纖維改性橡膠混凝土力學(xué)性能研究

陳一逸 郭鵬 張皓月

摘 要：纖維納米改性橡膠混凝土（SFNS-CRC）是一種新型環(huán)保的高性能混凝土。本試驗(yàn)選用橡膠體積摻量為5%和10%的橡膠混凝土，考慮4種不同鋼纖維體積率（0、0.5%、1.0%、1.5%），3種不同納米二氧化硅摻量（0、1%、2%），通過不同的混合物配合比，分別進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度分析，以及應(yīng)力應(yīng)變曲線分析，并探究軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系，得出鋼纖維、納米二氧化硅的最佳摻入量，鋼纖維摻入量與混凝土峰值應(yīng)力的關(guān)系，以及纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體的抗壓強(qiáng)度比值集中在0.74到0.84。

關(guān)鍵詞：鋼纖維;納米二氧化硅;立方體抗壓強(qiáng)度;軸心抗壓強(qiáng)度;應(yīng)力應(yīng)變曲線

中圖分類號：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0092-04

Abstract： Fiber nano-modified rubber concrete （SFNS-CRC） is a new type of environmentally friendly high performance concrete. In this experiment， rubber concrete with rubber volume content of 5% and 10%， considering four different steel fiber volume ratios （0， 0.5%， 1.0%， 1.5%） and three different nano-silica content （0， 1%， 2%） was selected to analyze cubic compressive strength and axial compressive strength， stress-strain curve， and to explore the axial compressive strength and cubic compressive strength. According to the conversion relationship of compressive The conversion relationship of volume compressive strength was obtained. The optimum amount of steel fiber and nano-silica， the relationship between the amount of steel fiber and the peak stress of concrete were obtained. The ratio of axial compressive strength to cubic compressive strength of fiber nano-modified rubber concrete was 0.74 to 0.84.

Keywords： steel fiber;nano-silica;cube compressive strength;axial compressive strength;stress strain curve

據(jù)估計(jì)，每年有將近1億個(gè)輪胎使用壽命結(jié)束，其中50%以上的輪胎未經(jīng)任何處理就被丟棄。到2030年底，每年的輪胎數(shù)量將達(dá)到12億（包括所儲(chǔ)存的輪胎，將有5億個(gè)輪胎定期被丟棄）[1]。廢棄橡膠的不易降解性不僅會(huì)對自然環(huán)境產(chǎn)生不可逆的危害，而且極易通過生態(tài)循環(huán)進(jìn)入人體，對人體的泌尿系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷。因此，如何妥善處理日益增加的廢舊輪胎橡膠已經(jīng)成為全球環(huán)境與資源研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。而橡膠水泥土和橡膠混凝土的開發(fā)和應(yīng)用開辟了回收利用廢舊輪胎橡膠的一個(gè)新思路。雖然橡膠混凝土相比于普通混凝土有著經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)勢，但其強(qiáng)度較弱，因此應(yīng)用也受到了限制。目前，有學(xué)者向橡膠混凝土中加入NaOH溶液、膠乳、合成樹脂和乳化瀝青等來改善橡膠混凝土的性能[2-5];也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在橡膠混凝土中加入鋼纖維、納米二氧化硅能顯著提高其力學(xué)性能[6-9]。本文主要研究常溫下鋼纖維和納米二氧化硅改性橡膠混凝土的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)采用42.5MP的普通波特蘭水泥（P.O 42.5），采用粒徑為5～20mm、相對體積質(zhì)量為2.66、連續(xù)級配的碎石粗集料;采用細(xì)度模數(shù)為3.40、比重為2.65的河沙細(xì)集料。此外，端彎鉤鋼纖維長度為35mm，長徑比為64，抗拉強(qiáng)度為1 345MPa;納米二氧化硅平均粒徑30nm，表觀密度為30～60g/L;橡膠顆粒粒徑1～2mm。25%減水率的萘甲醛減水劑用來保證混凝土混合物的坍落度在30～60mm。

