橡膠粉對聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能和 微觀結(jié)構(gòu)的影響

莫金旭, 曾 磊, 郭 帆, 劉焱華, 項 勝

(長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

地震和極端環(huán)境作用所引起的振動,會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷甚至失效.目前,實際工程中多采用隔震、附設(shè)阻尼器等方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動控制,但忽視了建筑材料自身阻尼耗能的能力提升.比較而言,采用高阻尼建筑材料,能夠避免隔震減震設(shè)備安裝帶來的不便,具有更加廣泛的現(xiàn)實意義[1-3].

相關(guān)研究表明：聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber concrete,PFC)具有自重輕、韌性好、阻裂性好、耐腐蝕等優(yōu)點,在大量工程中得到了廣泛應(yīng)用[4-5].國內(nèi)外對PFC的研究,主要集中于基本力學(xué)性能[6-8]、沖擊性能[9]、凍融循環(huán)作用下力學(xué)性能[10]、高溫?fù)p傷機(jī)理等[11],對工程抗震所關(guān)注的阻尼耗能性能研究相對較少.橡膠作為一種黏彈性材料,將其加工成粉末摻入混凝土中,預(yù)期能夠有效提高混凝土的阻尼性能,減小結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的振動[12-13].目前,對橡膠混凝土的研究集中于單一摻入橡膠粉的混凝土力學(xué)性能研究[14-17],多種摻料條件下混凝土力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)的研究則較少,特別是對阻尼提高機(jī)理的研究較少.

本文采用復(fù)摻橡膠粉、聚丙烯纖維的技術(shù)途徑來提高混凝土材料阻尼性能,通過軸心抗壓試驗、自由衰減振動試驗和掃描電子顯微鏡(SEM)分析研究了外摻橡膠粉對PFC力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響,以期為外摻橡膠粉的PFC機(jī)理研究和工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料為碎石,最大粒徑為20mm;細(xì)骨料為天然河砂,砂率(質(zhì)量分?jǐn)?shù),文中涉及的砂率、水灰比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為0.4;水為標(biāo)準(zhǔn)飲用水,符合國家標(biāo)準(zhǔn);外加劑為SBTJM?-A萘系高效減水劑;微硅粉粒徑為115μm(125目),SiO2含量為95%;橡膠粉為廢舊輪胎加工,粒徑為380μm(40目);纖維為束裝單絲聚丙烯纖維,長度為6mm,具體性能指標(biāo)見表1.

表1 聚丙烯纖維性能Table 1 Properties of polypropylene fiber

1.2 混凝土配合比及生產(chǎn)工藝

混凝土目標(biāo)強(qiáng)度等級為C30,m(水泥)∶m(微硅粉)∶m(河砂)∶m(碎石)=1.00∶0.10∶1.92∶2.88,水灰比mW/mC=0.6.各配合比編號及相應(yīng)的纖維、橡膠粉摻量如表2所示,其中百分比指的是摻料占膠凝材料質(zhì)量的百分比.聚丙烯纖維采用外摻法,為了確保聚丙烯纖維在混凝土中均勻分散,采用如下工藝：首先將粗骨料洗凈晾干、細(xì)骨料篩分備用;然后將水泥和聚丙烯纖維按比例稱量后放入強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)攪拌,使水泥和聚丙烯纖維充分?jǐn)嚢杈鶆?無明顯可見成團(tuán)現(xiàn)象即可,再依次投入橡膠粉、微硅粉、細(xì)骨料、粗骨料、水、減水劑攪拌均勻;最后將攪拌好的混凝土倒入模具中,放置在振動臺上振搗均勻并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù).

表2 試件配合比Table 2 Mix proportions of specimens

1.3 試件設(shè)計及測量方法

圖1 橫、縱向應(yīng)變片F(xiàn)ig.1 Transverse and longitudinal strain gauges

圖2 懸臂梁配筋及錘擊振動示意圖Fig.2 Schematic diagram of cantilever beam reinforcement and hammering vibration(size:mm)

每個配合比均設(shè)計9個試件,包括3個尺寸為150mm×150mm×150mm的試件用于立方體抗壓試驗,3個尺寸為150mm×150mm×300mm的棱柱體試件用于軸心抗壓試驗,3根尺寸為80mm×80mm×1000mm的懸臂梁試件用于自由衰減振動試驗,共計90個.每個棱柱體試件,均粘貼橫、縱向應(yīng)變片(見圖1).懸臂梁試件截面如圖2所示,四角布置4根直徑為6mm的縱筋,箍筋為間距200mm,直徑為6mm,鋼筋均為HPB235級別.混凝土工作性能試驗參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,力學(xué)性能試驗參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,在100t液壓伺服壓力機(jī)上進(jìn)行,采用位移控制加載,加載速率為0.02mm/s.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 工作性能

