納米SiO2+鋼纖維協(xié)同改性橡膠混凝土試驗(yàn)研究

袁芙蓉

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

廢舊橡膠輪胎因?yàn)槠鋸?qiáng)度高、耐磨和耐老化性能高的特點(diǎn)，導(dǎo)致其難以自然降解。因此，廢舊橡膠輪胎的處理問題成了目前較為重要的研究課題。眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，將輪胎橡膠打碎摻入混凝土中，能有效提升混凝土的抗沖擊性能和變形能力。但摻入橡膠后，混凝土力學(xué)性能大幅度下降，難以滿足當(dāng)前建筑的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。因此，提升橡膠混凝土強(qiáng)度是目前較為重要的課題。對(duì)此，我國(guó)很多學(xué)者做了很多研究，如：趙秋紅［1］嘗試在橡膠混凝土中摻入一定體積率的鋼纖維，并證實(shí)鋼纖維的橋聯(lián)作用及其與橡膠顆粒的協(xié)同作用可顯著改善混凝土的抗剪性能，提升橡膠混凝土韌性；胡艷麗［2］則從橡膠顆粒的取代率出發(fā)，對(duì)5種橡膠取代率的橡膠混凝土進(jìn)行單軸受壓,單軸劈拉和純剪試驗(yàn)，證實(shí)橡膠取代率與橡膠混凝土呈負(fù)相關(guān)，隨取代率的提高，橡膠混凝土力學(xué)性能隨之降低。以上研究為橡膠混凝土力學(xué)性能的提升提供了參考，但橡膠混凝土力學(xué)性能還是達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。基于此，本文參考趙秋紅研究思路，嘗試用納米SiO2和鋼纖維對(duì)橡膠混凝土，以進(jìn)一步提升其力學(xué)性能，為橡膠混凝土性能提升提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：水泥（ 鄭州盾泥建材有限公司，P.O 42.5 ）、碎石（靈壽縣萬運(yùn)礦產(chǎn)品有限公司，粒徑為 5~20 mm ）、砂子（靈壽縣玖順礦產(chǎn)品有限公司，中砂）、納米SiO2（上海肖晃納米科技有限公司，平均粒徑 30nm）、萘系減水劑（山東翔昭新型材料有限公司，cp）、橡膠顆粒（天津藝航體育設(shè)施有限公司，粒徑1~2 mm）、鋼纖維（泰安浩華工程材料有限公司，長(zhǎng)度35mm）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：強(qiáng)制式攪拌機(jī)（滄州冀言試驗(yàn)儀器有限公司，HJW-60）、振動(dòng)臺(tái)（華恒機(jī)械設(shè)備，ZDP）、微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（滄州筑龍工程儀器有限公司，HYE-3000BD型）、X射線衍射分析儀（XRD，津工儀器科技(蘇州)有限公司，BTX III）、電子掃描顯微鏡（SEM，鈞一檢測(cè)技術(shù)(上海)有限公司，Lynx EVO） 。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文配合比設(shè)計(jì)主要以納米SiO2摻量、鋼纖維體積率和橡膠混凝土基體強(qiáng)度為變量［3］?；A(chǔ)組為含有5%橡膠顆粒，強(qiáng)度等級(jí)為C35的橡膠混凝土。研究了鋼纖維體積率和納米SiO2摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。具體配合比見表1。表1中編號(hào)規(guī)格為：SF后數(shù)字表示鋼纖維體積率，NS后數(shù)字表示納米SiO2摻量，組別中，C35、C45表示混凝土強(qiáng)度，CR表示橡膠摻量。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.3 試驗(yàn)步驟

（1）提前將HJW-60型強(qiáng)制式攪拌機(jī)潤(rùn)濕，然后依次放入粗、細(xì)骨料進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間90s。待粗細(xì)骨料混合均勻后，將鋼纖維持續(xù)均勻的放入，繼續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間為180s。

