基于正交法劍麻纖維-橡膠混凝土力學性能試驗

陳彩芹，宗 翔

安徽理工大學土木建筑學院,安徽淮南,232000

隨著汽車行業(yè)迅速發(fā)展，大量廢棄輪胎對環(huán)境造成污染，如何利用“黑色金礦”[1-2]是當前急需解決的難點問題。目前研究大部分是在橡膠混凝土中加入纖維材料來彌補或增強橡膠混凝土的性能。莫金旭等[3]通過復摻橡膠粉和聚丙烯纖維進行研究，試驗表明橡膠粉的摻入提高了PFC的阻尼性能,且在聚丙烯纖維摻量為1.5%時提高最顯著；楊晨晨等[4]通過試驗表明玄武巖纖維對橡膠混凝土的抗壓強度的影響先增大后減小,當摻量為2.0 kg/m3時,有助于提升混凝土抗壓強度；李征等[5]試驗表明鋼纖維在一定程度上改善了混凝土的脆性,對橡膠混凝土力學性能有所提升；Steyn等[6]通過研究表明塑料、橡膠、玻璃降低了混凝土的可工作性，增加了空氣含量，玻璃提高了混凝土的機械性和耐久性；Md.Shahjalal等[7]研究表明含有30% RCA、5% CR和0.5% PP纖維的橡膠混凝土梁具有更高的彈性、延展性和韌性。

劍麻纖維是植物纖維中的一種 ,具有質地堅硬、拉伸強度高、耐海水腐蝕等諸多特性。正交試驗設計是利用標準化的正交表安排試驗方案，以達到減少試驗次數(shù)仍能確定優(yōu)化方案的一種方法[8]。本文采用三因素三水平正交試驗確定了劍麻纖維最佳長度和最佳摻量范圍，為后續(xù)繼續(xù)研究劍麻纖維-橡膠混凝土力學性能提供一定的借鑒。

1 試 驗

1.1 試驗原料

(1)水泥。采用淮南海螺水泥有限責任公司生產的海螺牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成分如表 1,各項性能指標滿足規(guī)范要求。

表1 水泥的化學成分

(2)砂。采用淮河中砂，細度模數(shù)為2.7，堆積密度為1 450 kg/m3,表觀密度為2 580 kg/m3。

(3)石子。選用粒徑為5～16 mm連續(xù)級配的瓜子片碎石，各項性能滿足規(guī)范要求。

(4)水?；茨鲜凶詠硭?。

(5)橡膠。選用1～3 mm的橡膠顆粒，試驗采用等體積取代細集料的方法摻入橡膠顆粒,試驗前橡膠顆粒處于密封、干燥的狀態(tài)。

(6)劍麻纖維。選用廣西劍麻公司生產的劍麻纖維，采用3種纖維長度，分別是15 mm、30 mm、45 mm，各項物理性質見表2。

表2 劍麻纖維的物理性質

1.2 材料處理

采取的預處理方法不同對提高橡膠混凝土的力學性能影響程度不同，且橡膠摻量越小，粒徑越大，處理方式對橡膠混凝土基本性能影響越明顯[9]。本文選用清水清洗對橡膠進行預處理，將橡膠顆粒在清水中浸泡24 h后撈出清洗干凈后晾干備用；劍麻纖維用質量分數(shù)1%的NaOH溶液充分浸泡30 min后用大量清水沖洗至PH為中性，陰干后密封保存。采用此溶液浸泡，一是為了除去劍麻纖維表面的雜質比如果膠、植物脂類等，提升纖維素含量；二是使纖維的黏著面積大大增加，增加了界面強度，使得纖維材料本身的力學性能明顯增強[10]。

1.3 試驗設計

本試驗主要考慮的因素有A橡膠摻量(5%、10%、15%)、B劍麻纖維摻量(2.4 kg/m3、4.8 kg/m3、7.2 kg/m3)、C劍麻纖維長度(15 mm、30 mm、45 mm)等。取9組配合比，參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55-2011)[11]，基準混凝土配合比設計強度為C35，其中水泥∶水∶石子∶砂配比為1∶0.54∶3.0∶1.62。1 m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比

1.4 試件制作及試驗方法

本試驗抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗時間的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件澆筑完24 h后拆模，在標準條件下養(yǎng)護28 d，試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[12]進行。為保證劍麻纖維在混凝土中分散均勻，投料時先加入石子和沙子等骨料攪拌30 s,再加入劍麻纖維充分攪拌2 min,利用粗細骨料將混合在混凝土中的纖維打散，再加入剩余的干料攪拌30 s,最后加入水攪拌30 s，結束后裝入模具振搗抹平。

1.5 試驗現(xiàn)象

在混凝土攪拌過程中，隨著橡膠顆粒的增多，混凝土拌合物流動性有所減弱，但混凝土的保水性和粘聚性均可保持良好狀態(tài)。

在混凝土試塊加載過程中，沿著試塊的側面會出現(xiàn)較短而密集的裂縫，逐步向中間發(fā)展，過程中伴隨著少量碎片脫落。當試件達到極限荷載后，劍麻纖維橡膠混凝土無明顯破壞響聲，尚能保持完整性，且加入的劍麻纖維越多，完整性越好，試件破壞裂縫之間仍能看見連接的劍麻纖維，試驗完成后，掰開已破壞的試件發(fā)現(xiàn)經清水處理過的橡膠顆粒與水泥漿體粘結較緊，破壞面存在個別橡膠撕裂現(xiàn)象。

