硅灰改性聚丙烯纤维橡胶混凝土力学试验研究
时间：2023-06-16 14:50:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
庞建勇，杨春春，姚韦靖，占佳佳
(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)
近年来，伴随着汽车工业的迅速发展，相关污染也随之加剧。由于汽车的增加，全世界每年生产的轮胎数量也在不断增加，我国每年的报废轮胎达到了2 000万吨。如果这些废旧轮胎得不到妥善处理，则会对环境造成很大的污染。目前废旧轮胎造成的“黑色污染”已经成为全球的一大难题，治理废旧轮胎所带来的“黑色污染”刻不容缓。
橡胶混凝土是指将橡胶集料作为水泥混凝土组成材料混合而成的新型混凝土，使用橡胶颗粒代替天然河砂，既可以减少自然资源的消耗又能解决废旧轮胎带来的环境污染。20世纪90年代，文献[1]首次提出将废旧轮胎制成颗粒，代替部分混凝土细骨料制成橡胶混凝土，从而对橡胶混凝土的力学性能展开深入研究。文献[2-3]研究发现随着橡胶颗粒含量的增加，混凝土的抗压强度出现逐渐下降趋势。为了抵消掺入橡胶颗粒所产生的负面效果，文献[4]发现纤维的掺入对提高混凝土力学性能有积极的影响。文献[5]研究发现聚丙烯纤维的掺入可以改变基体内部裂缝扩展的途径，增加裂缝的曲折性，提高混凝土的韧性。文献[6]研究发现混凝土28d时的强度随着硅灰掺量的增加先升高后降低。文献[7]研究发现，硅灰具有填充水泥颗粒之间缝隙的作用，能促使混凝土更加密实，从而提高其强度。文献[8]试验表明，硅灰与水泥水化反应产生的Ca(OH)2发生反应，可提高结构紧密性。文献[9]研究证实了掺入聚丙烯纤维可以改善橡胶混凝土冲击力学性能，从而提高试件的延性和韧性。文献[10]的研究也证实了纳米SiO2改性橡胶混凝土能有效提高其冲击强度。目前研究关注橡胶混凝土的静力学方面较多，动力学性能研究较少，且研究较为单一，没有系统性研究其静力学与动力学特性，对橡胶混凝土及其改性试件的静态和动态性能进行比较方面的试验仍亟待研究。
因此，为了系统性研究橡胶混凝土及其改性试件的静态和动态力学性能，本文采用复掺硅灰和聚丙烯纤维对橡胶混凝土进行改性试验，分析橡胶混凝土静力学下的抗压强度、抗折强度以及在冲击荷载下的抗压强度、破坏形态和微观结构，以期为生产出高强度、高韧性、防震防爆的橡胶混凝土提供理论依据。
1.1 试验材料
水泥选用普通P·O42.5级复合硅酸盐水泥；
粗骨料选用粒径5～15mm连续级配碎石；
细骨料选用细度模数为2.6，表观密度为2 410kg/m3淮河中砂河砂；
拌和用水选用实验室清洁自来水；
减水剂选用聚羧酸高效减水剂；
聚丙烯纤维选用长度12mm、密度为910kg/m3的聚丙烯纤维；
橡胶颗粒选用粒径为20目，表观密度为950kg/m3；
硅灰选用含量98%的白色硅灰。
1.2 配合比设计
参照(JGJ55—2011)《普通混凝土配合比设计规程》，强度等级为C40，以20目橡胶等体积取代20%砂子，在硅灰等质量取代(0，10%)水泥情况下，按0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的体积分数分别掺入聚丙烯纤维，具体配合比如表1所示。
表1 混凝土配合比 kg·m-3
1.3 试件制备
制作试件时，先将石子、砂子、橡胶颗粒干拌30s，再加入分散的聚丙烯纤维、水泥、硅灰干拌60s，最后均匀加入水和减水剂继续搅拌120s，将搅拌好的混凝土装入模具并放在振动台上进行振动密实。将试件在室温下放置24h后脱模，转至标准养护箱内养护28d后进行力学测试。
