橡膠粉改性橋梁復(fù)合材料(SFRC)的力學(xué)性能測(cè)試研究

楊 冰

(云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司,云南 昆明 650000)

在橋梁等工程領(lǐng)域,受到特殊環(huán)境的影響,混凝土材料常面臨受力復(fù)雜性等問(wèn)題,因此,提升橋梁混凝土的強(qiáng)度、韌性、耐久性等性能,成為學(xué)術(shù)和工程界的研究重點(diǎn)之一。基于此,許多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如,為增加橋梁混凝土的韌性以及阻裂效果,在材料中加入不同體積摻量的玄武巖纖維進(jìn)行改性,然后研究改性橋梁混凝土的性能[1]。而通過(guò)在混凝土中添加水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性,并研究橋梁混凝土性能[2]。采用再生骨料強(qiáng)化處理技術(shù),同時(shí)在混凝土中摻入礦渣微粉進(jìn)行改性,制備了一種橋梁混凝土[3]。以上學(xué)者的研究都為橋梁混凝土改性提供了思考方向?？紤]到橋梁工程中混凝土常面臨復(fù)雜的受力環(huán)境,重載沖擊、壓力等作用,試驗(yàn)通過(guò)橡膠粉對(duì)普通鋼纖維橋梁混凝土進(jìn)行改性,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:P·O42.5普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料中砂;粗骨料碎石;鋼纖維;橡膠粉;PC-1009型聚羧酸減水劑。

主要設(shè)備:WD-300型立式攪拌桶;HZJ-1型振動(dòng)臺(tái);JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī);DYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī);HD-400型沖擊試驗(yàn)機(jī);RD1020型電子天平。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1配合比設(shè)計(jì)

為制備高強(qiáng)度的橋梁工程用鋼纖維混凝土(SFRC),試驗(yàn)通過(guò)加入不同摻量的橡膠粉,對(duì)普通鋼纖維混凝土進(jìn)行改性,其中,鋼纖維體積摻量固定為6%,具體配合比設(shè)計(jì)如表1所示[4-5]。

表1 配合比設(shè)計(jì)

1.2.2試件的制備

(1)根據(jù)表1中的配合比設(shè)計(jì),用電子天平稱(chēng)取適量的原材料,在攪拌機(jī)中先加入少量的水、水泥、中砂以及碎石,進(jìn)行攪拌處理1 min;

(2)繼續(xù)在攪拌機(jī)中加入部分水、水泥、中砂以及碎石,設(shè)置攪拌時(shí)間為2 min,并在攪拌過(guò)程中逐漸加入鋼纖維;

(3)在攪拌機(jī)中加入剩下的水、水泥、中砂、碎石和適量減水劑,攪拌時(shí)間為2 min。并在攪拌過(guò)程中,緩慢加入適量的橡膠粉,繼續(xù)攪拌2 min混合均勻,獲得混凝土砂石漿;

(4)準(zhǔn)備好立方體模具,在其中倒入模具高一半的混凝土砂石漿,然后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)處理2 min,再向立方體模具中倒入剩下一半混凝土砂石漿,之后繼續(xù)在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)處理2 min,將攪拌等過(guò)程中砂石漿內(nèi)部的氣泡排出;

(5)用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料,然后用塑料薄膜對(duì)混凝土試件進(jìn)行密封處理;

(6)將試件放置在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h,然后脫模,在室溫環(huán)境下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間,最后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 性能測(cè)試

1.3.1抗折強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗折試驗(yàn),試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,抗折強(qiáng)度具體計(jì)算公式[6]:

(1)

式中:ff為抗折強(qiáng)度,MPa;F為破壞荷載,N;L為試驗(yàn)支架間跨度,mm;b為試件截面寬度,mm;h為試件截面高度,mm。

1.3.2抗壓強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)壓力機(jī)以5 kN/min的位移加載速度,對(duì)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn),其中,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,抗壓強(qiáng)度具體計(jì)算公式[7]:

(2)

式中:fc為抗壓強(qiáng)度,MPa;F為破壞荷載,N;A為承壓面積,mm2。

1.3.3沖擊韌性試驗(yàn)

