吳偉波,余陽(yáng),夏冬桃
(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)
混凝土路面修復(fù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng),嚴(yán)重影響了交通的順暢,早強(qiáng)劑的加入雖能緩解這一問(wèn)題,但是這類(lèi)快硬早強(qiáng)混凝土容易開(kāi)裂、導(dǎo)致耐久性降低,甚至引起強(qiáng)度倒縮[1-2]。廢舊橡膠粉在混凝土領(lǐng)域的使用,不僅具有環(huán)保意義,還能改善普通混凝土的脆性,提高其韌性、延性和抗裂性能,也能使得混凝土具有良好的隔熱、隔聲、減震性能。由于基體混凝土具有多組分、多相和多層次的特征[3-4],只摻加橡膠粉很難綜合提高混凝土的性能。已有一些研究涉及到合成纖維與橡膠粉的配合使用,但是合成纖維產(chǎn)品大多數(shù)來(lái)源于化工產(chǎn)業(yè),這與橡膠資源化利用的環(huán)保理念不符。而鋼纖維可以由廢舊鋼材機(jī)械加工得到,且鋼纖維對(duì)混凝土具有顯著的阻裂、增強(qiáng)和增韌作用,鋼纖維混凝土在隧道支護(hù)、機(jī)場(chǎng)道面以及橋面鋪裝等許多工程領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用[5]。
將橡膠粉和鋼纖維配合使用,能夠使2種材料的性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),彌補(bǔ)早強(qiáng)混凝土抗裂性能的不足,提升鋼纖維使用的經(jīng)濟(jì)性,改善混凝土的路用性能。雖然目前在用橡膠粉對(duì)混凝土改性方面取得了一定的研究進(jìn)展,但是沒(méi)有對(duì)路用混凝土給出有針對(duì)性和實(shí)用性的研究結(jié)果,同時(shí)滿足承載能力和正常使用性能要求所需的最佳摻量尚不明確。針對(duì)以上問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)2組正交試驗(yàn),分析鋼纖維、橡膠粉在低摻量條件下對(duì)路用早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響,得出水平范圍內(nèi)3種材料的較優(yōu)摻量,通過(guò)對(duì)比較優(yōu)組和普通早強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗裂性能和耐磨性能,分析鋼纖維和橡膠粉對(duì)早強(qiáng)混凝土路用性能的影響,給出能夠?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用提供參考的優(yōu)選摻量。
膠凝材料:P·O42.5水泥、S95級(jí)?;郀t礦粉;粗骨料:5~25 mm連續(xù)級(jí)配碎石;細(xì)骨料:中粗河砂,細(xì)度模數(shù)為3.1;聚羧酸高效減水劑:減水率為21%~28%;早強(qiáng)劑:SBTJK-24型混凝土快速修補(bǔ)劑;鋼纖維:大波紋形剪切鋼纖維;橡膠粉:由廢舊輪胎研磨而成,40目。鋼纖維、礦粉和早強(qiáng)劑的主要性能指標(biāo)分別如表1、表2和表3所示。
表1 鋼纖維的主要性能指標(biāo)
表2 礦粉的主要性能指標(biāo)
表3 早強(qiáng)劑的主要性能指標(biāo)
混凝土配合比設(shè)計(jì)除滿足實(shí)際施工質(zhì)量要求外,還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。已有研究表明,粉煤灰會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度[6],因此,配合比設(shè)計(jì)時(shí)未摻加粉煤灰。覃峰和包惠明[7]的研究表明,隨著橡膠粉摻量的增加,混凝土的流動(dòng)性會(huì)明顯降低,因此,本試驗(yàn)根據(jù)橡膠粉摻量的不同,調(diào)整減水劑摻量,以確?;炷撂涠瓤刂圃?60~180 mm。根據(jù)JGJ/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》的要求計(jì)算初步配合比,然后進(jìn)行試配,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào),最終得到的配合比見(jiàn)表4。
表4 混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3
采用如下制備工藝:首先依次加入砂、石2種集料干拌1 min,待集料拌和均勻后加入橡膠粉干拌1 min,然后依次加入水泥、礦粉、早強(qiáng)劑干拌2 min,再將鋼纖維均勻撒在攪拌機(jī)中干拌3 min,接著稱取總用水量的90%倒入攪拌機(jī)攪拌3 min,最后將剩余10%的水與減水劑混合均勻,加入攪拌機(jī)繼續(xù)攪拌5 min,制備程序結(jié)束。通過(guò)對(duì)攪拌工藝的進(jìn)一步規(guī)范與細(xì)化,解決了鋼纖維的結(jié)團(tuán)問(wèn)題和橡膠粉的吸水團(tuán)聚問(wèn)題。