试验过程主要参考国家标准GB/T50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。制备试件尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试块，用于抗压强度测试；
试件尺寸为100mm×100mm×400mm长方体试块，用于抗折强度测试；
试件尺寸为φ50mm×100mm圆柱试块，切割打磨成φ50mm×25mm，用于冲击性能测试。每组各3个试块，共10组。使用WAW-1000电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置进行上述力学性能测试。
2.1 抗压试验
1)抗压强度 不同纤维掺量对混凝土抗压强度的影响如图1所示。由图1可知，纤维的掺入可以增加混凝土的抗压强度，随着纤维掺量的增大，混凝土抗压强度先增加后降低。纤维掺量为0%时，PRC-1的抗压强度为32.59MPa；
当纤维掺量为0.05%、0.10%、0.15%和0.20%时，试件抗压强度分别提升了7.00%、10.98%、9.91%和7.58%。相比PRC，同等纤维掺量下，复掺硅灰及纤维混凝土(SPRC)抗压强度均有显著提高，尤其纤维掺量为0.10%时，试件抗压强度最高提升13.99%。
图1 混凝土抗压强度
2)抗压强度应力-应变曲线 不同纤维掺量混凝土的抗压强度应力-应变曲线如图2所示。由图2可知，从荷载开始加载到第一个反弯点出现，该过程中应力缓慢上升；
反弯点的出现是因为荷载达到一定值时，孔隙和缺陷被压实，骨料开始承受荷载。当荷载继续加载至峰值应变40%左右时，试件处于弹性应力阶段，其应力-应变曲线呈线性变化，其斜率为试件初始弹性模量。当应力为峰值应力的40%～80%时，该段应力上升幅度大于应变上升幅度，曲线呈现上“凸”特征，此时试件内部初始裂纹开始扩展，横跨裂纹的纤维开始发挥作用，阻碍了裂纹的扩展，提高了试件承载能力，增强了混凝土韧性[11]。当应力超过峰值应力80%以后，由于纤维的作用，试件的承载力和变形能力显著提高，达到峰值应力后承载力开始缓慢下降，应力-应变曲线到达顶峰，试件表面开始出现一条约平行于应力方向的宏观裂纹。随着变形继续增大，纤维的桥接功能得到充分发挥，直到纤维被拉伸或拉断。随后试件出现贯穿性裂纹，应力迅速下降，最终试件被破坏。与PRC-1相比，纤维的掺入使得混凝土峰值强度和弹性模量都有所提高；
随着纤维体积掺量的增大，其峰值强度和弹性模量呈现先增大后减小的趋势；
尤其纤维体积掺量0.1%时，提升最为明显。与PRC相比，相同纤维体积掺量下，SPRC试件峰值强度更高、弹性模量更大。
图2 混凝土抗压应力-应变曲线
2.2 抗折试验
1)抗折强度 图3为不同纤维掺量对混凝土抗折强度的影响。由图3可知，PRC-1的抗折强度为4.49MPa；
单掺纤维后，混凝土抗折强度较PRC-1均有所增长；
相比PRC-1，试件PRC-2、PRC-3、PRC-4和PRC-5抗折强度分别提高了12.35%、19.35%、16.08%和13.29%。将硅灰和纤维复掺后，混凝土抗折强度增幅明显，相比PRC，同等纤维掺量下，试件SPRC-1、SPRC-2、SPRC-3、SPRC-4和SPRC-5抗折强度分别提高了13.05%、16.39%、16.60%、13.86%和13.79%。在单掺硅灰的条件下，试件SPRC-1相对于PRC-1抗压强度增加约11%、抗折强度增加约12%；
试验结果高于文献[12]相同硅灰掺量下对混凝土力学性能的提升，其主要原因是橡胶掺量对混凝土力学性能的影响。
图3 混凝土抗折强度
2)抗折强度应力-应变曲线 图4为不同纤维掺量混凝土抗折应力-应变曲线。由图4可知，试件PRC与SPRC应力-应变曲线形状相似，由上升段和下降段组成。上升段一般可分为3个阶段：第一阶段为受荷载后，曲线开始平缓上升，曲线斜率反映试件弹性模量情况；
