玄武巖纖維對橡膠混凝土抗沖擊性能的影響*

魏昆侖 李雙喜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展使我國成為了世界廢舊輪胎生產(chǎn)大國[1]。近年來我國廢舊輪胎回收利用率約為60%，大量的廢舊輪胎會帶來環(huán)境污染的問題，橡膠混凝土的出現(xiàn)為廢舊輪胎的資源浪費與環(huán)境污染等問題提供了一條新的解決途徑。將廢舊輪胎破碎摻入混凝土中，應(yīng)用于經(jīng)常遭受車輛碾壓碰撞、砂石顆粒沖擊、磨損等問題的機場跑道、堤壩、橋梁等結(jié)構(gòu)工程中[2]，這不但要求橡膠混凝土具有一定的力學(xué)性能，而且必須具備一定的抗沖擊性能。相關(guān)研究表明，廢舊橡膠因其彈性特點作為骨料摻入混凝土中時，在沖擊荷載作用下可以通過壓縮形變稀疏沖擊動能，提高了混凝土的抗沖擊性能[3-4]，但也會降低骨料的骨架效應(yīng)，出現(xiàn)混凝土力學(xué)性能損失的問題，并且隨著摻量的增大而增加[5-6]，這是橡膠混凝土推廣中存在的關(guān)鍵問題。研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入隨機分布的纖維可以形成一定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，受力時在一定程度上減少裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，緩解裂縫間的尖端應(yīng)力集中效應(yīng)，以此提高了混凝土的力學(xué)性能[7-8]。玄武巖纖維(BF)作為一種新型纖維，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能以及優(yōu)良的相容性等優(yōu)點[9-10],還可以提高混凝土的抗沖擊性能[11-12]。鑒于此，可將BF與橡膠復(fù)合摻入混凝土中，結(jié)合兩種材料的優(yōu)勢，以期共同改善混凝土的綜合性能。目前對于單摻橡膠混凝土研究中使用的橡膠主要為粒狀橡膠或者粉狀橡膠[13-14]，單摻BF的研究中主要研究BF摻量的影響[15-16]，將兩種材料復(fù)摻的研究主要為力學(xué)性能方面[17-18],且關(guān)于玄武巖纖維橡膠混凝土(BFRC)抗沖擊性能的材料增強機理研究尚不明確。

本研究通過力學(xué)試驗、落錘沖擊試驗，對單摻橡膠、復(fù)摻BF和橡膠的混凝土進行力學(xué)及抗沖擊試驗，分析不同BF摻量和長度的RFBC力學(xué)及抗沖擊性能，并結(jié)合SEM微觀測試，分析其增強機理。同時，引入Weibull分布數(shù)理統(tǒng)計模型，對抗沖擊試驗結(jié)果的分布規(guī)律進行擬合和失效概率預(yù)測，以期為BFRC進一步推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥為新疆天山水泥P·O 42.5R；細集料為細度模數(shù)2.6的天然中砂，表觀密度為2.65 g/cm3；粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配的卵石,表觀密度為2.67 g/cm3；外加劑為聚羧酸高效減水劑；短切玄武巖纖維長度分別為6，12，18 mm，見圖1，其性能參數(shù)見表1；橡膠采用針狀橡膠，主要通過機器的剪切力和摩擦力獲得，長度為10～25 mm，寬度為1～2 mm，密度為1.15 g/m3，見圖1。

表1 玄武巖纖維物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of basalt fiber

1.2 混凝土配合比

試件水膠比為0.35，針狀橡膠等體積取代15%的細骨料，減水劑摻量為0.15%，試驗配合比見表2。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行力學(xué)性能試驗，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試件均在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

參照CECS 13∶2009《纖維混凝土試驗方法標準》，使用自制落錘抗沖擊裝置，底座采用剛性水平板，裝置見圖2。試件為直徑150 mm、高65 mm的圓餅形試件，沖擊球直徑為63 mm。沖擊錘質(zhì)量為4.45 kg，沖擊錘在450 mm高度自由落下，沖擊放置在試件頂面的鋼球，沖擊錘每次沖擊完成提升至預(yù)設(shè)的凹槽內(nèi)，保證試件中心、沖擊球、沖擊錘在同一豎直線上，每完成一次沖擊即為一個循環(huán)。當(dāng)試件表面出現(xiàn)第一條裂縫時即為初裂沖擊次數(shù)N1，當(dāng)觀察到裂紋貫穿時即為終裂沖擊次數(shù)N2。試驗中使用高清攝像機捕捉并分析二次沖擊損傷的能量。

圖2 沖擊試驗裝置示意 mmFig.2 The schematic diagram of impact device

混凝土沖擊功計算公式為：

W=mghn

(1)

式中：W為沖擊功,J;m為沖擊錘質(zhì)量，kg;g為重力加速度，取9.81 m/s2;h為沖擊錘下落高度；n為沖擊次數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強度和劈拉強度