圖3為混凝土拌和物坍落度.由圖3可見：(1)聚丙烯纖維摻量由0.4%增加至1.5%,拌和物坍落度降低約20%.主要原因在于聚丙烯纖維在拌和物中形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致摩擦阻力和剪切力增加;另一方面,部分自由水吸附在纖維上,使得拌和物漿體中自由水減少,致使拌和物流動性降低.(2)聚丙烯纖維摻量相同的情況下,摻入橡膠粉后拌和物坍落度降低約20%,主要原因在于橡膠粉的黏彈性和孔隙吸水作用,影響了骨料在拌和物中的流動和沉降.

圖3 不同摻料對混凝土拌和物坍落度的影響Fig.3 Effect of different admixtures on slump of concrete

2.2 立方體抗壓試驗

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的立方體試件進(jìn)行連續(xù)均勻加荷,測得其抗壓強(qiáng)度fc(見圖4).由圖4可見：(1)聚丙烯纖維摻量由0.4%增加至0.8%時,fc下降較為平緩,下降約2.1%;摻量由0.8%增加至1.2%時,fc下降約20.8%;摻量由1.2%增加至1.5%時,fc提高約6.5%.綜上分析,聚丙烯纖維對于fc的影響并不明顯,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[18]一致.(2)摻入橡膠粉后,不同聚丙烯纖維摻量fc變化趨勢相同,都下降了16%～25%.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：(1)聚丙烯纖維在混凝土中的分散程度影響了混凝土的密實性,減弱了骨料與漿體之間的黏結(jié)力,導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度不穩(wěn)定.(2)橡膠顆粒分散在骨料與漿體之間,影響了骨料與漿體的黏結(jié)性能,導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度下降.

圖4 橡膠粉對試件立方體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of rubber powder on cubic compressive strength of specimens

圖5為試件破壞時裂縫處聚丙烯纖維的狀態(tài).可以看出,隨著聚丙烯纖維的增加,裂縫處聚丙烯纖維承擔(dān)了部分拉應(yīng)力,限制了裂縫的開展,試件裂縫寬度減小,且多條裂縫貫通現(xiàn)象明顯減少.

圖5 試件破壞時裂縫處纖維受力狀態(tài)Fig.5 Fiber stress state at the crack of specimen at the time of failure

2.3 棱柱體軸心抗壓試驗

2.3.1破壞形態(tài)

在試件加載初期,試件表面無明顯可見微裂縫;荷載逐漸增大,試件表面出現(xiàn)少許微裂縫,此時分散的微裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)且未出現(xiàn)貫通裂縫;荷載增大至峰值荷載的85%時,微裂縫寬度和數(shù)量急劇增加,微裂縫貫通形成通縫,但是由于聚丙烯纖維的存在,限制了寬度的發(fā)展,裂縫寬度很小;增大至峰值荷載后,裂縫迅速貫通形成較大通縫.棱柱體試件破壞過程中,各試件破壞過程大致相同,但裂縫寬度有明顯區(qū)別.部分試件破壞形態(tài)如圖6所示.

圖6 棱柱體試件受壓破壞形態(tài)Fig.6 Failure mode of prismatic specimen under compression

2.3.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7為PFC應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線,表3列出了各組配合比試件峰值應(yīng)變(εc)和峰值應(yīng)力(σc)值,其中PFC-1組由于試驗失誤，只采集到2條曲線.綜合分析可知：(1)與普通混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比,PFC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段更加平緩,殘余強(qiáng)度更大,延性更好.(2)隨著聚丙烯纖維摻量的增加,PFC峰值應(yīng)變增加.摻量在0.4%～1.0%時,峰值應(yīng)變增長5%左右,當(dāng)摻量大于1.0%后,峰值應(yīng)變增長在2%左右.主要是因為聚丙烯纖維在混凝土中有效抑制裂縫的開展、承擔(dān)部分拉應(yīng)力,使得混凝土自身變形能力增強(qiáng)、塑性能力提高.(3)摻入橡膠粉后,PFC峰值應(yīng)力降低18%左右,峰值應(yīng)變增加17%左右.主要因為橡膠粉作為一種彈性單元存在于骨料與漿體之間,因為橡膠粉沒有參與水化反應(yīng),沒有形成密實的黏結(jié)界面,所以導(dǎo)致峰值應(yīng)力下降.但是在加荷過程中橡膠顆粒通過自身的收縮和膨脹吸收部分能量,增大了混凝土變形能力,提高了混凝土延性.