在試件上用一個(gè)PVC直管固定位置,然后將一個(gè)實(shí)心鉛球從PVC管內(nèi)部從高處自由落體,對(duì)試件進(jìn)行沖擊,分析試件的沖擊韌性,其中,沖擊能量的具體計(jì)算公式[8]:

w=N·m·g·h

(3)

式中:w為沖擊能量;N為試件被破壞時(shí)的沖擊次數(shù);m為實(shí)心鉛球的質(zhì)量;h為自由落體高度;g為重力加速度,9.8 m/s2。

1.3.4彈性模量

通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變儀對(duì)試件進(jìn)行彈性模量測(cè)試。

1.3.5斷裂試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行斷裂試驗(yàn),分析其斷裂韌性。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗折強(qiáng)度分析

圖1為在不同橡膠粉摻量下,養(yǎng)護(hù)7、28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的抗折試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 試件抗折強(qiáng)度

由圖1可知,當(dāng)SFRC中橡膠粉的摻量增多時(shí),其抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先緩慢上升,然后迅速降低的情況。當(dāng)SFRC中未摻入橡膠粉時(shí),其養(yǎng)護(hù)7、28 d的抗折強(qiáng)度分別是5.61、8.26 MPa。這表明,早期的SFRC試件,就具備一定的抗折強(qiáng)度。當(dāng)SFRC中摻入的橡膠粉為6%時(shí),其抗折強(qiáng)度上升至最大值,養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)為6.92 MPa;養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)為9.64 MPa;對(duì)比空白SFRC試件,增幅分別為23.35%、16.71%。當(dāng)SFRC中摻入的橡膠粉為10%時(shí),SFRC的抗折強(qiáng)度最低,養(yǎng)護(hù)7、28 d時(shí)分別為4.95、7.95 MPa,對(duì)比最大臨界值降幅分別為28.47%、17.53%。

綜上,當(dāng)摻入6%橡膠粉進(jìn)行改性時(shí),SFRC的抗折強(qiáng)度最高。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖2為在不同橡膠粉摻量下,養(yǎng)護(hù)7、28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的抗壓試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 試件抗壓強(qiáng)度

由圖2可知,當(dāng)在SFRC中摻入的橡膠粉增多,SFRC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)SFRC中未摻入橡膠粉時(shí),養(yǎng)護(hù)7、28 d時(shí)的SFRC抗壓強(qiáng)度分別為27.82、40.23 MPa,這表明,在早期的SFRC就具備良好的抗壓強(qiáng)度;此后,隨著材料中橡膠粉摻量的增多,抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降,對(duì)于養(yǎng)護(hù)28 d的SFRC試件,當(dāng)橡膠粉摻量從6%增至8%時(shí),抗壓強(qiáng)度下降較多,從33.64 MPa降至27.21 MPa,降幅為19.11%;當(dāng)橡膠粉摻量為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度最小,養(yǎng)護(hù)7、28 d時(shí)分別為18.56、25.76 MPa,對(duì)比未添加橡膠粉的SFRC試件降幅分別為33.29%、35.97%。這表明,在SFRC中摻入橡膠粉會(huì)使材料的抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 沖擊韌性分析

圖3為在不同橡膠粉摻量下,養(yǎng)護(hù)28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)在被沖擊破壞時(shí),試件的平均吸收能力情況。

圖3 試件沖擊韌性分析

由圖3可知,隨著SFRC中橡膠粉摻量的增多,SFRC試件的沖擊能量呈現(xiàn)先逐漸增大,然后降低的現(xiàn)象。當(dāng)SFRC中未添加橡膠粉進(jìn)行改性時(shí),SFRC的沖擊能量為2 263.54 J;當(dāng)SFRC中添加2%的橡膠粉時(shí),SFRC的沖擊能量增至3 046.51 J,增幅較小;當(dāng)在SFRC中摻入6%的橡膠粉時(shí),材料的沖擊能量最大,為12 451.22 J,對(duì)比未添加橡膠粉的SFRC試件增加了10 187.68 J,增幅達(dá)到450%。當(dāng)SFRC中的橡膠粉摻量繼續(xù)增加時(shí),SFRC的沖擊能量反而出現(xiàn)降低的情況,當(dāng)橡膠粉摻量為10%時(shí),沖擊能量降至2 366.85 J,這與未添加橡膠粉的SFRC試件相差不大。綜上,當(dāng)摻入的橡膠粉為6%時(shí),SFRC試件的沖擊韌性較好。