第二阶段最为平缓，这是因为橡胶颗粒具有较好的韧性，在混凝土中掺加橡胶颗粒可以改善混凝土的延性[13]；
第三阶段迅速上升，斜率较大；
当到达峰值强度时，试件瞬间折断，应力直线下降。与PRC-1相比，纤维混凝土PRC具有较高的峰值强度、峰值应变以及弹性模量；
与PRC相比，在纤维体积掺量相同的情况下，SPRC试件峰值强度、峰值应变和弹性模量都有所增加。
图4 混凝土抗折应力-应变曲线
2.3 折压比
聚丙烯纤维不同掺量对混凝土折压比变化曲线如图5所示。折压比是混凝土抗折强度与抗压强度的比值，是反映混凝土材料延性和抗裂性的重要指标，试件折压比越大，则脆性越小、韧性越好[14]。由图5可知，随纤维掺量的增大，试件折压比先增大后减小。当纤维体积掺量为0%时，试件PRC折压比为0.132，SPRC折压比为0.134；
当纤维体积掺量为0.1%时，PRC折压比的最大值增加到0.142，比初始值高7.58%，SPRC折压比的最大值增加到0.145，比初始值高8.21%。这说明聚丙烯纤维可以提高混凝土的延性和抗裂性[15]86；
相同纤维掺量下，SPRC的折压比均高于PRC。导致这一现象的原因是：在混凝土中掺入聚丙烯纤维，能够减少其内部裂纹的产生，增加其韧性以及抗拉强度[16]；
而过量纤维的掺入会对混凝土强度产生不利影响，所以适当的纤维掺量能够提高混凝土折压比，这与文献[15]86中聚丙烯纤维对橡胶混凝土力学性能影响规律及最优掺量一致。
图5 混凝土折压比
3.1 破坏形态分析
以恒定气压0.3MPa对橡胶混凝土试件进行冲击试验，得出各种破坏模式。试件在冲击压缩过程中，由于受到冲击力导致结构内部产生微裂纹，随着冲击动能不断释放，裂纹发生扩展直到贯通，最终整体发生破坏。通过观察试验结果，可以将试件分为3种破坏形态：①粉碎性破裂，试件呈现破碎状态，裂纹贯穿整个试件，无法保持完整性，损伤最严重；
②大块破裂，试件中部分块状有一些大块碎块脱落并伴随许多碎屑，有少量聚丙烯纤维脱黏，裂纹几乎贯通于整个试件，试件具有一定的完整性；
③小块破裂，试件表面有许多裂缝并有少量碎块脱落，大量聚丙烯纤维黏连在一起，裂纹无法贯穿于整个试件，试件具有良好的完整性。
3.2 动态抗压强度
冲击荷载作用下，不同纤维掺量对混凝土动态抗压强度的影响如图6所示。由图6可知，随纤维体积掺量增加，PRC和SPRC动态抗压强度均先增大后减小。当纤维体积掺量为0.1%时，PRC动态抗压强度达到最大值50.6MPa，比纤维体积掺量为0%时增加23.9%；
同时，SPRC动态抗压强度也达到最大值58.61MPa，比纤维体积掺量为0%时增加25.8%。纤维体积掺量相同时，SPRC动态抗压强度均大于PRC，主要是因为硅灰可以填补和修复混凝土的缝隙和微裂纹，从而提高了界面过渡区性能[17]。
图6 混凝土动态抗压强度
3.3 应力-应变曲线
图7给出了冲击荷载作用下不同纤维体积掺量混凝土应力-应变曲线。由图7可知，各应力-应变曲形状类似，随着纤维体积掺量的提高，初始弹性模量、峰值应力和峰值应力随之先增大后减小。当纤维体积掺量为0.1%时，试件初始弹性模量、峰值应力和峰值应力达到最大值。在纤维体积掺量相同的情况下，试件应力-应变曲线上升段的形状基本相同，而下降段形状具有明显差异；
硅灰的掺入使得SPRC初始弹性模量、峰值应力和峰值应变都大于PRC[18]，下降段更加平缓，说明硅灰对PRC的改性作用使SPRC获得了较好的变形能力和延性性能。
图7 混凝土动态抗压应力-变曲线
3.4 动态增长因子
