纖維橡膠混凝土力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

占佳佳 龐建勇,2 姚韋靖

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2. 安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

全球范圍內(nèi)，每年都有大量廢舊輪胎被隨意丟棄、掩埋、焚燒，這將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，土壤、大氣和水源等也將受到不同程度的破壞。將廢舊輪胎制成橡膠混凝土不僅能有效減少“黑色污染”，還可對(duì)混凝土的性能進(jìn)行改良[1]。

馮文賢等人通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量橡膠粉后，其使用壽命延長(zhǎng)，韌性和變形性能也均有所提高[2]。何兆芳等人發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入橡膠后，能有效緩解混凝土收縮受到約束時(shí)應(yīng)力的發(fā)展[3]。史英豪等人發(fā)現(xiàn)橡膠摻量對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響[4]。以上研究表明，在混凝土中摻入橡膠后，其韌性、抗沖擊、抗疲勞、隔熱等性能得到有效提高，但其力學(xué)強(qiáng)度降低，阻礙了橡膠混凝土(rubber concrete,RC)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[5]。楊晨晨等人研究了玄武巖纖維(BF)對(duì)RC力學(xué)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明摻入適量的纖維能提高RC的抗壓強(qiáng)度[6]。Aslani等人發(fā)現(xiàn)在RC中摻入聚丙烯纖維(PPF)，能提高其劈裂抗拉強(qiáng)度[7]。梁海軍等人在實(shí)驗(yàn)中將不同比例的鋼纖維(SF)與PPF混合摻入RC中，結(jié)果表明摻入0.1% PPF+0.9% SF能顯著提高RC的力學(xué)強(qiáng)度[8]。

RC的力學(xué)性能在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生改變，但目前有關(guān)纖維對(duì)RC影響的研究主要集中于常溫條件，鮮有涉及低溫條件。本次研究將3種不同纖維摻入RC中，分別測(cè)試RC試件在常溫(20 ℃)與低溫(-20 ℃)條件下的力學(xué)性能，分析低溫條件以及不同纖維對(duì)RC力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料有：水泥，P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂子，淮河中砂；石子，連續(xù)級(jí)配碎石，粒徑為5～20 mm；水，自來水；減水劑，聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%；橡膠粉顆粒，粒徑約為0.25 mm；纖維包括SF、BF、PPF，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維主要性能指標(biāo)

橡膠粉顆粒以5%的體積替代率替代混凝土中的細(xì)骨料，制備水膠比為0.4、砂率為40%的RC，其配合比如表2所示。采用體積摻入法在RC中摻入不同類型不同摻量的纖維：鋼纖維橡膠混凝土(steel fiber rubber concrete，簡(jiǎn)稱SFRC)中SF的體積摻量為0.5%、1%、1.5%，分別定義為SFRC1、SFRC2、SFRC3；玄武巖纖維橡膠混凝土(basalt fiber rubber concrete，簡(jiǎn)稱BFRC)中BF的體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%，分別定義為BFRC1、BFRC2、BFRC3；聚丙烯纖維橡膠混凝土(polypropylene fiber rubber concrete，簡(jiǎn)稱PFRC)中PPF的體積摻量為0.05%、0.10%、0.15%，分別定義為PFRC1、PFRC2、PFRC3。分別測(cè)試每組試件在常溫(20 ℃)與低溫(-20 ℃)條件下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

表2 RC材料配合比 單位：kg/m3

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081 — 2002)和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13 — 2019)，制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的RC標(biāo)準(zhǔn)試件，將試件在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù) 28 d。所有試件分為2組：一組用于測(cè)試試件在常溫條件下的力學(xué)性能；另一組用于測(cè)試試件在低溫條件下的力學(xué)性能。

本次研究中，混凝土低溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)是將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試件放入工業(yè)冰箱中(溫度為-20 ℃)，恒溫冷凍72 h，以確?；炷猎嚰?nèi)部溫度達(dá)到-20 ℃。取出試件后，立即在常溫下對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 破壞形態(tài)

在低溫條件下，各組試件受壓后的破壞形態(tài)如圖1所示。RC試件的裂縫最長(zhǎng)最深，并伴有大塊狀物脫落，試件的完整性遭到嚴(yán)重破壞。相比之下，纖維橡膠混凝土試件的破壞形態(tài)則有明顯改善。BFRC試件的裂縫減小，試件邊緣雖然被壓碎，但無塊狀物脫落，試件基本完整。PFRC試件表面有多處長(zhǎng)短不一的細(xì)淺裂紋，裂紋間布滿淡白色細(xì)絲狀纖維，大量絲狀纖維與基體間的咬合使裂縫沒有繼續(xù)加寬加深，較好地保持了試件的完整性。SFRC試件無明顯壓碎痕跡，表面有些微表層剝落，剝落處可見裸露的鋼纖維，試件幾乎完整。從總體外觀來看，加入纖維后，試件在常溫和低溫下的受壓破壞形態(tài)均得到有效改善，其中鋼纖維的效果最佳。