在表4基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上,試驗(yàn)設(shè)計(jì)2組鋼纖維橡膠粉混凝土正交試驗(yàn)組和1組普通早強(qiáng)混凝土作為對(duì)照組,正交組試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所示,對(duì)照組外摻15%早強(qiáng)劑。早強(qiáng)劑和橡膠粉摻量均按占膠凝材料質(zhì)量計(jì),鋼纖維按混凝土的體積率外摻。
表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件,抗折強(qiáng)度采用150 mm×150 mm×550 mm的梁式試件,根據(jù)CECS 13∶2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》第6.9條規(guī)定的三分點(diǎn)法進(jìn)行加載試驗(yàn)。耐磨性能試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件,按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的T 0567—2005水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)方法,以試件磨損面上單位面積磨損量Gc作為評(píng)定耐磨性能的指標(biāo)??沽研阅茉囼?yàn)采用圓環(huán)法,試件為外徑425 mm、內(nèi)徑305 mm的混凝土圓環(huán),壁厚60 mm,高度為100 mm,如圖1所示,裂縫觀測(cè)如圖2所示。正交試驗(yàn)得出較優(yōu)組后,與對(duì)照組分別進(jìn)行強(qiáng)度、抗裂性能和耐磨性能的對(duì)比試驗(yàn),分析鋼纖維、橡膠粉對(duì)早強(qiáng)混凝土性能的影響。
圖1 圓環(huán)抗裂試驗(yàn)
圖2 裂縫觀測(cè)
各組混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。直觀分析法通過(guò)比較極差大小,即平均效果值的最大值與最小值之差,判斷得出最優(yōu)條件,但直觀分析無(wú)法估計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中必然存在的誤差大小,無(wú)法獲知分析精度。而方差分析則可以將因素水平的變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與誤差的波動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此,綜合2種分析結(jié)果能更準(zhǔn)確地找出最優(yōu)組合。由于正交試驗(yàn)誤差的自由度f(wàn)e通常較小,F(xiàn)檢驗(yàn)只有當(dāng)fe較大時(shí)檢驗(yàn)的靈敏度才較高。因此,在正交試驗(yàn)中,如果fe≤5,則增加一級(jí)進(jìn)行評(píng)定[8],分析結(jié)果如表7和表8所示。在表8中,當(dāng)F>99時(shí),認(rèn)為因素的影響特別顯著,記為“***”;當(dāng) 99≥F>19時(shí),認(rèn)為因素的影響為顯著,記為“**”;當(dāng)19≥F>9時(shí),認(rèn)為因素的影響較為顯著,記為“*”;當(dāng)9>F≥4時(shí),認(rèn)為因素的影響不顯著,記為“△”;當(dāng) F<4 時(shí),認(rèn)為因素沒(méi)有影響,記為“/”。
表6 正交試驗(yàn)結(jié)果
表7 極差分析結(jié)果
表8 方差分析結(jié)果
由表7、表8可以得出,3種材料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度為:早強(qiáng)劑>橡膠粉>鋼纖維?;炷? d抗壓強(qiáng)度的最佳摻量為:正交組Ⅰ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維0.50%、橡膠粉5%;正交組Ⅱ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維1.25%、橡膠粉1%。28 d抗壓強(qiáng)度的最佳摻量為:正交組Ⅰ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維0.75%、橡膠粉5%;正交組Ⅱ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維1.25%、橡膠粉1%。