回收輪胎聚合物纖維混凝土性能試驗研究

陳 猛， 劉陽波， 陶云霄， 王 浩

(1.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819； 2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所， 北京 100038)

可持續(xù)發(fā)展是國際社會的關注重點，提高資源的回收利用率愈加受到人們重視.汽車行業(yè)的飛速發(fā)展產(chǎn)生了大量的廢舊橡膠輪胎，焚燒及填埋處理會污染空氣及土地資源，合理利用廢舊輪胎材料可以減輕環(huán)境負擔[1].

廢舊輪胎回收加工后產(chǎn)生大量的鋼纖維、橡膠顆粒和聚合物纖維(recycled tyre polymer fiber，RTPF).相關研究表明，將從廢舊輪胎中回收的鋼纖維加入混凝土，能夠大大增強混凝土的韌性[2]，橡膠顆粒可以改善混凝土的耐久性[3]；Baricevic等[4]將RTPF加入混凝土中，結果表明RTPF增強了混凝土的抗凍融能力.另外，RTPF可以降低混凝土的毛細吸水性，同時并不會明顯影響混凝土的可泵性和抗壓以及抗折強度[5].在混凝土材料中，RTPF吸收的水分不會在水化過程中全部釋放出來，可以減小混凝土自身收縮[6].承受動態(tài)沖擊荷載時，摻量為2.4 kg/m3的RTPF混凝土表現(xiàn)出最好的能量吸收作用[7].目前，RTPF對混凝土拌合物及基本力學性能的影響缺少系統(tǒng)的試驗研究，并且RTPF在混凝土中的作用機理需要進行科學分析.

國內(nèi)外研究表明聚丙烯纖維(polypropylene fiber，PPF)能夠有效抑制混凝土的塑性收縮、減少裂紋、增強抗折和抗拉強度[8-10].有機合成纖維的生產(chǎn)過程對環(huán)境污染較大，使用廢舊纖維可有效緩解環(huán)境壓力，RTPF混凝土與PPF混凝土基本力學性能的差別需要系統(tǒng)的試驗分析.本文設計素混凝土(F0)、4種摻量RTPF混凝土和1種摻量PPF混凝土，通過拌合物性能測試、基本力學性能試驗和微觀損傷機理分析，研究RTPF對混凝土基本力學性能的影響和作用機理.

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

水泥采用P.Ⅰ.42.5硅酸鹽水泥；細骨料為細度模數(shù)2.56的河砂，最大粒徑為4.75 mm；粗骨料為5～20 mm的碎石；減水劑為減水率38%的聚羧酸高效減水劑.RTPF和PPF如圖1所示.RTPF的直徑、強度和彈性模量由上海新纖儀器有限公司生產(chǎn)的纖維直徑分析儀(SGD-1A)和工程纖維強度伸度儀(XG-1A)檢驗，RTPF和PPF物理及力學性能見表1.

素混凝土(F0)配合比為:水泥550 kg，砂560 kg，石子1 128 kg，水154 kg，減水劑5.5 kg；RTPF摻量分別為1.2,2.4,4.8和9.6 kg(體積摻量分別約為0.1%,0.2%,0.4%,0.8%)，材料編號分別為RTPF12,RTPF24,RTPF48和RTPF96；PPF摻量為0.9 kg(體積摻量約為0.1%)，材料編號為PPF09.

圖1 RTPF和PPF圖

表1 纖維物理及力學性能

1.2 試件制備及試驗方法

按照配合比將水泥和骨料放入攪拌機中干拌，然后加入稱量好的水和減水劑攪拌不小于120 s，最后加入纖維攪拌至纖維分散均勻.將混凝土拌合物澆入模具并振搗密實，24 h后脫模并放入標準養(yǎng)護室(溫度(20±2)℃，相對濕度在95%以上).

按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[11]測試混凝土的坍落度和含氣量；按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[12]測試混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度；使用掃描電子顯微鏡(Ultra-plus SEM)觀察試件破壞后的纖維形貌，測試前在試件表面進行噴金處理，加速電壓為15 kV.

2 試驗結果及討論

2.1 混凝土拌合物性能

2.1.1 含氣量

混凝土拌合物含氣量如圖2所示.F0含氣量為1.88%.RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的含氣量分別比F0增加了11.2%,17.6%,27.1%,47.9%和28.2%.含氣量隨RTPF摻量增加而遞增，原因是纖維與漿體之間存在薄弱界面，為氣體進入提供更多通道，另外RTPF上附有橡膠顆粒，橡膠顆粒表面粗糙，很容易在攪拌過程中引入空氣[13].PPF09的含氣量與RTPF48相近，相同體積摻量(0.1%)下，PPF的引氣能力遠大于RTPF，這是由于PPF具有較強疏水性[14]，而RTPF為尼龍簾子布粉碎后的纖維，遇水后具有一定親水性[6].

圖2 混凝土拌合物含氣量

2.1.2 坍落度

混凝土的坍落度如圖3所示.F0坍落度為185 mm，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的坍落度分別比F0降低8.1%，18.9%，35.1%，62.2%和14.6%.PPF09的坍落度介于RTPF12和RTPF24之間，RTPF的摻量越大，混凝土拌合物的坍落度越低，這主要是因為RTPF和橡膠顆粒吸收了混凝土拌合物中的水分[7]，導致坍落度降低.

