基于正交法剑麻纤维-橡胶混凝土力学性能试验

陈彩芹，宗 翔

安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南,232000

随着汽车行业迅速发展，大量废弃轮胎对环境造成污染，如何利用“黑色金矿”[1-2]是当前急需解决的难点问题。目前研究大部分是在橡胶混凝土中加入纤维材料来弥补或增强橡胶混凝土的性能。莫金旭等[3]通过复掺橡胶粉和聚丙烯纤维进行研究，试验表明橡胶粉的掺入提高了PFC的阻尼性能,且在聚丙烯纤维掺量为1.5%时提高最显著；杨晨晨等[4]通过试验表明玄武岩纤维对橡胶混凝土的抗压强度的影响先增大后减小,当掺量为2.0 kg/m3时,有助于提升混凝土抗压强度；李征等[5]试验表明钢纤维在一定程度上改善了混凝土的脆性,对橡胶混凝土力学性能有所提升；Steyn等[6]通过研究表明塑料、橡胶、玻璃降低了混凝土的可工作性，增加了空气含量，玻璃提高了混凝土的机械性和耐久性；Md.Shahjalal等[7]研究表明含有30% RCA、5% CR和0.5% PP纤维的橡胶混凝土梁具有更高的弹性、延展性和韧性。

剑麻纤维是植物纤维中的一种 ,具有质地坚硬、拉伸强度高、耐海水腐蚀等诸多特性。正交试验设计是利用标准化的正交表安排试验方案，以达到减少试验次数仍能确定优化方案的一种方法[8]。本文采用三因素三水平正交试验确定了剑麻纤维最佳长度和最佳掺量范围，为后续继续研究剑麻纤维-橡胶混凝土力学性能提供一定的借鉴。

1 试 验

1.1 试验原料

(1)水泥。采用淮南海螺水泥有限责任公司生产的海螺牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分如表 1,各项性能指标满足规范要求。

表1 水泥的化学成分

(2)砂。采用淮河中砂，细度模数为2.7，堆积密度为1 450 kg/m3,表观密度为2 580 kg/m3。

(3)石子。选用粒径为5～16 mm连续级配的瓜子片碎石，各项性能满足规范要求。

(4)水。淮南市自来水。

(5)橡胶。选用1～3 mm的橡胶颗粒，试验采用等体积取代细集料的方法掺入橡胶颗粒,试验前橡胶颗粒处于密封、干燥的状态。

(6)剑麻纤维。选用广西剑麻公司生产的剑麻纤维，采用3种纤维长度，分别是15 mm、30 mm、45 mm，各项物理性质见表2。

表2 剑麻纤维的物理性质

1.2 材料处理

采取的预处理方法不同对提高橡胶混凝土的力学性能影响程度不同，且橡胶掺量越小，粒径越大，处理方式对橡胶混凝土基本性能影响越明显[9]。本文选用清水清洗对橡胶进行预处理，将橡胶颗粒在清水中浸泡24 h后捞出清洗干净后晾干备用；剑麻纤维用质量分数1%的NaOH溶液充分浸泡30 min后用大量清水冲洗至PH为中性，阴干后密封保存。采用此溶液浸泡，一是为了除去剑麻纤维表面的杂质比如果胶、植物脂类等，提升纤维素含量；二是使纤维的黏着面积大大增加，增加了界面强度，使得纤维材料本身的力学性能明显增强[10]。

1.3 试验设计

本试验主要考虑的因素有A橡胶掺量(5%、10%、15%)、B剑麻纤维掺量(2.4 kg/m3、4.8 kg/m3、7.2 kg/m3)、C剑麻纤维长度(15 mm、30 mm、45 mm)等。取9组配合比，参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)[11]，基准混凝土配合比设计强度为C35，其中水泥∶水∶石子∶砂配比为1∶0.54∶3.0∶1.62。1 m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比

1.4 试件制作及试验方法

本试验抗压强度及劈裂抗拉强度试验时间的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试件浇筑完24 h后拆模，在标准条件下养护28 d，试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[12]进行。为保证剑麻纤维在混凝土中分散均匀，投料时先加入石子和沙子等骨料搅拌30 s,再加入剑麻纤维充分搅拌2 min,利用粗细骨料将混合在混凝土中的纤维打散，再加入剩余的干料搅拌30 s,最后加入水搅拌30 s，结束后装入模具振捣抹平。

1.5 试验现象

在混凝土搅拌过程中，随着橡胶颗粒的增多，混凝土拌合物流动性有所减弱，但混凝土的保水性和粘聚性均可保持良好状态。

在混凝土试块加载过程中，沿着试块的侧面会出现较短而密集的裂缝，逐步向中间发展，过程中伴随着少量碎片脱落。当试件达到极限荷载后，剑麻纤维橡胶混凝土无明显破坏响声，尚能保持完整性，且加入的剑麻纤维越多，完整性越好，试件破坏裂缝之间仍能看见连接的剑麻纤维，试验完成后，掰开已破坏的试件发现经清水处理过的橡胶颗粒与水泥浆体粘结较紧，破坏面存在个别橡胶撕裂现象。

2 结果与分析

将试块按照规范要求养护至28 d后进行强度实验，测得其抗压强度与劈裂抗拉强度如表4所示。为探究橡胶掺量、剑麻纤维掺量、剑麻纤维长度对混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度的影响，利用SPSS统计分析软件进行分析。