由圖3可知，摻入15%的針狀橡膠，混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度分別降低了35.6%、33.5%。在橡膠混凝土中摻入BF，發(fā)現(xiàn)BF能提高橡膠混凝土的抗壓強度和劈拉強度，綜合對比不同BF摻量和長度的橡膠混凝土力學(xué)性能，當(dāng)BF長度為12 mm、摻量為0.1%時，橡膠混凝土的抗壓強度和劈拉強度提升最大，分別為10.7%、10.5%。說明在橡膠混凝土中摻適當(dāng)?shù)腂F能夠提高力學(xué)性能，減小因摻橡膠帶來的力學(xué)性能損失。

圖3 混凝土抗壓強度和劈拉強度Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of concrete

2.2 抗沖擊性能

本次沖擊試驗初裂與終裂結(jié)果見表3。由表3可知，摻15%的針狀橡膠能大幅度提高混凝土的抗沖擊次數(shù)，不同BF摻量和長度均會影響橡膠混凝土的抗沖擊性能。

表3 抗沖擊試驗結(jié)果Table 3 Impact test results

圖4為本次試驗混凝土的累計沖擊功對比圖。由圖4可知，相較于普通混凝土，15%摻量的針狀橡膠混凝土終裂累計沖擊功提升率為300%，說明針狀橡膠對普通混凝土的抗沖擊性能改善顯著；在橡膠混凝土中摻BF，綜合對比不同BF摻量和長度的終裂累計沖擊功，當(dāng)BF摻量為0.1%、長度為12 mm時，其提升率最大，為54%；相較于試件1普通混凝土的終裂累計沖擊功，試件4的終裂累計沖擊功提升率為516%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。這是由于適宜的BF長度和摻量在橡膠混凝土中分散程度較好，每一根纖維與基體間黏結(jié)情況良好，避免纖維產(chǎn)生滑移或拔出[19]，若BF摻量過大或長度過長，導(dǎo)致分布不均勻，出現(xiàn)結(jié)團等現(xiàn)象，降低其增強作用。此外可以看出，各試驗組初裂累計沖擊功比值和終裂累計沖擊功比值較為接近，這是由于平均初裂次數(shù)與平均終裂次數(shù)差值較小，由表3可知，普通混凝土的初裂終裂差值為1次，BFRC初裂與終裂最大差值組為組4，其差值為9次，因此表現(xiàn)為各試驗組累計初裂沖擊功比值和累計終裂沖擊功比值較為接近，由此可知，BF主要增強了橡膠混凝土的初裂累計沖擊功，增加了初裂沖擊次數(shù)，抑制了橡膠混凝土在沖擊荷載作用下宏觀裂紋產(chǎn)生的趨勢。

圖4 混凝土累計沖擊功比值Fig.4 Cumulative impact energy ratios of concret

另外，在落錘抗沖擊試驗過程中發(fā)現(xiàn)，落錘和沖擊球存在回彈并造成二次損傷的現(xiàn)象。因此試驗過程中使用高清攝像機捕捉和分析落錘與沖擊球的回彈高度，計算二次損傷耗能，由表3可知，二次損傷耗能約為單次沖擊全過程耗能的2%，因此，在分析沖擊耗能結(jié)果時，忽略二次損傷的影響，這與國內(nèi)外落錘沖擊試驗原理與方法一致[20-21]。

2.3 纖維橡膠宏觀增強效應(yīng)

在沖擊荷載作用下，普通混凝土破壞形式呈“一”字主裂紋開裂，并完全分裂為兩半，試件脆性破壞特征顯著，見圖5a，且由表3可知，其初裂沖擊次數(shù)與終裂沖擊次數(shù)的差值最小，即初裂和終裂幾乎同時發(fā)生，表明普通混凝土的韌性較差，在沖擊荷載作用下試件僅出現(xiàn)一條主裂紋就已破壞。

a—普通混凝土； b—橡膠混凝土； c—BFRC；d—橡膠混凝土開裂； e—裂縫局部放大。圖5 混凝土終裂破壞形態(tài)Fig.5 Final crack failure modes of concrete

