陳 猛, 劉陽波, 陶云霄, 王 浩
(1.東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819; 2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所, 北京 100038)
可持續(xù)發(fā)展是國際社會的關注重點,提高資源的回收利用率愈加受到人們重視.汽車行業(yè)的飛速發(fā)展產(chǎn)生了大量的廢舊橡膠輪胎,焚燒及填埋處理會污染空氣及土地資源,合理利用廢舊輪胎材料可以減輕環(huán)境負擔[1].
廢舊輪胎回收加工后產(chǎn)生大量的鋼纖維、橡膠顆粒和聚合物纖維(recycled tyre polymer fiber,RTPF).相關研究表明,將從廢舊輪胎中回收的鋼纖維加入混凝土,能夠大大增強混凝土的韌性[2],橡膠顆粒可以改善混凝土的耐久性[3];Baricevic等[4]將RTPF加入混凝土中,結果表明RTPF增強了混凝土的抗凍融能力.另外,RTPF可以降低混凝土的毛細吸水性,同時并不會明顯影響混凝土的可泵性和抗壓以及抗折強度[5].在混凝土材料中,RTPF吸收的水分不會在水化過程中全部釋放出來,可以減小混凝土自身收縮[6].承受動態(tài)沖擊荷載時,摻量為2.4 kg/m3的RTPF混凝土表現(xiàn)出最好的能量吸收作用[7].目前,RTPF對混凝土拌合物及基本力學性能的影響缺少系統(tǒng)的試驗研究,并且RTPF在混凝土中的作用機理需要進行科學分析.
國內(nèi)外研究表明聚丙烯纖維(polypropylene fiber,PPF)能夠有效抑制混凝土的塑性收縮、減少裂紋、增強抗折和抗拉強度[8-10].有機合成纖維的生產(chǎn)過程對環(huán)境污染較大,使用廢舊纖維可有效緩解環(huán)境壓力,RTPF混凝土與PPF混凝土基本力學性能的差別需要系統(tǒng)的試驗分析.本文設計素混凝土(F0)、4種摻量RTPF混凝土和1種摻量PPF混凝土,通過拌合物性能測試、基本力學性能試驗和微觀損傷機理分析,研究RTPF對混凝土基本力學性能的影響和作用機理.
水泥采用P.Ⅰ.42.5硅酸鹽水泥;細骨料為細度模數(shù)2.56的河砂,最大粒徑為4.75 mm;粗骨料為5~20 mm的碎石;減水劑為減水率38%的聚羧酸高效減水劑.RTPF和PPF如圖1所示.RTPF的直徑、強度和彈性模量由上海新纖儀器有限公司生產(chǎn)的纖維直徑分析儀(SGD-1A)和工程纖維強度伸度儀(XG-1A)檢驗,RTPF和PPF物理及力學性能見表1.
素混凝土(F0)配合比為:水泥550 kg,砂560 kg,石子1 128 kg,水154 kg,減水劑5.5 kg;RTPF摻量分別為1.2,2.4,4.8和9.6 kg(體積摻量分別約為0.1%,0.2%,0.4%,0.8%),材料編號分別為RTPF12,RTPF24,RTPF48和RTPF96;PPF摻量為0.9 kg(體積摻量約為0.1%),材料編號為PPF09.
圖1 RTPF和PPF圖
表1 纖維物理及力學性能
按照配合比將水泥和骨料放入攪拌機中干拌,然后加入稱量好的水和減水劑攪拌不小于120 s,最后加入纖維攪拌至纖維分散均勻.將混凝土拌合物澆入模具并振搗密實,24 h后脫模并放入標準養(yǎng)護室(溫度(20±2)℃,相對濕度在95%以上).
按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[11]測試混凝土的坍落度和含氣量;按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[12]測試混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度;使用掃描電子顯微鏡(Ultra-plus SEM)觀察試件破壞后的纖維形貌,測試前在試件表面進行噴金處理,加速電壓為15 kV.
2.1.1 含氣量
混凝土拌合物含氣量如圖2所示.F0含氣量為1.88%.RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的含氣量分別比F0增加了11.2%,17.6%,27.1%,47.9%和28.2%.含氣量隨RTPF摻量增加而遞增,原因是纖維與漿體之間存在薄弱界面,為氣體進入提供更多通道,另外RTPF上附有橡膠顆粒,橡膠顆粒表面粗糙,很容易在攪拌過程中引入空氣[13].PPF09的含氣量與RTPF48相近,相同體積摻量(0.1%)下,PPF的引氣能力遠大于RTPF,這是由于PPF具有較強疏水性[14],而RTPF為尼龍簾子布粉碎后的纖維,遇水后具有一定親水性[6].
圖2 混凝土拌合物含氣量
2.1.2 坍落度
混凝土的坍落度如圖3所示.F0坍落度為185 mm,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的坍落度分別比F0降低8.1%,18.9%,35.1%,62.2%和14.6%.PPF09的坍落度介于RTPF12和RTPF24之間,RTPF的摻量越大,混凝土拌合物的坍落度越低,這主要是因為RTPF和橡膠顆粒吸收了混凝土拌合物中的水分[7],導致坍落度降低.
