混雜纖維橡膠混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

余金城 龐建勇 姚韋靖 金昊鵬 王亞星

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

通常，在混凝土生產(chǎn)當(dāng)中可以摻入纖維、陶粒、橡膠、泡沫、再生微粉等各類材料，以改善產(chǎn)品的各項(xiàng)性能。隨著市場應(yīng)用需求的變化，摻入單一纖維所制備的混凝土在力學(xué)性能、耐久性等方面的適應(yīng)性略顯不足。于是，技術(shù)人員嘗試將不同種類的纖維摻入拌合料中制備成混雜纖維混凝土，利用各類纖維的性能優(yōu)勢互補(bǔ)作用來改善混凝土的性能。玄武巖纖維(BF)是一種性能良好的親水性纖維，能與混凝土基體間產(chǎn)生緊密的黏結(jié)性[1-5]，有利于提高混凝土的力學(xué)性能。聚丙烯纖維(PPF)是一種合成纖維,具有很高的斷裂伸長性，變形性能較佳。研究發(fā)現(xiàn)，摻入PPF對混凝土宏觀裂縫的發(fā)展具有很好的抑制作用[6-8]，但PPF自身具有的疏水性使其與混凝土基體間的黏結(jié)強(qiáng)度相對較弱[9]。橡膠具有獨(dú)特的吸能特性，摻入橡膠的混凝土具有良好的韌性和抗沖擊性[10]，同時(shí)可起到一定的保溫隔熱、減重隔音作用。但有研究發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒的混凝土力學(xué)性能受到一定影響，而摻入適量的纖維能夠中和橡膠顆粒的影響。

本次研究中，將嘗試制備BF、PPF混雜纖維混凝土，并通過立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對比分析混雜纖維、橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料主要包括：混凝土基體，強(qiáng)度為C40級(jí)；膠凝材料，選用八公山牌PO 42.5普通硅酸鹽水泥和淮南平圩電廠生產(chǎn)的F類I級(jí)粉煤灰，粉煤灰燒失比為4.07%，其主要化學(xué)成分如表1所示；細(xì)骨料，采用細(xì)度模數(shù)為2.52的天然河砂，含泥量為1.0%，堆積密度為1 450 kg/m3，表觀密度為2 670 kg/m3；粗骨料，采用粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量為0.2%；聚羧酸高性能減水劑，陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)，減水率為27.4%；PPF，中德新亞建筑技術(shù)有限公司生產(chǎn)，束狀單絲聚丙烯纖維，長度為12 mm；BF,山西晉投玄武有限公司生產(chǎn)，短切玄武巖纖維，長度為18 mm；橡膠，都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40 — 60目連續(xù)級(jí)配橡膠粉末，表觀密度為1 160 kg/m3。其中，BF、PPF的主要性能參數(shù)如表2所示。

表1 粉煤灰化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

表2 BF、PPF的主要性能參數(shù)

1.2 材料配合比

在試驗(yàn)中，按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55 — 2011)的要求進(jìn)行多次試配，最終確定試驗(yàn)混凝土的水灰比為0.381?；炷恋幕鶞?zhǔn)配合比如表3所示。

表3 混凝土基準(zhǔn)配合比 單位：kg/m3

首先，按照BF與PPF 2 ∶1的體積比例,設(shè)計(jì)制備6種不同纖維體積摻量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土(HBPFRC)；然后，再用橡膠粉末替換掉HBPFRC中細(xì)骨料(砂)體積的15%，制備6組玄武巖-聚丙烯混雜纖維橡膠混凝土(HBPFR-RC)；另外，制備2組混凝土基準(zhǔn)組，即C0組和RC組?？偣苍O(shè)計(jì)14組試驗(yàn)混凝土，其具體比例及參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)混凝土分組比例及參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 試塊制備及養(yǎng)護(hù)。按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)中的拌和物試塊制備要求，使用臥式拌和機(jī)來攪拌試驗(yàn)混凝土。首先，將已稱量的水泥、砂、碎石及橡膠粉末加入拌和機(jī)中干拌 3 min，再將撕散的纖維均勻撒入拌和機(jī)內(nèi)攪拌1 min；接著，將預(yù)先與減水劑充分混合的水倒入其中濕拌3 min，再將其迅速填入刷好油的模具中，置于振動(dòng)臺(tái)上直至表面出漿冒泡；然后，抹平模具表面，放在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)靜置24 h后拆模；最后，將試塊置于(20±2)℃的飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護(hù)28 d。