（2）待鋼纖維在混合中完全分散后，加入人工拌和的水泥、橡膠和SiO2混合物。繼續(xù)攪拌90s后，加入溶有減水劑的所有用水，充分?jǐn)嚢琛?/p>

（3）將攪拌均勻的混凝土倒入尺寸為150mm×150mm×150mm的塑料模具中澆筑成型。并置于ZDP混凝土振動(dòng)臺(tái)將混凝土振動(dòng)密實(shí)。

（4）將振實(shí)后混凝土置于干燥通風(fēng)處?kù)o置24h拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至指定齡期。養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度分別為20℃和95%。

參照普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081-2002）［4］對(duì)混凝土試件基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 抗壓性能

（1）將混凝土試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出后，擦干試件表面水分，置于HYE-3000BD型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上。

（2）將試件中心與壓力機(jī)上壓板中心對(duì)齊，然后打開壓力試驗(yàn)機(jī)。 以0.5MPa/s的速率對(duì)試件施加荷載，直至試件破壞，記錄試件破壞時(shí)荷載，計(jì)算試件抗壓強(qiáng)度。每組試驗(yàn)進(jìn)行三次，取其平均值為最終結(jié)果。

1.4.2 劈裂抗拉性能

（1）取出試件后并擦干試件表面水分。用夾具將試件固定于HYE-3000BD型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。

（2）打開壓力試驗(yàn)機(jī)，以0.05MPa/s的加載速率對(duì)試件施加荷載，試件破壞后停止施壓，記錄試件破壞時(shí)荷載。每組試驗(yàn)進(jìn)行三次，取其平均值為最終結(jié)果。

1.5 微觀形貌

選擇C35CR5中納米SiO2摻量不同的三組混凝土試件進(jìn)行微觀形貌觀察［5］。

1.5.1 SEM分析

（1）取尺寸為10mm×10mm×3mm 的混凝土試樣，用砂紙將其表面磨平。

（2）在樣本表面噴涂一層金，確保其具有良好的導(dǎo)電性。

（3）用導(dǎo)電膠將經(jīng)過噴金的樣品固定在試樣臺(tái)上，采用Lynx EVO型電子掃描顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)變化。

1.5.2 XRD分析

（1）從冷卻后基體中提取砂漿試樣，置于瑪瑙研缽中磨碎，然后用200目篩子進(jìn)行提取。

（2）將提取的砂漿粉末置于玻璃凹槽中，采用BTX III型X射線衍射分析儀進(jìn)行物相分析［6］。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

表2為混凝土試件養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，經(jīng)過鋼纖維改性后，三種強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度皆得到明顯提高，但繼續(xù)增加鋼纖維體積，抗壓強(qiáng)度反而有所下降。這是因?yàn)殇摾w維體積率過高時(shí)，纖維在混凝土中難以分散均勻，出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。當(dāng)鋼纖維體積率為1%時(shí)，三組試件混凝土抗壓強(qiáng)度皆相對(duì)較高。因此，鋼纖維的最佳體積率為1%。

表2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Compressive strength test results

當(dāng)鋼纖維體積率為1%時(shí)，經(jīng)過SiO2改性的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于未經(jīng)SiO2改性的混凝土。且SiO2摻量為1%的試件對(duì)混凝土抗壓性能的優(yōu)化明顯高于SiO2摻量為2%的試件。在C35CR5、C45CR5組中，復(fù)摻1%鋼纖維和1% SiO2的混凝土試件比只含有1%鋼纖維的混凝土試件抗壓強(qiáng)度提高了2.9MPa和2.4MPa這就說明納米SiO2能夠進(jìn)一步提升混凝土抗壓性能。且納米SiO2最佳摻量為1%。

在C45CR10組中，SiO2摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果不明顯。這主要是因?yàn)楫?dāng)橡膠含量較高，混凝土工作性能隨之下降［7］。因此在制作橡膠混凝土?xí)r，橡膠含量為5%較為適宜。

綜上所述，當(dāng)鋼纖維體積率為1%，納米SiO 摻量為1%，橡膠含量為5%時(shí)，混凝土抗壓性能最佳。此時(shí)C35CR5、C45CR5組28d抗壓強(qiáng)度分別為48.5MPa和55.9MPa。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