當(dāng)混凝土中摻入針狀橡膠，其破壞形態(tài)為先出現(xiàn)一條未完全貫穿的主裂紋，在多次沖擊荷載循環(huán)作用下，主裂縫靠近中間部位再發(fā)展出一條或多條副裂紋，見圖5b,最終試件發(fā)生主裂紋貫穿破壞，且初裂、終裂沖擊次數(shù)差值大于普通混凝土。這是由于針狀橡膠具有彈性，沖擊荷載以動能形式作用于混凝土，分布于混凝土中的針狀橡膠則能吸收動能用于材料的形變，同時因其具有一定長度，在形變過程中能吸收回彈并耗散更多能量，減小作用于基體的動能，因此基體開裂需要更多的能量，使得試件整體損傷增多，從而表現(xiàn)出主裂紋開裂并伴隨副裂紋出現(xiàn)的現(xiàn)象，最終達到改變混凝土脆性、增加韌性的目的。此外，在沖擊試驗過程中發(fā)現(xiàn)，摻針狀橡膠的混凝土宏觀裂紋貫穿時，試件并未完全分開，這是由于針狀橡膠具有一定長度，在混凝土中呈三維亂向分布，分布于裂縫間的針狀橡膠將開裂試件連接在一起，見圖5d，將圖5d局部放大50%，見圖5e，可以看出，針狀橡膠通過自身形變連接開裂試件，在宏觀層面上表現(xiàn)出針狀橡膠的阻裂作用。BFRC的抗沖擊破壞形態(tài)與單摻針狀橡膠時較為相似，即在主裂紋靠近中間部位發(fā)展一條或多條副裂紋，最終試件發(fā)生主裂紋貫穿破壞，見圖5c，在宏觀表現(xiàn)上為沖擊次數(shù)的增加，表明BF能進一步增強橡膠混凝土的抗沖擊性能。

2.4 纖維橡膠微觀增強效應(yīng)

結(jié)合力學(xué)試驗和抗沖擊試驗數(shù)據(jù)可知，摻加長度為12 mm、摻量為0.1%的BF時，BFRC力學(xué)性能和抗沖擊性能最佳，所以SEM的微觀測試研究選用此試件觀察其微觀結(jié)構(gòu)，試件SEM觀測結(jié)果見圖6。

a—針狀橡膠形貌； b—橡膠與基體結(jié)合面； c—基體中的玄武巖纖維； d—裂紋間的玄武巖纖維。圖6 橡膠纖維混凝土SEM圖Fig.6 SEM of rubber fiber reinforced concrete

由圖6a可知，針狀橡膠表面凹凸不平，在混凝土拌和過程中，易引入空氣，降低混凝土的密實度，且由圖6b可知，橡膠與水泥基體間存在一定距離間隙，亂向分布的橡膠引入過多薄弱界面，這是由于橡膠的憎水性減弱了與水泥基體間的黏結(jié)力，同時橡膠具有一定彈性，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能降低[22]。纖維與水泥基間的界面結(jié)合度是纖維與混凝土間應(yīng)力傳遞的關(guān)鍵[23]。纖維與水泥基體間應(yīng)力傳遞主要依靠纖維與水泥基的化學(xué)膠接力和物理摩擦力來實現(xiàn)增韌阻裂作用。由圖6c、d可知，適當(dāng)摻量和長度的BF在橡膠混凝土中分散較好，BF為天然巖石纖維，其主要成分為硅酸鹽，與水化產(chǎn)物成分接近，在水化過程中，與水泥石黏結(jié)情況較好[24]，可以看出纖維-水泥石之間無明顯界面區(qū)，因此保障了混凝土受力時BF在其中的應(yīng)力傳遞作用。此外可以發(fā)現(xiàn)BF呈三維亂向分布，能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)，增強整體受力傳遞性能。部分分布于裂紋間的BF則通過與基體間的黏結(jié)力和摩擦力可將部分應(yīng)力傳遞至裂紋兩側(cè)的基體上，同時消耗部分應(yīng)力用于自身材料的拉拔變形破壞，進而阻止裂紋的進一步擴展。

對于BFRC，當(dāng)荷載作用時，BF和橡膠能夠同時發(fā)揮作用，充分展現(xiàn)材料的優(yōu)異性能。在沖擊荷載作用下，試件主要以裂紋貫穿的形式破壞，BF能傳遞并消耗部分應(yīng)力用于自身材料的拉拔變形斷裂破壞，針狀橡膠能壓縮吸收回彈并釋放部分動能，減弱作用于基體的動能，此外由于針狀橡膠的特殊形貌，裂紋間的針狀橡膠也能通過與基體間的黏結(jié)力和摩擦力耗散沖擊動能，兩種材料在不同層面上共同抑制裂紋擴展，增加了BFRC承受荷載的能力，減小材料與水泥基體間的破壞程度，增強了BFRC的綜合性能，延長使用壽命。

2.5 BFRC的Weibull分布模型

由表3可知，在相同的試驗條件下，可能由于纖維、橡膠復(fù)合混凝土的變異性，BFRC的抗沖擊次數(shù)存在一定離散性，因此研究它的概率分布對分析材料抗沖擊規(guī)律具有一定意義?；炷量箾_擊試驗可看做一種疲勞破壞機制，可通過正態(tài)、對數(shù)正態(tài)和Weibull分布模型來描述疲勞壽命數(shù)據(jù)，其中Weibull分布對樣本容量要求不大，同時數(shù)學(xué)處理較為容易，在混凝土抗沖擊性能方面應(yīng)用較多，但對BFRC的抗沖擊次數(shù)的概率分布是否可用Weibull分布擬合卻未見報道，因此下面將進一步討論?？蓪⒒炷量箾_擊次數(shù)N的Weibull密度函數(shù)[25-26]表示為：