2.4 彈性模量分析

圖4為在不同橡膠粉摻量下,養(yǎng)護(hù)28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的彈性模量情況。

圖4 試件彈性模量

由圖4可知,當(dāng)SFRC中的橡膠粉摻量增多時(shí),材料的彈性模量基本上呈現(xiàn)下降的變化,但變化較小。對(duì)于未添加橡膠粉的SFRC試件,其彈性模量為28.65 GPa;當(dāng)在SFRC試件中加入2%的橡膠粉時(shí),SFRC的彈性模量降低為28.26 GPa,對(duì)比未添加橡膠粉的SFRC試件,僅下降了0.36 GPa,降低程度過(guò)小;而當(dāng)SFRC試件中加入10%的橡膠粉時(shí),材料的彈性模量最小為26.51 GPa,與未添加橡膠粉的SFRC試件相比,也僅僅下降了2.14 GPa,降幅為7.47%。這表明,在SFRC中摻入橡膠粉,對(duì)材料的彈性模量影響程度較小。

綜上,在SFRC中摻入橡膠粉時(shí),SFRC的彈性模量變化不大,SFRC的韌性良好。

2.5 斷裂韌度分析

圖5為在不同橡膠粉摻量下,養(yǎng)護(hù)28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的斷裂韌度情況。

圖5 試件斷裂韌度

由圖5可知,當(dāng)SFRC中的橡膠粉摻量增多時(shí),材料的斷裂韌度呈現(xiàn)先緩慢上升,后迅速降低的現(xiàn)象。對(duì)于未添加橡膠粉的SFRC試件,其斷裂韌度為323.15 kN/m;隨著SFRC中橡膠粉摻量增加,試件的斷裂韌度開(kāi)始緩慢上升,當(dāng)在SFRC中加入6%的橡膠粉時(shí),斷裂韌度升至最大值為432.15 kN/m,這與未添加橡膠粉的SFRC試件相比,上升的幅度為33.74%。但隨著SFRC中橡膠粉摻量繼續(xù)增多,SFRC的斷裂韌度開(kāi)始迅速下降,當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)到10%時(shí),材料的斷裂韌度降至251.78 kN/m,這比未添加橡膠粉的SFRC試件都要低。

綜合分析可知,當(dāng)在SFRC中摻入橡膠粉時(shí),橡膠顆粒的彈性較好,并且不容易和混凝土中的其他基體材料發(fā)生反應(yīng),因此,在SFRC材料基體中,橡膠顆?？梢苑€(wěn)定其物理狀態(tài)。當(dāng)材料受到外力作用,內(nèi)部開(kāi)始萌生斷裂裂紋時(shí),在裂紋尖端處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),但由于橡膠顆粒的彈性模量小低于SFRC基體材料,在裂紋尖端處的橡膠顆粒會(huì)發(fā)生變形,在材料局部形成塑性形變,使得裂紋尖端的應(yīng)力集中情況減弱,因此,在一定程度上緩解SFRC內(nèi)部裂紋的延伸、擴(kuò)展,所以,材料的斷裂韌度增高;但是,過(guò)多的橡膠粉摻入SFRC中,會(huì)形成團(tuán)聚效應(yīng),在降低材料密實(shí)度的同時(shí),也使材料內(nèi)部出現(xiàn)一些孔隙等缺陷,因此,材料性能降低,斷裂韌度下降明顯[18-20]。

綜上,當(dāng)摻入的橡膠粉為6%時(shí),SFRC試件的斷裂韌度情況良好。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在SFRC中摻入橡膠粉時(shí),SFRC的抗折強(qiáng)度、沖擊韌性以及斷裂韌度均出現(xiàn)先增加后減小的變化,而抗壓強(qiáng)度、彈性模量則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì);

(2)當(dāng)在SFRC中摻入6%的橡膠粉時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d的SFRC的抗折強(qiáng)度、沖擊韌性以及斷裂韌度最高,分別為9.64 MPa、12 451.22 J、432.18 kN/m,抗壓強(qiáng)度為33.64 MPa,彈性模量為27.13 GPa;

(3)本試驗(yàn)制備的橡膠改性鋼纖維混凝土,綜合性能良好,可以作為橋梁工程中的鋪裝材料使用。