3種材料對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度為:早強(qiáng)劑>鋼纖維>橡膠粉?;炷? d抗折強(qiáng)度的最佳摻量為:正交組Ⅰ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維0.50%、橡膠粉9%;正交組Ⅱ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維1.25%、橡膠粉3%。28 d抗折強(qiáng)度的最佳摻量為:正交組Ⅰ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維0.50%、橡膠粉5%;正交組Ⅱ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維1.25%、橡膠粉3%。
根據(jù)JTG/T F30—2014關(guān)于配合比的規(guī)定,設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度決定了面層水泥混凝土、鋼纖維混凝土、碾壓混凝土的28 d彎拉強(qiáng)度均值,也決定了鋼纖維體積摻量、鋼纖維含量特征值和水灰比;根據(jù)JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定,水泥混凝土路面的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式是以彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為判斷標(biāo)準(zhǔn),水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)采用28 d齡期的彎拉強(qiáng)度,材料設(shè)計(jì)參數(shù)中的試配彎拉強(qiáng)度均值、舊混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)中的彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值也是由彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。因此,彎拉強(qiáng)度是路用混凝土設(shè)計(jì)和驗(yàn)收最主要的指標(biāo)。已有研究表明,通過(guò)摻入不同含量橡膠粉的水泥混凝土力學(xué)、干縮和耐磨性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠粉摻量不大于3.5%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低,但滿足設(shè)計(jì)要求,其抗折強(qiáng)度則有一定程度的提高,并能有效減少水泥砂漿的干縮,提高混凝土的路用性能[9]。綜合考慮混凝土的強(qiáng)度、施工情況和工程經(jīng)濟(jì)效益,確定較優(yōu)配比為:正交組Ⅰ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維0.50%、橡膠粉5%;正交組Ⅱ,早強(qiáng)劑15%、鋼纖維1.25%、橡膠粉3%。
由正交組Ⅰ得出的較優(yōu)配比記為X組,由正交組Ⅱ得出的較優(yōu)配比記為G組,作為對(duì)照組的普通早強(qiáng)混凝土記為D組,強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。
表9 3組混凝土強(qiáng)度對(duì)比
由表9可見(jiàn):
(1)相比于對(duì)照組D,X組3 d抗壓強(qiáng)度降低了7.67%,G組則提高了4.88%,28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了18.41%、6.03%;從3 d齡期到28 d齡期,優(yōu)選配比的X組、G組相對(duì)于自身而言,抗壓強(qiáng)度分別提高了39.5%、41.5%。偏高摻量的橡膠粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率起到了一定的抑制作用,但是并不影響抗壓強(qiáng)度的總體增長(zhǎng)趨勢(shì);適宜摻量的鋼纖維和橡膠粉配合使用,對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。
(2)相比于對(duì)照組D,X組、G組3 d抗折強(qiáng)度分別提高了11.54%、19.23%,X組的28 d抗折強(qiáng)度降低了2.53%,G組的28 d抗折強(qiáng)度提高了17.72%;從3 d齡期到28 d齡期,優(yōu)選配比的X組、G組相對(duì)于自身而言,抗折強(qiáng)度分別提高了32.8%、50.0%。鋼纖維和橡膠粉的配合使用,能夠?qū)υ琮g期的抗折強(qiáng)度起到一定的提升作用;當(dāng)橡膠粉摻量偏高時(shí),也會(huì)對(duì)抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)起到一定的抑制作用,但是抑制的程度相對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言要小得多;當(dāng)鋼纖維和橡膠粉的摻量適宜時(shí),抗折強(qiáng)度能夠得到有效提高。