(2) 進(jìn)行混凝土力學(xué)性能測試。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081 — 2019)中的要求進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，均選用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，每組試件各選3塊，兩類試驗(yàn)共計(jì)84個(gè)試塊。

(3) 施加載荷。對混凝土施加載荷，所用加荷儀器為上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，通過與其配套的DSCC-5000多通道電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。將位移作為施加載荷的速度控制指標(biāo)，并設(shè)定試驗(yàn)中的加載速率和預(yù)加力：立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的加載速率為3 mm/min,預(yù)加力為 500 N；劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中的加載速率為 1 mm/min，預(yù)加力為50 N。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)所用試塊為非標(biāo)準(zhǔn)立方體，因此需先對其強(qiáng)度值進(jìn)行系數(shù)換算，令最終的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別乘以0.95和0.85的換算系數(shù)。所得試塊的28 d強(qiáng)度如表5所示。

表5 各組試塊的28 d強(qiáng)度 單位：MPa

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

通過立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察 HBPFRC、HBPFR-RC抗壓強(qiáng)度隨纖維體積摻量的變化規(guī)律，并分別與C0、RC 基準(zhǔn)組進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1所示。可以看出，隨著纖維體積摻量的增加，HBPFRC、HBPFR-RC組的抗壓強(qiáng)度均整體呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，且在BF體積摻量為0.4%、PPF體積摻量為0.2%時(shí)出現(xiàn)了抗壓強(qiáng)度峰值。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

與C0基準(zhǔn)組相比，P3B3、P4B4、P5B5組的抗壓強(qiáng)度分別提高了8.11%、13.51%、1.23%；與RC基準(zhǔn)組相比， P2B2R、P3B3R、P4B4R、P5B5R組的抗壓強(qiáng)度分別提高了1.64%、8.73%、19.60%、2.84%。同時(shí)，與C0基準(zhǔn)組相比，P4B4R組的峰值抗壓強(qiáng)度僅降低了10.50%。隨著纖維體積摻量的繼續(xù)增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯下降的情況。與P4B4R組相比，P5B5R組、P6B6R組的抗壓強(qiáng)度分別下降了14.02%、25.67%。

與各自的基準(zhǔn)組相比，P1B1組、P1B1R組的抗壓強(qiáng)度分別下降了6.30%、4.57%。纖維體積摻量較少的P1B1組和P1B1R組混凝土內(nèi)纖維分布稀疏，經(jīng)抗壓破壞后試塊破裂面處纖維未發(fā)生明顯的形變，且存在較多的孔隙結(jié)構(gòu)。經(jīng)抗壓破壞后，試塊內(nèi)纖維與混凝土基體接觸面的黏結(jié)力遠(yuǎn)小于纖維本身的劈裂抗拉強(qiáng)度，纖維的抗拉強(qiáng)度未得以充分利用，因而使得纖維本身占用的空間成為混凝土的強(qiáng)度薄弱區(qū)。

P2B2組和P2B2R組的抗壓強(qiáng)度大致與各自基準(zhǔn)組持平。這是因?yàn)椋绊懟炷量箟簭?qiáng)度的因素很多而導(dǎo)致其數(shù)值離散度較大，且當(dāng)體積摻量較小時(shí)纖維在混凝土內(nèi)密集度較低、抗壓強(qiáng)度提升有限，難以抵消因混凝土材料性能差異、人為操作不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致的強(qiáng)度波動(dòng)。

RC基準(zhǔn)組，是按體積比將C0基準(zhǔn)組中15%的砂用橡膠粉末替換掉而制成。與C0組相比，RC組試塊的抗壓強(qiáng)度約下降了25.17%。與未摻橡膠粉末的HBPFRC組相比，所有摻入橡膠粉末的HBPFR-RC組混凝土抗壓強(qiáng)度均顯著降低，分別下降了23.79%、23.31%、24.74%、21.15%、23.97%、18.68%，下降幅度均小于25.17%。