圖7 不同配合比下標(biāo)準(zhǔn)齡期試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of standard age specimens at different mix proportion

表3 標(biāo)準(zhǔn)齡期棱柱體試件峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力Table 3 Peak strain and peak stress of standard age prismatic specimen

2.3.3無量綱化PFC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對實測PFC應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行無量綱化處理,橫坐標(biāo)用ε/εc表示,縱坐標(biāo)用σ/σc表示,結(jié)果如圖8所示.由圖8可見：各試件的上升段基本一致,但峰值應(yīng)力后的下降段離散性較大.與普通混凝土相比,雙摻聚丙烯纖維和橡膠粉后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段較為平緩,說明聚丙烯纖維能在一定程度上抑制混凝土裂縫的開展,橡膠粉的黏彈性性質(zhì)有效提高了混凝土的變形性能.

圖8 無量綱化應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Nondimensionlizational stress-strain curves

2.3.4彈性模量

取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的原點至40%峰值荷載的割線模量作為混凝土彈性模量E0,與峰值彈性模量Ec作比較，結(jié)果如圖9所示.

圖9 彈性模量Fig.9 Elastic modulus

由圖9可見：隨著聚丙烯纖維含量的增加,PFC彈性模量逐漸減小,在聚丙烯纖維摻量達(dá)到1.5%時較0.4%時，彈性模量約下降10%;加入橡膠粉后,PFC強(qiáng)度降低同時彈性模量也相應(yīng)降低約14%.主要原因在于：(1)摻入聚丙烯纖維,相當(dāng)于在混凝土基體中引入許多細(xì)窄通道,減小了試件受壓面積,進(jìn)而影響了彈性模量.(2)摻入橡膠粉后,漿體與骨料之間將存在大量細(xì)小橡膠彈性體,增加了水泥漿體的彈性,彈性模量降低.(3)根據(jù)復(fù)合材料理論,聚丙烯纖維和橡膠粉的彈性模量比普通混凝土小,雙摻聚丙烯纖維、橡膠粉后形成3相復(fù)合材料,其彈性模量將小于普通混凝土.

2.3.5泊松比

通過橫、縱向應(yīng)變片實測混凝土泊松比(γ),結(jié)果如圖10所示.

圖10 泊松比Fig.10 Poisson’s ratio

由圖10可知：(1)PFC泊松比介于0.18～0.22之間,與普通混凝土相差不大；隨著聚丙烯纖維摻量的增加,泊松比呈下降趨勢,說明聚丙烯纖維的加入增強(qiáng)了棱柱體橫向變形的能力.(2)在加入橡膠粉后,泊松比略微增加,主要是因為橡膠粉削弱了骨料與基體之間的黏結(jié),使得橫向變形能力減弱.

2.3.6棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度換算

表4為棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度fcu和立方體試件抗壓強(qiáng)度fc實測值,兩者比值在0.90左右.由表4可見：纖維摻量對立方體、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度的影響基本一致：與纖維摻量為0.4%的試件相比,纖維摻量為0.8%的試件,其立方體、棱柱體峰值應(yīng)力下降均為2.1%,纖維摻量為1.0%的試件下降7.7%、6.9%,纖維摻量為1.2%的試件下降14.0%、15.0%,纖維摻量為1.5%的試件下降10.0%、10.1%.

2.4 自由衰減振動試驗

采用自由衰減振動試驗測試懸臂梁試件無損傷狀態(tài)下的阻尼比.通過固定裝置將懸臂梁一端固定,懸臂端長850mm,加速度傳感器距離端部50mm處,荷載作用點距離端部150mm.用橡膠錘輕擊加載點,使懸臂梁產(chǎn)生自由振動.懸臂梁的自由衰減振動主要以一階振型為主,通過設(shè)置在懸臂梁端部的加速度傳感器,采集如圖11所示的自由衰減加速度時程曲線,采用式(1)計算可得懸臂梁一階阻尼比ξ.

表4 聚丙烯纖維摻量不同的棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度對比Table 4 Comparison of prisms and cubes compressive strength with different polypropylene fibers

(1)

式中：ai、ai+n分別為自由衰減振動中第i、i+n個周期的加速度峰值，m/s2.