圓環(huán)開(kāi)裂的工作原理:混凝土試件受到內(nèi)模的均勻徑向約束,同時(shí)也受到水泥水化產(chǎn)生的自收縮和水分蒸發(fā)產(chǎn)生的干縮的影響,當(dāng)這些影響產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂。通過(guò)開(kāi)裂時(shí)間以及裂紋的寬度和條數(shù)即可綜合評(píng)定混凝土的抗裂性能,試驗(yàn)結(jié)果如表10所示,裂縫寬度發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。
表10 圓環(huán)抗裂試驗(yàn)結(jié)果
圖3 裂縫寬度發(fā)展趨勢(shì)
分析表10和圖3可知,路用早強(qiáng)混凝土中摻入適量的鋼纖維和橡膠粉,能夠有效延緩混凝土的開(kāi)裂時(shí)間,縮小初始裂縫寬度。優(yōu)選G組的抗裂性能表現(xiàn)最優(yōu),開(kāi)裂經(jīng)時(shí)是普通早強(qiáng)混凝土D組的3.8倍,最大裂縫寬度減小了32.8%。對(duì)于橡膠粉摻量偏高而鋼纖維摻量偏低的X組,裂縫的最大寬度甚至超過(guò)了D組普通早強(qiáng)混凝土,這是因?yàn)橄鹉z粉摻量偏高時(shí),引入的空氣造成混凝土孔隙增加,同時(shí)橡膠粉在荷載作用下,其變形與周?chē)乃磻?yīng)產(chǎn)物、粗集料不一致,因而其周?chē)缑娈a(chǎn)生較大的應(yīng)力,增大了微裂縫的產(chǎn)生。對(duì)于G組而言,適量橡膠粉能夠充分發(fā)揮其低彈性模量的材料特性,為包括塑性收縮、自收縮和干縮在內(nèi)的混凝土收縮變形行為提供了變形空間,并緩沖由上述變形行為產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,消除空隙中的應(yīng)力集中;適量的鋼纖維與基體間的粘結(jié)力使得裂縫周?chē)a(chǎn)生與集中應(yīng)力方向相反的應(yīng)力場(chǎng),造成尖端應(yīng)力集中減弱,有效阻止微裂縫的擴(kuò)展[10]。
為了進(jìn)一步確定鋼纖維、橡膠粉對(duì)耐磨性能的影響程度,增加了2組不同鋼纖維摻量早強(qiáng)混凝土進(jìn)行對(duì)比,單位面積磨損量測(cè)試結(jié)果如表11所示。
表11 混凝土耐磨性能對(duì)比
由表11可見(jiàn),相對(duì)于普通早強(qiáng)混凝土D組而言,D1組、D2組單位面積的磨損量分別降低了20.2%、24.1%,而D2組的鋼纖維摻量是D1組的2.5倍,說(shuō)明鋼纖維能夠在一定程度上提高混凝土的耐磨性能,但是鋼纖維對(duì)于耐磨性能的改善并沒(méi)有隨著摻量的增加而顯著提升,單就對(duì)于耐磨性能的改善而言,低摻量的鋼纖維就已經(jīng)能夠發(fā)揮良好的效果;優(yōu)選組X、G單位面積的磨損量相對(duì)于D組分別降低了47.2%、58.3%,而G組的橡膠粉摻量只有X組的60%,這表明過(guò)高摻量的橡膠粉對(duì)混凝土的耐磨性能產(chǎn)生了負(fù)面影響;適宜摻量的鋼纖維和橡膠粉配合使用能夠顯著改善混凝土的耐磨性能,且橡膠粉對(duì)于耐磨性能的改善起到了主要作用。
水泥混凝土路面的耐磨性能是一項(xiàng)極其重要的耐久性指標(biāo),關(guān)系到路面抗滑性能和行車(chē)安全,可根據(jù)不同的機(jī)理和條件分為多種磨損方式,其中磨粒磨損和疲勞磨損是最主要的2種磨損方式。磨粒磨損可通過(guò)路面使用過(guò)程中的清洗等養(yǎng)護(hù)工作得到有效緩解,而疲勞磨損也被理解為一種斷裂形式,因此,解決疲勞磨損主要取決于路面混凝土的材料性能,具體來(lái)說(shuō)是取決于混凝土各組分之間的界面粘結(jié)性能。橡膠粉作為一種惰性組分添加到混凝土中,不影響混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中的水化反應(yīng)產(chǎn)物,而且極為粗糙的顆粒表面使得其與水泥石之間呈鋸齒狀的結(jié)合面,這種微觀結(jié)構(gòu)層次上的牢靠咬合狀態(tài)也即是良好的粘結(jié)性能。此外,橡膠粉低彈性模量的材料特性使得橡膠粉顆粒能夠作為可變形粒子群有效提高混凝土的變形能力,再加上橡膠本身就是一種耐磨材料,在磨耗作用下,橡膠粉改性的混凝土不易發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的斷裂,各組分不會(huì)被輕易剝離。