圖3 混凝土拌合物坍落度

2.2 抗壓強度

2.2.1 立方體抗壓強度

立方體抗壓強度(fcu)試驗采用150mm×150 mm×150 mm試件，不同材料在7 d和28 d的立方體抗壓強度如圖4所示.當養(yǎng)護齡期為7 d時，F(xiàn)0的立方體抗壓強度為42.1 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的立方體抗壓強度分別比F0降低3.6%，3.8%，8.3%，18.0%和2.1%.當養(yǎng)護齡期為28 d時，F(xiàn)0的立方體抗壓強度為67.3 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的立方體抗壓強度較F0分別降低2.2%，3.6%，4.3%，17.7%和5.8%，RTPF混凝土7 d和28 d的立方體抗壓強度隨纖維摻量增大而降低，這與文獻[4]和[5]的試驗結果趨勢一致；當RTPF摻量達到0.8%時，強度降低明顯，這主要是因為RTPF96含氣量較大，坍落度較小.同時，RTPF中含有的橡膠顆粒彈性模量較小，在壓應力作用下相對于混凝土變形大，會降低混凝土的立方體抗壓強度，文獻[3]和[13]的研究表明，混凝土立方體和軸心抗壓強度隨橡膠顆粒摻量增大而降低.PPF09在28 d 的立方體抗壓強度介于RTPF24和RTPF48之間，相同體積摻量(0.1%)下RTPF相比PPF對混凝土的抗壓強度影響較小.

2.2.2 軸心抗壓強度

軸心抗壓強度(fck)試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的試件，試驗結果如圖4所示.F0的軸心抗壓強度為58.5 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分別比F0降低1.9%，2.6%，8.4%，12.6%和1.0%，相同體積摻量(0.1%)的RTPF和PPF對軸心抗壓強度的影響相差不大.F0的強度比(軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值)為0.87，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的強度比分別為0.87，0.88，0.83，0.92和0.91，兩種纖維混凝土的強度比與F0相差不大.

圖4 抗壓強度隨纖維或橡膠顆粒摻量變化圖

2.3 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉試驗采150 mm×150 mm×150 mm試件，試驗結果如圖5所示.F0劈裂抗拉強度為4.83 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分別比F0提高3.3%，7.6%，7.0%，6.2%和4.7%.這是由于RTPF和PPF可以抑制混凝土的早期收縮，減少微裂紋的產(chǎn)生及擴展，并在混凝土中呈三維亂向分布，發(fā)揮橋接作用[4-6,15]，從而提高劈裂抗拉強度.但是隨RTPF摻量增加，混凝土內(nèi)部薄弱界面增多，拌合物工作性能變差，混凝土的劈裂抗拉強度降低.

拉壓比為劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比.F0拉壓比為7.17%，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分別比F0提高了5.72%，11.71%，11.74%，29.15%和11.29%，拉壓比隨RTPF摻量增大而增大，可見RTPF和PPF均可有效改善混凝土的脆性.

圖5 混凝土劈裂抗拉強度

2.4 抗折強度

抗折試驗采用100 mm×100 mm×400 mm試件，試驗結果如圖6所示.F0抗折強度為4.79 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分別比F0提高了3.5%，9.6%，7.3%，5.6%和 8.7%，RTPF混凝土抗折強度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢.RTPF摻量超過2.4 kg/m3時混凝土抗折強度下降，這是由于拌合物含氣量較大，坍落度較小，同時橡膠顆粒與混凝土之間的黏結界面抗拉性能較差，這與文獻[3]和[8]的研究結果相似.文獻[6]和[8]的試驗結果表明PPF對混凝土抗折強度具有增強作用.PPF比RTPF更長，能夠有效提高纖維的錨固長度[16]，故在相同體積摻量(0.1%)下，PPF提高混凝土抗折強度更為明顯.

圖6 抗折強度隨纖維或橡膠顆粒摻量變化圖

2.5 纖維作用機理分析

圖7為原始RTPF和混凝土破壞后掃描電子顯微鏡測試圖.圖7a中原始PPF端口整齊，圖7b中在混凝土破壞后PPF端口呈尖錐形，這表明纖維在混凝土破壞時被拉斷，同時部分纖維表面出現(xiàn)劃痕，表明纖維在破壞過程中被拔出基體發(fā)揮了橋連作用.圖7c為混凝土破壞后RTPF形貌，部分纖維表面有劃痕或破壞端口呈錐狀斜茬.RTPF表面的粗糙度比PPF大，可以有效提供與基體之間的黏結力，抑制混凝土的收縮并在斷裂過程中發(fā)揮橋連作用.

圖7 纖維掃描電子顯微鏡圖像

3 結 論

1) RTPF和PPF混凝土含氣量均高于F0，含氣量隨RTPF摻量增大而遞增，在相同體積摻量(0.1%)下，PPF的引氣能力大于RTPF；混凝土坍落度隨RTPF摻量升高而降低，體積摻量在0.1%～0.8%的RTPF混凝土坍落度比F0降低了8.1%～62.2%，PPF09坍落度介于RTPF12和RTPF24之間.

2) RTPF和PPF混凝土抗壓強度均低于F0且抗壓強度隨RTPF摻量增大而降低；RTPF體積摻量在0.4%范圍內(nèi)對立方體抗壓強度影響不大；體積摻量在0.1%～0.8%的RTPF混凝土軸心抗壓強度比F0降低了1.9%～12.6%，相同纖維體積摻量(0.1%)的RTPF和PPF對軸心抗壓強度的影響相差不大.

3) RTPF和PPF混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度均高于F0，劈裂抗拉強度和抗折強度隨RTPF摻量均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，RTPF體積摻量0.2%為最優(yōu)纖維摻量，其劈裂抗拉強度和抗折強度分別比F0提高7.6%和9.6%.

4) 混凝土破壞后RTPF形貌出現(xiàn)表面劃痕和端口拉斷，表明纖維從混凝土基體中拔出或發(fā)生受拉破壞，纖維與混凝土基體存在有效黏結力并發(fā)揮橋連作用.