2.1.2 抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

在低溫條件下，纖維橡膠混凝土試件的抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線(見圖2)。第1個(gè)階段為壓密階段，此階段曲線呈微上凹趨勢(shì)。這是由于纖維橡膠混凝土內(nèi)部存在孔隙，當(dāng)其受到外界應(yīng)力作用后，孔隙發(fā)生閉合，表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)。第2個(gè)階段為彈性變形階段，此階段曲線呈直線上升趨勢(shì)。這是由于混凝土內(nèi)部孔隙大大減少，試件結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，混凝土骨架在短時(shí)間內(nèi)均勻受壓，應(yīng)力應(yīng)變之間存在線性關(guān)系[9]。第3個(gè)階段為塑性變形階段，此階段曲線呈非線性增長(zhǎng)，且逐漸達(dá)到峰值。這是由于混凝土骨架開始發(fā)生破壞，受力分布不均勻，應(yīng)力與應(yīng)變的線性關(guān)系消失。第4個(gè)階段為破壞階段，此階段曲線在達(dá)到峰值后迅速降低，存在明顯的峰值點(diǎn)。這是由于外界壓應(yīng)力超過了破壞應(yīng)力，試件的整體結(jié)構(gòu)被破壞。超過峰值應(yīng)力后，相比基準(zhǔn)RC試件,纖維橡膠混凝土試件的曲線下降段更長(zhǎng)且更平緩，這說明纖維的加入抑制了RC的破壞進(jìn)程，有效改善了RC的脆性，其中BF的改善效果最為明顯。

圖1 試件受壓后的破壞形態(tài)

圖2 低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

2.1.3 抗壓強(qiáng)度

在常溫、低溫條件下，纖維橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度變化如圖3所示。當(dāng)SF的體積摻量為0～0.5%時(shí)，SFRC試件的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增大，最大增幅達(dá)到了22.3%。當(dāng)BF的體積摻量為0～0.1%時(shí)，BFRC試件的抗壓強(qiáng)度變化不明顯；當(dāng)BF的體積摻量為0.1%～0.2%時(shí)，BFRC試件的抗壓強(qiáng)度明顯增大，當(dāng)BF的體積摻量為0.3%時(shí)，BFRC試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。當(dāng)PPF的體積摻量為0～0.10%時(shí)，PFRC試件的抗壓強(qiáng)度隨PPF摻量的增加而穩(wěn)定增長(zhǎng)，最大增幅為18.4%，當(dāng)PPF的體積摻量為0.15%時(shí)，PFRC試件的抗壓強(qiáng)度急劇減小，PPF的最優(yōu)體積摻量不宜超過0.10%。

纖維的加入在一定程度上彌補(bǔ)了因橡膠所致的混凝土強(qiáng)度減損，提高了RC的抗壓承載能力。在合理的摻量范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)部均勻分散的纖維與基體互相咬合、黏結(jié)，產(chǎn)生了牽拉作用，因此呈現(xiàn)良好的增強(qiáng)、阻裂效果，且摻量越大效果越明顯。當(dāng)超出一定范圍后，過多的纖維無法在基體中均勻分散而聚團(tuán)，從而使混凝土內(nèi)部缺陷增多[10-12]。過量的纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐步減弱，甚至使其出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

圖3 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度

由圖3可知，纖維橡膠混凝土在低溫與常溫條件下，抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，且在低溫條件下的抗壓強(qiáng)度普遍高于常溫。這是因?yàn)橄鹉z顆粒具有彈性，當(dāng)溫度從常溫降至低溫的過程中，橡膠顆粒會(huì)發(fā)生收縮，使其硬度增大，同時(shí)混凝土內(nèi)部的游離水會(huì)凍結(jié)成冰晶，這2種變化的耦合作用使得混凝土內(nèi)部應(yīng)力重新分布[13]，宏觀上表現(xiàn)為纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度提高。

2.2 抗拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 破壞形態(tài)

試件受拉后的破壞形態(tài)如圖4所示。RC試件首先在中部出現(xiàn)多處微小裂縫。隨著荷載的持續(xù)加載，裂縫逐漸變寬變深，最終試件迅速劈斷，一分為二。RC試件破壞時(shí)伴有較大劈裂響聲，且在常溫條件下的破壞響聲更為明顯，破壞更加快速、徹底。而加入纖維后的RC試件遭到破壞時(shí)仍保持良好的完整性，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，無法直接用手將其剝開。這說明試件仍保留一定的殘余強(qiáng)度，出現(xiàn)了延性破壞[11]。

由此可見，在RC中摻入纖維，能有效改善其受拉后的破壞形態(tài)，使其結(jié)構(gòu)可靠度得到提高。摻入SF對(duì)RC抗拉力學(xué)性能增強(qiáng)效果最好，SFRC試件受拉后的破壞形態(tài)最佳，試件整體性保存最完好。

圖4 試件受拉后的破壞形態(tài)