綜合上述關(guān)于抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗裂性能和耐磨性能的分析,同時(shí)考慮路用早強(qiáng)混凝土的承載能力、正常使用性能和工程經(jīng)濟(jì)效益,本研究建議鋼纖維、橡膠粉和早強(qiáng)劑按照以下?lián)搅颗浜鲜褂茫喝呔鶠橥鈸剑摾w維體積摻量?jī)?yōu)選1.00%~1.25%,早強(qiáng)劑摻量?jī)?yōu)選12%~15%;橡膠粉的粒徑優(yōu)選40目,摻量?jī)?yōu)選3.0%~3.5%。給出的優(yōu)選摻量適用于各種路用早強(qiáng)混凝土的配制,特別適用于常用的C35、C40路面混凝土和C50橋面鋪裝混凝土,能夠?yàn)閷?duì)于力學(xué)性能、韌性、抗裂性能和抗剝蝕性能要求較高的工程提供參考。
(1)橡膠粉、鋼纖維、早強(qiáng)劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)樵鐝?qiáng)劑>橡膠粉>鋼纖維,對(duì)抗折強(qiáng)度的影響順序?yàn)樵鐝?qiáng)劑>鋼纖維>橡膠粉。
(2)相對(duì)于普通早強(qiáng)混凝土,雙摻橡膠粉和鋼纖維的路用早強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大提高了4.88%,抗折強(qiáng)度的增幅為11%~20%;鋼纖維能夠略微提升早強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度,而抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯;偏高摻量的橡膠粉對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都會(huì)起到一定的抑制作用,但是對(duì)于抗折強(qiáng)度的抑制程度相對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言要小得多。
(3)適宜摻量的橡膠粉和鋼纖維能夠在不影響抗壓強(qiáng)度并且顯著提高抗折強(qiáng)度的前提下,有效改善混凝土的抗裂性能和耐磨性能;優(yōu)選G組的抗裂性能和耐磨性能都表現(xiàn)最優(yōu),開(kāi)裂經(jīng)時(shí)是普通早強(qiáng)混凝土D組的3.8倍,最大裂縫寬度減小了32.8%,單位面積磨損量降低了58.3%;體積摻量為0.5%以下的低摻量鋼纖維就已經(jīng)能夠?qū)δ湍バ阅馨l(fā)揮良好的效果,對(duì)耐磨性能的改善由橡膠粉起主要作用。
(4)綜合考慮路用早強(qiáng)混凝土的承載能力和正常使用性能,結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性,建議鋼纖維體積摻量?jī)?yōu)選1.00%~1.25%,早強(qiáng)劑和橡膠粉按照膠凝材料的質(zhì)量?jī)?yōu)選外摻分別為12%~15%、3.0%~3.5%。
[1] 張國(guó)志,李順凱,屠柳青.超早強(qiáng)混凝土配置及耐久性研究[J].混凝土,2010(3):134-38.
[2] 張煒,王瑩,李繼野,等.快硬搶修自密實(shí)混凝土在橋梁伸縮縫中的應(yīng)用與研究[J].新型建筑材料,2014(8):20-23.
[3] 夏冬桃,劉向坤,夏廣政,等.混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土彎曲韌性研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(6):108-112.
[4] 夏廣政,夏冬桃.混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土深梁受彎承載力計(jì)算方法[J].新型建筑材料,2008(Z):200-203.
[5] 何東明,李麗娟,朱江,等.鋼纖維高強(qiáng)混凝土研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].混凝土,2009(4):17-19.
[6] 朱凱.大摻量粉煤灰對(duì)重交通路面混凝土性能的影響研究[J].混凝土,2011(4):125-129.
[7] 覃峰,包惠明.橡膠粉水泥混凝土性能試驗(yàn)的研究[J].混凝土,2007(9):69-72.
[8] 李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
[9] 黃念瓊,覃峰,楊勝堅(jiān),等.橡膠粉水泥混凝土路用性能及機(jī)理分析研究[J].人民長(zhǎng)江,2008,40(16):58-60.
[10] 秦鴻根,劉斯鳳,孫偉,等.鋼纖維摻量和類(lèi)型對(duì)混凝土性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(4):364-368.