表4 抗压与劈裂抗拉强度值

2.1 极差值分析

由表5、图1可知，剑麻纤维掺量对抗压强度影响最大，R为6.73 MPa，剑麻纤维的长度对抗压强度影响最小，R为1.40。因素A从5%增长到15%，随着橡胶掺量的增加其抗压强度降低了4.2%，这是因为橡胶等体积替换了混凝土中的部分细骨料材料，而橡胶本身是憎水性的弹性材料，强度远比混凝土中其他组成材料低，搅拌过程中容易上浮，橡胶会增大混凝土内部缺陷导致混凝土力学性能降低[13]。当因素B从2.4 kg/m3增加到4.8 kg/m3，其抗压强度降低了0.26%，没有明显降低；而当掺量增加到7.2 kg/m3时，降低了17.3%；说明纤维并非可以过量添加，纤维越多在混凝土内部越易形成搅团现象，导致纤维分布不匀继而影响混凝土抗压强度；因素C从15 mm增加到30 mm,抗压强度提升了3.9%，纤维长度继续增加时强度又有所下降，因为纤维与混凝土砂浆的黏结力与纤维的长径比相关，纤维长度并非越长越好，过长的纤维会使自身失去弹性伸张能力和吸收能量作用[14]。

表5 抗压、劈裂抗拉强度极差分析

图1 28d抗压强度效应曲线

由表5、图2可知，因素C对混凝土劈裂抗拉强度影响较大。橡胶颗粒掺量从5%提升到15%时，劈裂抗拉强度先略微提高又急剧下降。主要因为混凝土试件破坏始于内部，当橡胶掺量少且又对橡胶颗粒进行清水处理，在一定程度上改善了橡胶颗粒与混凝土界面水泥浆粘结强度，裂缝开展程度减缓[15]，但是随着掺量继续增大，内部缺陷增多，混凝土劈裂抗拉强度总体上仍然呈下降趋势。因素B在2.4 kg/m3时结合图1和图2可看出，此掺量在剑麻纤维最佳掺量范围内，随着剑麻纤维掺量继续增大到7.2 kg/m3时，掺量的改变使含有剑麻纤维的混凝土中含气量增大，促使混凝土劈裂抗拉强度的降低[16]；因素C剑麻纤维长度在30 mm时混凝土劈裂抗拉强度较好，因为适当长度的剑麻纤维在混凝土中乱向分布，在劈裂张拉的断裂面形成相互搭接的网状形态[17]，因此在3种长度的剑麻纤维劈裂抗拉强度中效果最好，纤维过长时,在混凝土搅拌的过程中易有团簇现象,不能均匀分散在混凝土中。

图2 28d劈裂抗拉强度效应曲线

2.2 方差值分析

如表6所示，通过方差分析得到剑麻纤维对混凝土抗压强度影响结果与极差分析一致:剑麻纤维掺量>橡胶颗粒掺量>剑麻纤维长度，其中剑麻纤维掺量对抗压强度影响为显著，而橡胶颗粒掺量和剑麻纤维长度对于抗压强度影响不显著。根据SPSS中主成分分析法分析相关性可知，剑麻纤维掺量与混凝土抗压强度的相关性最大，相关性系数为-0.817，橡胶颗粒掺量其次，相关系数为-0.196，最后为剑麻纤维长度，相关性系数为0.133，其分析结果与方差分析结果一致。

表6 抗压强度方差分析与因素相关性

如表7所示，通过方差分析得到橡胶颗粒掺量对混凝土劈裂抗拉强度影响结果与极差分析一致；剑麻纤维长度>剑麻纤维掺量>橡胶颗粒掺量，其中橡胶掺量、剑麻纤维掺量、剑麻纤维长度对劈裂抗拉强度影响不显著。根据主成分分析法分析相关性可知，剑麻纤维长度对劈裂抗拉强度相关性最大，相关系数为-0.522，剑麻纤维掺量其次，相关系数为-0.497，最后为橡胶颗粒，相关系数为-0.149，相关性分析结果与方差分析结果一致。

表7 劈裂抗拉强度方差分析与因素相关性

3 结 论

本文通过剑麻纤维-橡胶混凝土力学性能的正交试验研究，得出以下结论：

(1)剑麻纤维掺量对混凝土抗压强度有显著影响。通过极差和方差分析可得到对抗压强度影响顺序为：剑麻纤维掺量>橡胶颗粒掺量>剑麻纤维长度。剑麻纤维长度对劈裂抗拉强度相关性最大，通过极差和方差分析得到对于劈裂抗拉强度的影响顺序为：剑麻纤维长度>剑麻纤维掺量>橡胶颗粒掺量。

(2)剑麻纤维掺量在2～3 kg/m3时对橡胶混凝土有较好的影响效果，但由于本试验掺量跨度较大，在图中不能精确反应剑麻纤维的最佳掺量，后续可以进一步对掺量进行细化，以得到更好的结果。

(3)剑麻纤维长度为30 mm时，混凝土抗压及劈裂抗拉强度效果最好。

(4)在混凝土中加入废弃橡胶颗粒和植物纤维对节约资源、保护环境有一定意义，符合当前建设绿色节能型社会的需求。