2 結果與分析

將試塊按照規(guī)范要求養(yǎng)護至28 d后進行強度實驗，測得其抗壓強度與劈裂抗拉強度如表4所示。為探究橡膠摻量、劍麻纖維摻量、劍麻纖維長度對混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度的影響，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行分析。

表4 抗壓與劈裂抗拉強度值

2.1 極差值分析

由表5、圖1可知，劍麻纖維摻量對抗壓強度影響最大，R為6.73 MPa，劍麻纖維的長度對抗壓強度影響最小，R為1.40。因素A從5%增長到15%，隨著橡膠摻量的增加其抗壓強度降低了4.2%，這是因為橡膠等體積替換了混凝土中的部分細骨料材料，而橡膠本身是憎水性的彈性材料，強度遠比混凝土中其他組成材料低，攪拌過程中容易上浮，橡膠會增大混凝土內部缺陷導致混凝土力學性能降低[13]。當因素B從2.4 kg/m3增加到4.8 kg/m3，其抗壓強度降低了0.26%，沒有明顯降低；而當摻量增加到7.2 kg/m3時，降低了17.3%；說明纖維并非可以過量添加，纖維越多在混凝土內部越易形成攪團現(xiàn)象，導致纖維分布不勻繼而影響混凝土抗壓強度；因素C從15 mm增加到30 mm,抗壓強度提升了3.9%，纖維長度繼續(xù)增加時強度又有所下降，因為纖維與混凝土砂漿的黏結力與纖維的長徑比相關，纖維長度并非越長越好，過長的纖維會使自身失去彈性伸張能力和吸收能量作用[14]。

表5 抗壓、劈裂抗拉強度極差分析

圖1 28d抗壓強度效應曲線

由表5、圖2可知，因素C對混凝土劈裂抗拉強度影響較大。橡膠顆粒摻量從5%提升到15%時，劈裂抗拉強度先略微提高又急劇下降。主要因為混凝土試件破壞始于內部，當橡膠摻量少且又對橡膠顆粒進行清水處理，在一定程度上改善了橡膠顆粒與混凝土界面水泥漿粘結強度，裂縫開展程度減緩[15]，但是隨著摻量繼續(xù)增大，內部缺陷增多，混凝土劈裂抗拉強度總體上仍然呈下降趨勢。因素B在2.4 kg/m3時結合圖1和圖2可看出，此摻量在劍麻纖維最佳摻量范圍內，隨著劍麻纖維摻量繼續(xù)增大到7.2 kg/m3時，摻量的改變使含有劍麻纖維的混凝土中含氣量增大，促使混凝土劈裂抗拉強度的降低[16]；因素C劍麻纖維長度在30 mm時混凝土劈裂抗拉強度較好，因為適當長度的劍麻纖維在混凝土中亂向分布，在劈裂張拉的斷裂面形成相互搭接的網狀形態(tài)[17]，因此在3種長度的劍麻纖維劈裂抗拉強度中效果最好，纖維過長時,在混凝土攪拌的過程中易有團簇現(xiàn)象,不能均勻分散在混凝土中。

圖2 28d劈裂抗拉強度效應曲線

2.2 方差值分析

如表6所示，通過方差分析得到劍麻纖維對混凝土抗壓強度影響結果與極差分析一致:劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量>劍麻纖維長度，其中劍麻纖維摻量對抗壓強度影響為顯著，而橡膠顆粒摻量和劍麻纖維長度對于抗壓強度影響不顯著。根據(jù)SPSS中主成分分析法分析相關性可知，劍麻纖維摻量與混凝土抗壓強度的相關性最大，相關性系數(shù)為-0.817，橡膠顆粒摻量其次，相關系數(shù)為-0.196，最后為劍麻纖維長度，相關性系數(shù)為0.133，其分析結果與方差分析結果一致。

表6 抗壓強度方差分析與因素相關性

如表7所示，通過方差分析得到橡膠顆粒摻量對混凝土劈裂抗拉強度影響結果與極差分析一致；劍麻纖維長度>劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量，其中橡膠摻量、劍麻纖維摻量、劍麻纖維長度對劈裂抗拉強度影響不顯著。根據(jù)主成分分析法分析相關性可知，劍麻纖維長度對劈裂抗拉強度相關性最大，相關系數(shù)為-0.522，劍麻纖維摻量其次，相關系數(shù)為-0.497，最后為橡膠顆粒，相關系數(shù)為-0.149，相關性分析結果與方差分析結果一致。

表7 劈裂抗拉強度方差分析與因素相關性

3 結 論

本文通過劍麻纖維-橡膠混凝土力學性能的正交試驗研究，得出以下結論：

(1)劍麻纖維摻量對混凝土抗壓強度有顯著影響。通過極差和方差分析可得到對抗壓強度影響順序為：劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量>劍麻纖維長度。劍麻纖維長度對劈裂抗拉強度相關性最大，通過極差和方差分析得到對于劈裂抗拉強度的影響順序為：劍麻纖維長度>劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量。

(2)劍麻纖維摻量在2～3 kg/m3時對橡膠混凝土有較好的影響效果，但由于本試驗摻量跨度較大，在圖中不能精確反應劍麻纖維的最佳摻量，后續(xù)可以進一步對摻量進行細化，以得到更好的結果。

(3)劍麻纖維長度為30 mm時，混凝土抗壓及劈裂抗拉強度效果最好。

(4)在混凝土中加入廢棄橡膠顆粒和植物纖維對節(jié)約資源、保護環(huán)境有一定意義，符合當前建設綠色節(jié)能型社會的需求。