應(yīng)用SPSS軟件中的非線性回歸分析單元，分別對HBPFRC組和HBPFR-RC組的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，從而得到抗壓強(qiáng)度與混雜纖維總體積摻量的擬合關(guān)系式。

HBPFRC組的擬合關(guān)系如式(1)所示：

fcc=-110.974(100VD)3+104.347(100VD)2-

9.060(100VD)+38.903，R2=0.976

(1)

HBPFR-RC組的擬合關(guān)系如式(2)所示：

fcc=360.082(100VD)4-829.726(100VD)3+606.966(100VD)2-152.395(100VD)+42.222，R2=0.935

(2)

式中：fcc—— 混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；

VD—— 混雜纖維總體積摻量，%。

在達(dá)到破壞載荷后，C0組試塊的表面形成了較多的貫穿裂縫，繼而出現(xiàn)了混凝土大片剝落的現(xiàn)象，且在破壞瞬間伴有響聲，整個(gè)過程呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。

在受壓過程中，HBPFRC組試塊的表面裂縫分散且數(shù)量較少，大多為細(xì)小裂縫。在受壓破壞之后，試塊依舊保持原有的立方體形狀，只有邊角處有少量混凝土碎落。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，試塊發(fā)生了較大的縱橫向變形，表面水泥漿體崩而不散。這表明纖維在混凝土中產(chǎn)生了“橋接效應(yīng)”，大幅提升了混凝土的塑性和完整性。

在受壓過程中，HBPFR-RC組雖然未出現(xiàn)較大的貫穿裂縫，但其表面微小裂縫迅速增多。這表明混凝土內(nèi)部已發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，完整性有所下降，因而抗壓強(qiáng)度顯著降低。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析

通過劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察試塊劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維體積摻量的變化規(guī)律，并分別與C0、RC基準(zhǔn)組進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。與立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相似，劈裂抗拉強(qiáng)度呈先升后降的變化趨勢。與各自基準(zhǔn)組相比，最佳纖維摻量組 —— P4B4、P4B4R的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了21.25%、23.51%。

圖2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

與C0基準(zhǔn)組相比，P2B2、P3B3、P4B4、P5B5組的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了1.98%、6.23%、21.25%、15.01%。與RC基準(zhǔn)組相比，P1B1R、P2B2R、P3B3R、P4B4R、P5B5R組的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了5.96%、8.42%、12.98%、23.51%、16.84%。P4B4R組和C0組的劈裂抗拉強(qiáng)度只相差0.01 MPa，說明纖維的摻入可以抵消橡膠粉末所產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)。

同時(shí)，與C0基準(zhǔn)組相比，RC基準(zhǔn)組的劈裂抗拉強(qiáng)度下降了19.23%。與HBPFRC組相比，HBPFR-RC組的劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了8.3%、14.17%、14.13%、17.69%、18.00%、20.58%，下降幅度基本上小于19.23%，平均為15.48%。 結(jié)合HBPFR-RC組與HBPFRC組抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)對比結(jié)果，認(rèn)為摻入的橡膠粉末能夠與纖維共同發(fā)揮作用，從而加強(qiáng)纖維對混凝土力學(xué)性能的提升效果。

通過回歸分析，采用一元三次多項(xiàng)式來表達(dá)混雜纖維總體積摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系：

fts=a(100VD)3+b(100VD)2+c(100VD)+d,R2見表6

(3)

式中：fts—— 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa；

a、b、c、d—— 三次項(xiàng)、二次項(xiàng)、一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，如表6所示。

表6 參數(shù)取值

在用纖維替換橡膠粉末之后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的破壞形態(tài)差別不大。RC、C0基準(zhǔn)組在經(jīng)抗拉破壞時(shí)均出現(xiàn)斷裂成兩半的現(xiàn)象；而混雜纖維橡膠混凝土在經(jīng)抗拉破壞時(shí)未直接斷裂成兩半，只是在混凝土表面出現(xiàn)了一道較明顯的、垂直于劈裂面的貫穿裂縫，且裂縫處碎渣脫落較少，整個(gè)加荷過程中試塊表現(xiàn)出明顯的塑性。