2.2.2 抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

在低溫條件下，纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線如圖5所示。與RC試件的不同，在達(dá)到峰值應(yīng)力后，纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線沒有持續(xù)下降，而是經(jīng)歷小段下降后在拐點(diǎn)處繼續(xù)上升，直至達(dá)到第2次峰值后平緩下降。這是因?yàn)楫?dāng)纖維橡膠混凝土應(yīng)力第1次達(dá)到峰值時(shí)，混凝土骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了纖維從基體中拔出斷裂的過程，此過程中抗拉強(qiáng)度仍有微弱提升，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化現(xiàn)象[14]。這說明摻入纖維不僅可以提高RC的受拉應(yīng)力峰值，還能延長(zhǎng)其破壞過程，使其延性更好，抵抗破壞變形的能力更強(qiáng)。

2.2.3 抗拉強(qiáng)度

在常溫、低溫條件下，纖維橡膠混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖6所示，纖維橡膠混凝土的抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后減小。這是由于加入纖維后，RC試件的界面特性發(fā)生改變，其內(nèi)部形成了良好的纖維網(wǎng)格，有效抑制了裂紋的初步產(chǎn)生，阻止了微觀裂紋向宏觀裂縫的發(fā)展，同時(shí)纖維能抵抗部分外部荷載[15]，使RC試件基體的劈裂抗拉強(qiáng)度提高。隨著纖維摻量的不斷增大，過多的纖維不能和骨料較好結(jié)合，RC的和易性和流動(dòng)性受到影響，形成了多個(gè)薄弱面，纖維的增強(qiáng)作用逐漸無法抵消薄弱面的減弱作用，最終在宏觀上表現(xiàn)為RC試件的抗拉強(qiáng)度降低。當(dāng)SF的體積摻量為0～0.5%時(shí)，SFRC試件的抗拉強(qiáng)度增幅最大，當(dāng)SF的體積摻量為0.5%～1.0%時(shí)，SFRC試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，SF的最大體積摻量應(yīng)低于1.0%。當(dāng)BF的體積摻量為0.2%時(shí)，BFRC試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，增幅高達(dá)24.8%。當(dāng)PPF的體積摻量為0～0.10%時(shí)，PFRC試件的抗拉強(qiáng)度近乎呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)PPF的體積摻量超過0.10%時(shí)，PFRC試件的抗拉強(qiáng)度隨著PPF體積摻量的增加而減小，PPF的最優(yōu)體積摻量為0.10%。

圖5 低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

圖6 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖6可知，纖維橡膠混凝土在低溫條件下的抗拉強(qiáng)度總體上略高。從微觀層面分析，RC中含有較多微孔，在低溫條件下微孔中大量的自由水和毛細(xì)水會(huì)凝結(jié)成冰，使RC中的微裂縫、微空洞等被填充，從而使基體密實(shí)度增加[14]，抵抗外部荷載的能力提高。

2.4 拉壓比分析

混凝土拉壓比為其抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比，是評(píng)價(jià)混凝土脆性的主要指標(biāo)。拉壓比越大，表示混凝土脆性越小，韌性越好[16]。通過實(shí)驗(yàn)得到各組纖維橡膠混凝土試件的拉壓比，如圖7所示?？梢钥闯觯煌w維可使RC試件的拉壓比得到不同程度的提高。當(dāng)SF的體積摻量為0～0.5%時(shí)，RC試件的拉壓比提高幅度較小，當(dāng)SF的體積摻量超過0.5%時(shí)，其提高作用增強(qiáng)。當(dāng)BF的體積摻量為0.1%～0.2%時(shí)，RC試件的拉壓比增幅減小，結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比分析，此摻量范圍內(nèi)，BF對(duì)RC試件抗拉性能的影響更大。當(dāng)PPF的體積摻量為0.10%～0.15%時(shí)，RC試件的拉壓比急劇增大，這是因?yàn)檫^量PPF使RC試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，但其抗拉強(qiáng)度仍處于不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)。

圖7 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的拉壓比

由圖7可知，纖維橡膠混凝土拉壓比隨著纖維摻量的增加而增大，但過量的纖維將對(duì)RC的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。在常溫和低溫條件下，纖維橡膠混凝土拉壓比的變化趨勢(shì)一致，低溫條件下的拉壓比略高。這說明在低溫條件下，纖維對(duì)RC脆性和韌性的改善效果更好。

3 結(jié) 語

摻入各種纖維對(duì)RC力學(xué)強(qiáng)度有不同程度的提高作用，SF的最優(yōu)體積摻量為0.5%，BF的最優(yōu)體積摻量為0.2%，PPF的最優(yōu)體積摻量為0.10%。在RC中摻入纖維后，其力學(xué)強(qiáng)度在低溫條件下的變化趨勢(shì)與在常溫條件下基本一致，低溫條件下纖維對(duì)橡膠混凝土的力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)效果更明顯。

SF、BF、PPF這3種纖維均能顯著改善RC試件的破壞形態(tài)，提高其韌性與抗變形能力。由于BF彈性模量較高，在試件內(nèi)不僅可有效承重，又可強(qiáng)化水泥基體間的黏結(jié)力，因此對(duì)橡膠混凝土的力學(xué)特性改善效果最好。