圖11 加速度時程曲線Fig.11 Acceleration time history curve

各懸臂梁試件一階阻尼比結(jié)果如圖12所示,數(shù)據(jù)為同組3個試件的平均值.由圖12可見：隨著聚丙烯纖維摻量的增加,試件一階阻尼比呈上升趨勢,當(dāng)聚丙烯纖維摻量由0.4%增加至1.5%時,阻尼比提高約60%;橡膠粉的摻入也改善了混凝土的阻尼性能,摻入4.5%的橡膠粉后試件阻尼比提高14.4%,且當(dāng)聚丙烯纖維摻量為1.5%時提高效果最顯著.分析可知：(1)在自由振動過程中,聚丙烯纖維與骨料、漿體間的界面摩擦是耗散能量的主要原因.隨著聚丙烯纖維摻量的增加,纖維在混凝土內(nèi)通過界面摩擦耗散能量越多,阻尼性能提升越明顯.(2)橡膠顆粒作為一種良好的彈性單元,通過自身收縮-膨脹、與漿體和骨料之間的摩擦吸收部分能量.不僅增大了混凝土變形能力,而且大幅提高了混凝土阻尼性能.

圖12 懸臂梁試件一階阻尼比Fig.12 First order damping ratio of cantilever beam specimen

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

采用JSM-IT300型SEM觀察混凝土試件界面斷口形貌及微觀結(jié)構(gòu).圖13為試件PFC-6在35、200、500、1000倍時所觀測到的水化28d后的界面SEM照片.由圖13可見：聚丙烯纖維、微硅粉、橡膠粉與硅酸鹽混凝土表面結(jié)合形成復(fù)合混凝土界面區(qū),各種材料形成一個整體,其中連續(xù)塊狀物C-S-H凝膠相互交織,存在少許片狀晶體為Ca(OH)2,還有少量未水化水泥球狀顆粒.聚丙烯纖維在混凝土中呈亂向三維分布,很好地抑制了混凝土裂縫的開展和水泥水化過程中由于干燥、化學(xué)等收縮引起的裂縫擴(kuò)展.同時聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)體系后,使得混凝土試件的受拉能力、韌性得到了提升.從圖13(a)中可以清楚看到,表面存在橡膠粉脫落后留下來的孔洞,這是橡膠粉加入后導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度明顯降低的原因.另一方面,橡膠粉的填充、黏彈性行為改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),提高骨料界面之間的摩擦損耗,有效提高了混凝土阻尼性能.圖13(b)～(d)為某一局部裂縫的梯度放大,此時微裂縫存在,但寬度較小,并未貫通,因此聚丙烯纖維還在混凝土防滲方面起積極作用.

在宏觀力學(xué)性能方面：聚丙烯纖維本身屬于有機(jī)纖維,有機(jī)纖維與水泥漿體之間的黏結(jié)性能較差,聚丙烯纖維處于拔出狀態(tài)(圖13(a)).隨著聚丙烯纖維的增加,纖維在基體內(nèi)的平均間距逐漸縮小,導(dǎo)致纖維之間出現(xiàn)交叉、搭接、重疊等現(xiàn)象,降低了骨料、漿體、纖維之間的黏結(jié),進(jìn)而影響了抗壓強(qiáng)度.另外,纖維在混凝土中形成的孔徑介于100～200nm的有害孔也是導(dǎo)致PFC立方體與棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度下降的原因.橡膠粉的摻入能填充部分空隙,改善界面行為,但橡膠顆粒占據(jù)的孔隙以及脫落后形成的孔洞則成為PFC抗壓強(qiáng)度下降的主要原因.

圖13 PFC-6斷口微觀形貌Fig.13 Microscopic morphology of interface of PFC-6

3 結(jié)論

(1)聚丙烯纖維分散程度影響混凝土密實性,導(dǎo)致骨料與漿體之間黏結(jié)力減弱,但其對抗壓強(qiáng)度的影響不顯著.橡膠粉在骨料與漿體之間占據(jù)部分體積,影響了黏結(jié)性能,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降.雙摻聚丙烯纖維和橡膠粉后,混凝土坍落度減小,保水性提高,彈性模量減小,棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度之比約為0.90,泊松比在彈性穩(wěn)定階段，介于0.18～0.22之間.

(2)與普通混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比,雙摻聚丙烯纖維和橡膠粉的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段更加平緩,殘余強(qiáng)度更大,延性更好;相較于聚丙烯纖維,摻入橡膠粉對混凝土延性的提高更顯著.

(3)橡膠粉的摻入弱化了骨料與漿體之間的黏結(jié)界面,導(dǎo)致混凝土受壓峰值應(yīng)力下降,但另一方面,橡膠粉的填充行為和本身的黏彈性行為改善了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和界面之間的摩擦損耗,能有效提高混凝土阻尼性能,且在聚丙烯纖維摻量為1.5%時提高最顯著.