2.4 纖維對混凝土性能的影響機(jī)理分析

經(jīng)過劈裂抗拉試驗(yàn)后，出現(xiàn)了2種試塊橫斷面，如圖3所示。在適當(dāng)?shù)膿搅肯拢w維密布均勻，整個(gè)斷面孔洞較少，多數(shù)為無害孔(孔徑<20 nm)和少害孔(孔徑為20～100 nm),且孔洞之間相距較遠(yuǎn)(見圖3a)。當(dāng)纖維摻量較高時(shí)，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了成團(tuán)現(xiàn)象，且周圍孔洞的尺寸大小差異較大(見圖3b)。分析認(rèn)為，當(dāng)混雜纖維的總體積摻量大于0.6%(VBF∶VPPF=2 ∶1)時(shí)，纖維的實(shí)際利用率下降，團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)纖維的比表面積變大，從而導(dǎo)致試件的強(qiáng)度發(fā)生下降。

圖3 劈裂抗拉試驗(yàn)中的試塊橫斷面

在理想狀態(tài)下，摻入的混雜纖維在混凝土體內(nèi)呈三維亂向隨機(jī)分布。在這種隨機(jī)分布模式下，纖維能夠均勻地分散，進(jìn)而形成空間網(wǎng)狀支撐體系，起到承托混凝土內(nèi)部骨料的作用。混凝土中摻入束狀單絲纖維，可以保證其與水泥石硬化物的緊密嵌合，從而減少內(nèi)部孔隙。對于因水泥水化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和混凝土收縮而形成的裂縫，BF和PPF均能起到抑制作用，從而在一定程度上減少混凝土的初始缺陷，使混凝土的內(nèi)部構(gòu)造得到改善，增強(qiáng)混凝土基體的韌性。當(dāng)混凝土因受力而出現(xiàn)裂縫時(shí)，纖維可以起到橋接裂縫、傳遞載荷的作用，使應(yīng)力不易集中，從而限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展；同時(shí)，纖維還可以約束混凝土在受壓過程中的橫向變形，使混凝土的強(qiáng)度得到提高。

在試塊受力破壞的加荷過程中，應(yīng)確保纖維產(chǎn)生明顯的受拉變形。當(dāng)纖維和混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度大于纖維的抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維大多數(shù)最終被拉斷而失效。當(dāng)纖維在混凝土基體內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，過多的纖維相互堆積、聚合，最終包裹水泥漿體而結(jié)成團(tuán)狀，即發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。此時(shí)，纖維在混凝土基體中的均勻性嚴(yán)重下降，網(wǎng)狀支撐體系受到破壞，且在混凝土拌和過程中更易混入氣泡而使混凝土內(nèi)缺陷增加，從而影響試塊抗變性能。結(jié)團(tuán)處屬于混凝土基體的薄弱區(qū)，在承受載荷時(shí)應(yīng)力相對集中，最先發(fā)生破壞，從而使整個(gè)試塊的強(qiáng)度喪失。綜上所述，隨著纖維摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)了先升后降的情況。

橡膠顆粒自身強(qiáng)度極低，遠(yuǎn)不及砂粒的強(qiáng)度。若用橡膠替換部分砂，必然會(huì)在一定程度上削弱混凝土的強(qiáng)度。橡膠顆粒作為一種有機(jī)材料，與混凝土中其他無機(jī)材料黏結(jié)的能力較弱，且又因彈性較大而在受力過程中黏結(jié)強(qiáng)度降低，因此最終引起混凝土強(qiáng)度的大幅下降。

3 結(jié) 語

本次研究中用橡膠粉末替換混凝土中部分細(xì)骨料，針對替換前后不同體積摻量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土和玄武巖-聚丙烯混雜纖維橡膠混凝土進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析。研究發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠粉末會(huì)大大降低混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，而摻入適量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維，能夠改善橡膠粉末所帶來的不利影響。其中，HBPFRC、HBPFR-RC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨纖維體積摻量的增多呈先升高后降低的變化規(guī)律，且在玄武巖-聚丙烯混雜纖維最佳體積摻量下，橡膠混凝土的強(qiáng)度提升效果優(yōu)于素混凝土。同時(shí)，纖維的摻入會(huì)使混凝土的破壞特征從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕茐暮笤噳K的完整程度較好；橡膠粉末的摻入會(huì)使混凝土在受壓時(shí)形成更多微小裂縫，從而降低混凝土的完整性，對劈裂抗拉強(qiáng)度的破壞形態(tài)影響較小。