圖3 混凝土拌合物坍落度
2.2.1 立方體抗壓強度
立方體抗壓強度(fcu)試驗采用150mm×150 mm×150 mm試件,不同材料在7 d和28 d的立方體抗壓強度如圖4所示.當養(yǎng)護齡期為7 d時,F(xiàn)0的立方體抗壓強度為42.1 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的立方體抗壓強度分別比F0降低3.6%,3.8%,8.3%,18.0%和2.1%.當養(yǎng)護齡期為28 d時,F(xiàn)0的立方體抗壓強度為67.3 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的立方體抗壓強度較F0分別降低2.2%,3.6%,4.3%,17.7%和5.8%,RTPF混凝土7 d和28 d的立方體抗壓強度隨纖維摻量增大而降低,這與文獻[4]和[5]的試驗結果趨勢一致;當RTPF摻量達到0.8%時,強度降低明顯,這主要是因為RTPF96含氣量較大,坍落度較小.同時,RTPF中含有的橡膠顆粒彈性模量較小,在壓應力作用下相對于混凝土變形大,會降低混凝土的立方體抗壓強度,文獻[3]和[13]的研究表明,混凝土立方體和軸心抗壓強度隨橡膠顆粒摻量增大而降低.PPF09在28 d 的立方體抗壓強度介于RTPF24和RTPF48之間,相同體積摻量(0.1%)下RTPF相比PPF對混凝土的抗壓強度影響較小.
2.2.2 軸心抗壓強度
軸心抗壓強度(fck)試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的試件,試驗結果如圖4所示.F0的軸心抗壓強度為58.5 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分別比F0降低1.9%,2.6%,8.4%,12.6%和1.0%,相同體積摻量(0.1%)的RTPF和PPF對軸心抗壓強度的影響相差不大.F0的強度比(軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值)為0.87,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的強度比分別為0.87,0.88,0.83,0.92和0.91,兩種纖維混凝土的強度比與F0相差不大.
圖4 抗壓強度隨纖維或橡膠顆粒摻量變化圖
劈裂抗拉試驗采150 mm×150 mm×150 mm試件,試驗結果如圖5所示.F0劈裂抗拉強度為4.83 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分別比F0提高3.3%,7.6%,7.0%,6.2%和4.7%.這是由于RTPF和PPF可以抑制混凝土的早期收縮,減少微裂紋的產(chǎn)生及擴展,并在混凝土中呈三維亂向分布,發(fā)揮橋接作用[4-6,15],從而提高劈裂抗拉強度.但是隨RTPF摻量增加,混凝土內(nèi)部薄弱界面增多,拌合物工作性能變差,混凝土的劈裂抗拉強度降低.
拉壓比為劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比.F0拉壓比為7.17%,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分別比F0提高了5.72%,11.71%,11.74%,29.15%和11.29%,拉壓比隨RTPF摻量增大而增大,可見RTPF和PPF均可有效改善混凝土的脆性.
圖5 混凝土劈裂抗拉強度
抗折試驗采用100 mm×100 mm×400 mm試件,試驗結果如圖6所示.F0抗折強度為4.79 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分別比F0提高了3.5%,9.6%,7.3%,5.6%和 8.7%,RTPF混凝土抗折強度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢.RTPF摻量超過2.4 kg/m3時混凝土抗折強度下降,這是由于拌合物含氣量較大,坍落度較小,同時橡膠顆粒與混凝土之間的黏結界面抗拉性能較差,這與文獻[3]和[8]的研究結果相似.文獻[6]和[8]的試驗結果表明PPF對混凝土抗折強度具有增強作用.PPF比RTPF更長,能夠有效提高纖維的錨固長度[16],故在相同體積摻量(0.1%)下,PPF提高混凝土抗折強度更為明顯.
圖6 抗折強度隨纖維或橡膠顆粒摻量變化圖
圖7為原始RTPF和混凝土破壞后掃描電子顯微鏡測試圖.圖7a中原始PPF端口整齊,圖7b中在混凝土破壞后PPF端口呈尖錐形,這表明纖維在混凝土破壞時被拉斷,同時部分纖維表面出現(xiàn)劃痕,表明纖維在破壞過程中被拔出基體發(fā)揮了橋連作用.圖7c為混凝土破壞后RTPF形貌,部分纖維表面有劃痕或破壞端口呈錐狀斜茬.RTPF表面的粗糙度比PPF大,可以有效提供與基體之間的黏結力,抑制混凝土的收縮并在斷裂過程中發(fā)揮橋連作用.
圖7 纖維掃描電子顯微鏡圖像
1) RTPF和PPF混凝土含氣量均高于F0,含氣量隨RTPF摻量增大而遞增,在相同體積摻量(0.1%)下,PPF的引氣能力大于RTPF;混凝土坍落度隨RTPF摻量升高而降低,體積摻量在0.1%~0.8%的RTPF混凝土坍落度比F0降低了8.1%~62.2%,PPF09坍落度介于RTPF12和RTPF24之間.
2) RTPF和PPF混凝土抗壓強度均低于F0且抗壓強度隨RTPF摻量增大而降低;RTPF體積摻量在0.4%范圍內(nèi)對立方體抗壓強度影響不大;體積摻量在0.1%~0.8%的RTPF混凝土軸心抗壓強度比F0降低了1.9%~12.6%,相同纖維體積摻量(0.1%)的RTPF和PPF對軸心抗壓強度的影響相差不大.
3) RTPF和PPF混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度均高于F0,劈裂抗拉強度和抗折強度隨RTPF摻量均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢,RTPF體積摻量0.2%為最優(yōu)纖維摻量,其劈裂抗拉強度和抗折強度分別比F0提高7.6%和9.6%.
4) 混凝土破壞后RTPF形貌出現(xiàn)表面劃痕和端口拉斷,表明纖維從混凝土基體中拔出或發(fā)生受拉破壞,纖維與混凝土基體存在有效黏結力并發(fā)揮橋連作用.