胶粉对纤维增强水泥基复合材料强度的影响①

□□ ， ，

(大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116024)

引言

混凝土材料脆性大、韧性低的缺点导致其在工程应用中受到了极大的限制，碳纤维、钢纤维、玻璃纤维等纤维混凝土的出现在一定程度上改善了这一情况。然而这些纤维由于自身延性较低，极限拉应变只能达到0.02%～0.03%[1]，因此其对水泥基复合材料韧性的提高有限，构件在弯曲和拉伸荷载作用下仍会出现应变软化现象[2]。近20年来，以微观力学和断裂力学为理论基础制备而成的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，简称PVA)纤维增强水泥基复合材料，以其超高的拉伸应变能力得到了广泛关注。纤维掺量为体积分数2%[3]时，即可达到3%～7%[4]的极限拉伸应变。但是，由于PVA纤维价格昂贵，使得PVA纤维混凝土价格约为传统纤维混凝土的4倍[5]，极大地限制了其在实际工程中的应用。

进入21世纪以来，汽车工业的快速发展带动了橡胶产量的逐年提升，也间接地造成了废旧橡胶的大量堆积。废旧橡胶的传统处理方法成本高、污染大且利用率低，因此合理地处理废旧橡胶并进行有效的回收利用，已成为我国乃至全世界亟待解决的问题[6-8]。

胶粉是由废旧橡胶经处理改性制备而成，其主要成分为无机填料和橡胶，因而具有橡胶所具备的强度、弹性和耐磨性等物理性能，但由于胶粉表面的憎水性，不能直接应用，因而多将其改性后利用于橡胶、沥青、塑料中[9-11]。在土木工程材料中，胶粉则主要应用于沥青混合料中用于铺筑路面，关于这方面的研究应用美国、日本、加拿大等国家已有成功案例[12-13]。

20世纪90年代，对胶粉应用于砂浆及混凝土材料中已有了广泛的研究，包括强度[14]、韧性[15]、冲击性[14]、收缩性[16]等。结果表明，在砂浆或混凝土中掺加一定量的改性胶粉后，砂浆或混凝土的强度和刚度下降，但韧性提高，收缩减小。然而以上研究均是将胶粉以粗细骨料的形式加入到水泥基复合材料基体中，要起到一定的增韧作用则需较高的胶粉掺量，但较高的胶粉掺量又容易造成水泥基复合材料流动性差等问题[7]。本文研究了在PVA纤维增强水泥基复合材料的基体中，以改性的可再分散性乳胶粉部分替代PVA纤维，以期在力学性能不降低甚至有所提高的情况下能够有效地利用废旧橡胶制品，大幅度降低因使用PVA纤维造成的高成本，促进PVA纤维增强水泥基复合材料的工程应用。

1 试验

1.1 试验材料

(1)基体材料：采用常州固邦复合材料科技有限公司生产的超高韧性水泥基复合材料干粉砂浆(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)(如图1所示)，由普通硅酸盐水泥、精细砂、粉煤灰及矿物掺合料组成，比表面积为326 m2/kg，其化学组成见表1。

图1 UHTCC干粉

表1 UHTCC干粉的化学组成 %

(2)增强纤维：采用聚乙烯醇(PVA)纤维(如图2所示)，纤维长12 mm，直径40 μm，拉伸强度1 600 MPa，弹性模量40 GPa，适宜体积掺量为1.5%～2.0%。

图2 PVA纤维

(3)胶粉：由天津某化工公司提供的可再分散乳胶粉(如图3所示)，其性能指标见表2。

图3 胶粉

外观固含量/%灰分/%堆积密度/(kg/m3)保护胶体>400 μm粒径/%pH值白色粉末,可自由流动≥98.010±2300～500聚乙烯醇≤46～8

1.2 试验方法

为验证在UHTCC基体中可再分散胶粉替代部分PVA纤维的作用效果，并找到合适的替代比例，分别以0.5%，1.0%，1.5%，2.0%体积掺量的胶粉替代0.1%体积掺量的PVA纤维，并以未掺加胶粉的UHTCC试件作为对比试件，具体配合比见表3。