动态增长因子(Dynamic increase factor，DIF)是混凝土的动态强度与静态强度之比，是表征材料动态性能的基本参数之一[19]。图8为DIF与不同纤维掺量的关系曲线。由图8可知，随着纤维掺量的提高，DIF呈先增大后减小的趋势；
纤维体积掺量为0.1%时DIF值最大，这可能与纤维掺量影响裂缝的发展路径以及扩展程度有关。同一纤维掺量时，SPRC试件DIF值大于PRC，原因是硅灰的掺入改善了混凝土内部结构。同时，随着DIF的增加，冲击试验中试件破坏后的碎片尺寸变小，表明试件的冲击破坏程度在数值上对应于DIF。综合考虑试件破坏形态及力学性能，橡胶掺量为20%时，聚丙烯纤维最优掺量为0.10%。
图8 混凝土动力增长因子
材料微观结构本质上决定其宏观力学性能，本文通过扫描电镜(SEM)对PRC、SPRC基体形貌、水化产物等微观结构进行研究。
图9(a)、(b)为试件基体SEM照片。由图9(a)～(b)可知，试件内部结构比较完整、密实，并伴随连续块状水化产物，这是因为硅灰具有较小的粒径，可以填充水泥浆液之间的孔隙，降低基体的孔隙率；
同时，硅灰具有较强的火山灰活性，能与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应，形成C-S-H凝胶，进一步修复粗骨料表面裂缝，提高界面黏结强度[20-21]。图9(c)、(d)为聚丙烯纤维与试件基体粘结界面的SEM照片。从图9(c)、(d)中可以看出，聚丙烯纤维与基体粘结紧密，界面区完整密实，原因是纤维在混凝土内部乱向分布形成三维支撑网状结构，能够抑制基体内部裂缝产生和发展，在试件压缩破坏过程中，纤维通过与基体之间的粘结、滑动变形和拉伸吸收了大量能量[22]，进而提高了试件强度；
同样较大的掺量也会使纤维在内部结构产生互相影响，造成“纤维结团”现象，从而削弱了基体内部结构的密实度和黏结性，导致混凝土强度的降低。
(a)橡胶混凝土橡胶附近微观结构 (b)橡胶混凝土水化声物微观结构
相同掺量下，SPRC与PRC相比具有更好的抗压强度、抗折强度和动态抗压强度，验证了硅灰可以改善混凝土力学性能。聚丙烯纤维的掺入显著提高了混凝土的力学强度，随纤维掺量增加，混凝土的力学强度呈先增大后减小趋势。通过SEM分析了复掺硅灰和聚丙烯纤维橡胶混凝土的微观形貌和内部结构，可为探究其最优配合比提供理论依据。
本文不足之处在于，当橡胶掺量较大而掺入橡胶颗粒较小时，由于橡胶密度较小容易使得橡胶上浮处于材料上部，导致搅拌不均会影响橡胶混凝土的使用性能，所以混凝土制备时需严格控制震动时间。因此，为了进一步得出橡胶混凝土改性试件的最优配比，应细化硅灰掺量梯度，综合得出硅灰在橡胶混凝土中的最优掺量。
猜你喜欢 硅灰抗折聚丙烯 高速铁路无砟轨道中改性CA砂浆的低温性能研究合成材料老化与应用(2022年2期)2022-04-26硅灰对胶砂性能影响的试验研究人民珠江(2022年3期)2022-03-28硅灰对再生混凝土性能影响的研究山西建筑(2020年13期)2020-06-20硅灰加固宁波软土的试验研究岩土工程技术(2020年2期)2020-04-23不同二氧化硅含量硅灰对混凝土抗压强度的影响中国建材科技(2020年6期)2020-03-23熟料中矿物含量与抗折强度相关性分析江西建材(2018年2期)2018-04-14Vortex Rossby Waves in Asymmetric Basic Flow of TyphoonsAdvances in Atmospheric Sciences(2018年5期)2018-03-07透明聚丙烯研究进展中国塑料(2016年10期)2016-06-27根管治疗术后不同修复方式对牙根抗折性能的影响中国卫生标准管理(2015年16期)2016-01-20成核剂对聚丙烯釜压发泡的影响中国塑料(2015年3期)2015-11-27