1.2 混合物配合比

本試驗(yàn)的主要目的是探究纖維納米改性橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值。橡膠粉和鋼屑的混合比例遵循體積百分比法，而硅烷混合法是水泥的等效替代方法，即水泥的置換。表1給出了8種混凝土混合物的配合比例。

1.3 試件制備和試驗(yàn)過程

混凝土的制備過程：首先將粗細(xì)骨料混合攪拌90s，然后逐漸加入鋼纖維混合攪拌180s，保證鋼纖維均勻分散，若出現(xiàn)鋼纖維球狀交織物，表明鋼纖維未均勻分散，應(yīng)繼續(xù)攪拌;然后依次加入橡膠和水泥（如果混合物包括納米二氧化硅，將納米二氧化硅與水拌和），確?；旌衔锏木鶆蛐?最后把減水劑充分溶解在水中并倒進(jìn)攪拌器內(nèi)，再攪拌180s。當(dāng)拌和完成后，立即測試混凝土坍落度，保證混凝土混合物具有較好的工作性能，然后將試樣在150mm×150mm×150mm和150mm×150mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)塑料模具中澆筑，振動(dòng)臺振動(dòng)密實(shí)成型后，室內(nèi)靜置24h后拆除模具，然后將試塊放入溫度（20[±]2）℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d后取出晾干?？箟盒阅茉囼?yàn)在3 000kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，恒定加載速率為0.5MPa/s[10]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度及其分析

立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度有效強(qiáng)度值如表2所示。表2中的每組試件，同一溫度取3個(gè)試塊試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為28d立方體抗壓和軸心抗壓強(qiáng)度有效強(qiáng)度值。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，遵循控制變量原則，繪制其他集料含量一樣而不同鋼纖維摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度折線圖，如圖1所示;繪制不同鋼纖維摻量混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度對比柱狀圖，如圖2所示。繪制其他集料含量一致而不同納米二氧化硅摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度折線圖，如圖3所示;繪制不同納米摻量混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度對比柱狀圖，如圖4所示。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線及分析

圖5是橡膠為摻量為5%，鋼纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%的新型混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，都經(jīng)歷了上升階段、下降階段、收斂階段。其中，上升段都經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、內(nèi)部裂縫形成階段。與不摻加鋼纖維的基準(zhǔn)混凝土相比，其他三種混凝土的彈性階段都所加長，即彈性極限值有所增加，而且應(yīng)力應(yīng)變曲線在相同軸向位移值時(shí)所對應(yīng)的荷載值都有所提升，特別是鋼纖維摻量為1.0%的CR5SF1?？梢?，在相同橡膠摻量的基礎(chǔ)上，加入鋼纖維會(huì)提升混凝土的抗壓能力，但并不是鋼纖維摻量越多強(qiáng)度提升越多，在達(dá)到一定值之后，強(qiáng)度會(huì)有所下降。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系

根據(jù)表1及表2的數(shù)據(jù)，繪制軸心抗壓與立方體抗壓的關(guān)系表，如表3所示，以及強(qiáng)度比值散點(diǎn)圖，如圖6所示?？梢姡瑑烧叩谋戎到Y(jié)果穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

從表格和圖可以看出，在纖維改性橡膠混凝土中加入納米二氧化硅后，纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體的抗壓強(qiáng)度比值變化較為穩(wěn)定;纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體的抗壓強(qiáng)度比值集中在0.74～0.84（舍去一組比值為0.92偏差較大的數(shù)據(jù)）。

3 結(jié)論

①適量鋼纖維的摻入能提高普通混凝土的抗壓強(qiáng)度，而摻入量過多會(huì)引起強(qiáng)度的削弱，最佳的摻量為1%左右。

②適量納米二氧化硅的摻入會(huì)提升普通混凝土的抗壓強(qiáng)度，并且在0.5%～2%的摻量增加過程中，沒有出現(xiàn)強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。

③隨著鋼纖維摻量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力有所提升，其中摻量為1%的混凝土的峰值應(yīng)力最大。

④根據(jù)纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體的抗壓強(qiáng)度比值的計(jì)算，其比值集中在0.74～0.84。

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