生CSH溶膠。因此，外摻法相比內(nèi)摻法能更有效提高橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。然而在經(jīng)濟(jì)性上，內(nèi)摻法更加節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

另外，從圖6可以看出，與普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了38%。吳建華等[12]利用與本試驗(yàn)相同含量的硅粉和聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土進(jìn)行強(qiáng)化，試驗(yàn)結(jié)果顯示強(qiáng)化后再生混凝土抗壓強(qiáng)度的提高率達(dá)到了30%。對(duì)于普通混凝土，許多試驗(yàn)已經(jīng)表明，內(nèi)摻10%硅粉時(shí)，其抗壓強(qiáng)度提高率約為20%[7，15]。由此可見，硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入無(wú)論對(duì)天然混凝土還是再生混凝土的抗壓性能都有很好的強(qiáng)化作用，比單摻硅粉更強(qiáng)。這一方面是因?yàn)榫郾├w維亂向分布的摻入，形成了立體骨架，改善了混凝土的延性，阻止了微裂縫擴(kuò)展，增強(qiáng)其抗裂性能[16]；另一方面硅粉的火山灰效應(yīng)和微填充效益改善了水泥漿體與骨料的界面性能，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性和與纖維的粘結(jié)性能。兩者相輔相成，取得了較單摻其中任一種材料更好的改性效果。

2.3 塌落度

圖8為各組混凝土的塌落度。從圖8可以看出，硅粉聚丙烯纖維混凝土的塌落度較普通混凝土下降30 mm，工作性能最差。這一方面是因?yàn)閮?nèi)摻硅粉較多，硅粉顆粒較水泥顆粒要小很多，其吸水量比水泥顆粒要大；另一方面是因?yàn)榫郾├w維亂向分布，形成立體骨架，兩者的共同作用，導(dǎo)致了塌落度的下降。再生骨料有較強(qiáng)的吸水性，所以本文試驗(yàn)根據(jù)再生骨料的吸水率補(bǔ)充了附加水。與普通混凝土相比，內(nèi)摻10%和外摻3%硅粉的橡膠鋼纖維再生混凝土的塌落度則分別下降了20 mm和0 mm。硅粉和鋼纖維對(duì)再生混凝土塌落度有負(fù)作用，而橡膠是憎水材料，它起到了滾珠的作用，使得硅粉橡膠鋼纖維再生混凝土中的游離水增加。因此，橡膠抵消了硅粉和鋼纖維部分的負(fù)作用，增加其塌落度。由此可見，硅粉和纖維材料在混凝土的復(fù)合摻入時(shí)還需特別考慮其工作性能，控制其水灰比或調(diào)整減水劑的用量都是不錯(cuò)的選擇。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）硅粉和聚丙烯纖維或鋼纖維的復(fù)合摻入能明顯提高混凝土抗壓的延性。與鋼纖維相比，聚丙烯纖維在混凝土中的粘結(jié)性能更好。

（2）硅粉和聚丙烯纖維的復(fù)合摻入無(wú)論對(duì)天然混凝土還是再生混凝土的抗壓性能都有很好的強(qiáng)化作用。

（3）內(nèi)摻10%硅粉能給橡膠替代率為20%的橡膠鋼纖維再生混凝土的抗壓強(qiáng)度帶來(lái)15%以上的提高，而外摻3%硅粉則能提高同類混凝土抗壓強(qiáng)度的26%。

（4）硅粉和纖維材料的復(fù)合摻入會(huì)明顯降低混凝土的塌落度，橡膠顆粒的存在可以抵消它們部分的負(fù)作用，建議調(diào)整水灰比或減水劑用量來(lái)改善其工作性能。

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