表3為齡期為28d 試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比。由表3可知，隨鋼纖維體積率的增加，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度總體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼纖維最佳體積率為1%。以該混凝土作為基礎(chǔ)，對(duì)比摻入SiO2后的混凝土試件發(fā)現(xiàn)，納米SiO2對(duì)橡膠摻量為5%的混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度優(yōu)化較為明顯。鋼纖維和納米SiO2摻入后，混凝土拉壓比有所增加。這說明經(jīng)過鋼纖維和納米SiO2協(xié)同改性后，橡膠混凝土的韌性得到提高［8］。當(dāng)鋼纖維體積率為1%，納米SiO2摻量為1%，橡膠含量為5%時(shí)，混凝土劈裂抗拉性能最佳。此時(shí)C35CR5、C45CR5組28d劈裂抗拉強(qiáng)度都為5.12MPa。

表3 劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比Table3 Splitting tensile strength and tension compression ratio

2.3 SEM結(jié)果分析

圖1為不同納米SiO2摻量混凝土試件的微觀形貌圖。由圖1可知，未摻加納米SiO2的混凝土基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，且有板狀氫氧化鈣晶體存在。摻入1%的SiO2后，混凝土基體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)較致密，有少部分強(qiáng)氧化鈣晶體存在。當(dāng)SiO2摻量增加至2%時(shí)，混凝土基體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為致密，幾乎找不到強(qiáng)氧化鈣晶體，同時(shí)C-S-H凝膠彼此搭接，得到結(jié)構(gòu)致密的連續(xù)相。因?yàn)榧{米SiO2具備一定的小尺寸效應(yīng)，因此在其表面具備較多的原子和不飽和健，使其具備較高表面能和化學(xué)活性。C-S-H凝膠以SiO2為核心形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼纖維和基體的界面粘結(jié)性能起一定優(yōu)化作用［9］。同時(shí)，納米SiO2的微集料效應(yīng)對(duì)水泥基體空隙進(jìn)而過渡區(qū)間隙起一定填補(bǔ)作用，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能。

圖1 微觀形貌Fig. 1 Micro morphology

2.4 XRD結(jié)果分析

圖2為不同納米SiO2摻量混凝土試件的XRD圖譜，由圖2可知，隨納米SiO2摻量的增加，氫氧化鈣晶體衍射峰值在2θ=18°和 2θ=34°處明顯降低。這就說明了生成C-S-H凝膠過程中，氫氧化鈣晶體被大量消耗。在研磨過程中，基體砂漿中的沙子與樣品一起磨碎，因此2θ=26.5°處石英沙（SiO2）晶體最大衍射峰與納米SiO2摻量不存在直接關(guān)聯(lián)。C-S-H在XRD圖譜中不表現(xiàn)明顯衍射峰的原因在于C-S-H 凝膠不是晶體狀態(tài)［10］。綜合可知，加入納米SiO2后，混凝土微缺陷和空隙明顯減少，進(jìn)一步增加了鋼纖維的抗裂性能，使得混凝土試件力學(xué)性能有所提高。

圖2 XRD圖譜Fig. 2 XRD pattern

3 結(jié)論

通過鋼纖維和納米SiO2對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行協(xié)同改性，考察了鋼纖維體積率、混凝土強(qiáng)度和納米SiO2摻量對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的影響。

（1）抗壓試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維和納米SiO2最佳摻量都為1%，橡膠最佳含量為5%。此時(shí)C35CR5、C45CR5組28d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)47.14MPa和54.94MPa。

（2）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入鋼纖維和納米SiO2后，橡膠混凝土韌性得到提高。在最佳摻量條件下，C35CR5、C45CR5組28d劈裂抗拉強(qiáng)度都為5.12MPa。

（3）SEM結(jié)果表明，摻入納米SiO2后， C-S-H凝膠以SiO2為核心形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鋼纖維和基體的界面粘結(jié)性能，填補(bǔ)了混凝土微缺陷和空隙，提升了橡膠混凝土的力學(xué)性能。

（4）XRD結(jié)果表明，摻入SiO2后，減少了混凝土微缺陷和空隙，增加了鋼纖維的抗裂性能。