(2)

式中：N0為最小壽命參數(shù)，N0≤N<∞；Na為特征壽命參數(shù),b為威布爾形狀參數(shù)。

當(dāng)N0=0時，式(2)簡化為兩參數(shù)Weibull分布,概率密度函數(shù)為：

(3)

若用P(N)表示試件抗沖擊次數(shù)N的累計失效概率函數(shù)，則有：

(4)

對(4)式進行等價變換并同時取兩次自然對數(shù)得：

(5)

y=αx-β

(6)

小樣本條件下(n≤20，n為沖擊試驗的樣本總數(shù)，n=8)，將各組數(shù)據(jù)按照升序排列，采用平均秩法的期望估計，其累積失效率概率函數(shù)的表達式[27-28]為：

(7)

式中：i為按照升序排列后的破壞試件序號數(shù)，i=1，2，…，n。

根據(jù)式(4)～(6)計算，抗沖擊次數(shù)擬合分析結(jié)果見表4。由表4可知，對于BFRC的抗沖擊次數(shù)，其相關(guān)系數(shù)R2中最小值為0.824，最大值為0.987，且由圖7的Weibull分布線性擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，終裂沖擊次數(shù)ln(N2)與ln[-ln(1-P(N2))]表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，同時根據(jù)Rahmani等提出的可靠性模型[29]，當(dāng)相關(guān)系數(shù)R2大于或等于0.7就能滿足，因此可以推斷BFRC的抗沖擊次數(shù)，服從雙參數(shù)Weibull分布模型分析。

表4 抗沖擊次數(shù)的威布爾分布線性回歸結(jié)果Table 4 Linear regression results of Weibull distribution of impact resistance times

圖7 抗沖擊破壞次數(shù)N2的Weibull分布線性擬合曲線Fig.7 Linear fitting curves of Weibull distribution of impact failure times N2

根據(jù)式(4)～(7)，得到不同失效概率下抗沖擊次數(shù)N計算式見式(8)，根據(jù)式(8)計算在相應(yīng)失效概率下BFRC的抗沖擊次數(shù)N，結(jié)果見表5。

表5 不同失效概率下的抗沖擊次數(shù)Table 5 Impact resistance times under different failure probabilities 次

(8)

式中：α和β為威布爾分布回歸參數(shù)，可從表4獲得。

由表5可知，當(dāng)失效概率為10%時，摻針狀橡膠后，其終裂次數(shù)為143次，遠大于普通混凝土，說明在混凝土中摻針狀橡膠有利于提升抗沖擊性能。在不同失效概率下，由圖8對比可知，BF摻量為0.1%，長度為12 mm時其終裂沖擊次數(shù)最多，此時BFRC的抗沖擊性能最佳。

a—ln(N2)與玄武巖纖維摻量的關(guān)系； b—ln(N2)與玄武巖纖維長度的關(guān)系。圖8 不同失效概率下沖擊破壞次數(shù)ln(N2)與玄武巖纖維摻量及長度的關(guān)系曲線Fig.8 Relations between impact failure times ln(N2) and fiber content and length under different failure probabilities

3 結(jié)束語

1)針狀橡膠可以提升混凝土的抗沖擊性能。摻入15%的針狀橡膠，混凝土的抗沖擊性能提高了300%，且韌性明顯提升，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。玄武巖纖維(BF)的摻量和長度會影響針狀橡膠混凝土抗沖擊性能，對比本次試驗數(shù)據(jù)，BF長度為12 mm、摻量為0.1%時,針狀橡膠混凝土的抗沖擊性能提高了54.0%，此時相較于普通混凝土，玄武巖纖維橡膠混凝土(BFRC)的抗沖擊性能提高了516%。

2)沖擊荷載作用于BFRC時，BF和針狀橡膠共同作用，在不同層面上達到增韌阻裂目的，針狀橡膠通過變形耗散部分動能，BF則通過與基體間的黏結(jié)力和摩擦力消耗動能用于纖維的拉拔形變破壞，兩種材料共同減小作用于基體的動能，達到增強目的，進而BFRC表現(xiàn)出比普通混凝土更優(yōu)異的抗沖擊性能。

3)BFRC的抗沖擊次數(shù)可以用雙參數(shù)Weibull分布統(tǒng)計分析，隨著失效概率的升高，BFRC的抗沖擊次數(shù)增加，在不同失效概率下，BF摻量為0.1%，長度為12 mm時，BFRC的抗沖擊次數(shù)最多。