表3 试验配合比及流动度

按不同替代比例的配比各成型40 mm×40 mm×160 mm试件3块，在制备过程中通过调整减水剂的用量，以使各组混合料拌合物获得相近的流动度。将成型好的试件置于标准湿气养护箱中养护24 h后拆模，放入水中养护至28 d龄期，依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行抗折强度和抗压强度测试。

2 试验结果及分析

图4为不同替代比例的胶粉对试件抗折强度的影响。由图4可见，当以体积分数0.5%的胶粉替代0.1%的PVA纤维时，试件抗折强度达到最大值，比未掺胶粉的试件提高了24.3%。随着胶粉掺量的增加，抗折强度有所下降，但均高于未掺胶粉的试件。其原因在于橡胶粉具有的强度和微弹性，使得其在水泥基体中能够承担一部分应力并限制和延缓微裂缝向宏观裂缝发展[17]，因而能够提高构件抵抗变形的能力，提高极限破坏强度。

图4 胶粉掺量对试件抗折强度的影响

图5为不同替代比例的胶粉对试件抗压强度的影响。由图5可以看出，当以体积分数1%的胶粉替代0.1%的PVA纤维时，试件抗压强度达到最大值，比未掺胶粉试件的抗压强度提高了40.4%。当掺量继续提高至1.5%和2%时，抗压强度降低较小，仍保持着较高的强度增大系数。在Eldin N N等[14]和Topcu I B[18]的研究中曾将胶粉以骨料的形式掺进混凝土中，但由于胶粉自身强度及刚度低于砂石骨料，导致试件抗压强度大幅度降低。而将胶粉作为纤维替代物加入砂浆中，砂浆抗压强度明显提高则在于胶粉具有强度且颗粒细小，在一定程度上填充了砂浆基体内部的孔隙以及搅拌过程中因PVA纤维存在而引进的气孔，提高了基体密实度，进而提高了试件的抗压强度[17]。图6所示分别为未改性和经改性的胶粉加入砂浆基体的SEM图，由图6可见，使用未改性胶粉的砂浆结构疏松，而经改性的胶粉加入砂浆基体中与周围介质粘结良好，起到了填充空隙的作用，使浆体结构更加密实[19]。

图5 胶粉掺量对抗压强度的影响

图6 胶粉-水泥浆体SEM图[19]

图7为不同替代比例的胶粉对试件折压比的影响。由图7可以看出，随着胶粉替代PVA纤维比例的增加，折压比呈现下降的趋势，即试件的韧性降低。其原因可能是随着胶粉掺量的增加胶粉发挥的作用更多地在于填充作用，使基体更加密实、强度增大，而较高强度的基体导致PVA纤维在发挥作用时的纤维拔出作用减弱，多数纤维被拉断，造成试件韧性降低[20]。但当胶粉替代比例为0.5%时，可获得与未掺加胶粉的对比试样相同的折压比(即韧性相当)，且在该替代比例下，试件的抗折强度和抗压强度分别提高了24.3%和24.4%。可见，当胶粉掺量为0.5%时，既提高了抗压强度和抗折强度，又保证了试件的韧性不降低。因此，可以在0.5%的胶粉掺量替代0.1%的PVA纤维配比的基础上，进行优化设计和制备工艺调整，以使试件在韧性不降低甚至有所提高的基础上，提高强度和降低PVA纤维增强水泥基复合材料成本，有效利用橡胶废弃物。

图7 胶粉掺量对折压比的影响

3 结论

3.1 由抗折试验结果可知，掺加胶粉能够提高基体的弹性，同时胶粉可起到限制微裂缝发展的作用，进而提高了试件的抗折强度。

3.2 由抗压试验结果可知，胶粉的加入填充了水泥基复合材料内部的孔隙，提高了基体的密实度，进而提高了试件的抗压强度。

3.3 当以0.5%的胶粉替代PVA纤维时，能够提高抗压强度和抗折强度，并且折压比不降低。由于减少了PVA纤维的掺量，使得纤维增强水泥基复合材料的成本降低，并有效利用了橡胶废弃物。

3.4 本次研究只进行了纤维掺量0.1%被胶粉替代时对水泥基复合材料强度的影响。在后续研究中，还将进行0.2%，0.3%等体积分数的纤维以胶粉替代的试验研究，进而找到更加合适的替代比例。

3.5 在力学性能研究的基础上，应进一步对胶粉替代纤维后试件的收缩性、冻融性、侵蚀性等耐久性能进行研究，从而使胶粉对水泥基复合材料性能影响的研究更加系统化。

参考文献：

[1] 徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报，2008，41(6)：45-60.

[2] Leung C K，Cheung Y N，Zhang J.Fatigue enhancement of concrete beam with ECC layer[J].CementandConcreteResearch，2007，37(5)：743-750.

[3] Li V C，Wang S，Wu C.Tensile strain-hardening behavior of polyvinyl alcohol engineered cementitious composite(PVA-ECC)[J].ACIMaterialsJournal，2001，98(6)：483-492.

[4] Zhou J，Qian S，Ye G，etal.Improved fiber distribution and mechanical properties of engineered cementitious composites by adjusting the mixing sequence[J].CementandConcreteComposites，2012，34(3)：342-348.

[5] Cheung Y N.Investigationofconcretecomponentswithapseudoductilelayer[D].Hong Kong：Hong Kong University of Science and Technology，2004.

[6] 叶智刚，孔宪明，余剑英，等.橡胶粉改性沥青的研究[J].武汉理工大学学报，2003，25(1)：11-14.

[7] 于利刚，刘岚，余其俊.废橡胶胶粉对砂浆混凝土性能的影响[J].广东建材，2006(2)：9-11.

[8] 王亚明，刘岚，傅伟文，等.废胶粉的改性及其在砂浆中的应用[J].化工进展，2006，25(7)：820-824，836.

[9] 何永峰，刘玉强.废旧硫化胶粉的利用[J].弹性体，2000，10(4)：35-37.

[10] 邱清华，王飞镝.废胶粉利用研究进展[J].橡胶工业，1997，44(11)：691-695.

[11] 谢定中.合成氨原料气醇烃化净化精制工艺[A].世界化肥生产技术大会论文集[C].北京：中国石油和化学工业协会，2004.

[12] 程源.废胶粉应用前瞻[J].合成橡胶工业，2001，24(2)：65-66.

[13] 韩秀山.我国公路应推广使用废胶粉改性沥青[J].橡胶工业，2001，48(8)：474.

[14] Eldin N N，Senouci A B.Rubber-tire particles as concrete aggregate[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering，1993，5(4)：478-496.

[15] Khatib Z K，Bayomy F M.Rubberized Portland cement concrete[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering，1999，11(3)：206-213.

[16] Raghavan D，Huynh H，Ferraris C F.Workability，mechanical properties，and chemical stability of a recycled tyre rubber-filled cementitious composite[J].JournalofMaterialsScience，1998，33(7)：1745-1752.

[17] 于利刚，余其俊，刘岚.废橡胶胶粉在砂浆混凝土中应用的研究进展[J].硅酸盐通报，2007，26(6)：1148-1152.

[18] Topcu I B.The properties of rubberized concretes[J].CementandConcreteResearch，1995，25(2)：304-310.

[19] 于利刚.废橡胶粉的杂化改性及其对水泥基材料结构与性能的影响[D].广州：华南理工大学，2010.

[20] Li V C.On engineered cementitious composites(ECC)[J].JournalofAdvancedConcreteTechnology，2003，1(3)：215-230.