纳米SiO2+钢纤维协同改性橡胶混凝土试验研究

2022-04-26袁芙蓉

合成材料老化与应用 2022年2期

袁芙蓉

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100）

废旧橡胶轮胎因为其强度高、耐磨和耐老化性能高的特点，导致其难以自然降解。因此，废旧橡胶轮胎的处理问题成了目前较为重要的研究课题。众多学者研究发现，将轮胎橡胶打碎掺入混凝土中，能有效提升混凝土的抗冲击性能和变形能力。但掺入橡胶后，混凝土力学性能大幅度下降，难以满足当前建筑的强度标准。因此，提升橡胶混凝土强度是目前较为重要的课题。对此，我国很多学者做了很多研究，如：赵秋红［1］尝试在橡胶混凝土中掺入一定体积率的钢纤维，并证实钢纤维的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土的抗剪性能，提升橡胶混凝土韧性；胡艳丽［2］则从橡胶颗粒的取代率出发，对5种橡胶取代率的橡胶混凝土进行单轴受压,单轴劈拉和纯剪试验，证实橡胶取代率与橡胶混凝土呈负相关，随取代率的提高，橡胶混凝土力学性能随之降低。以上研究为橡胶混凝土力学性能的提升提供了参考，但橡胶混凝土力学性能还是达不到相关标准要求。基于此，本文参考赵秋红研究思路，尝试用纳米SiO2和钢纤维对橡胶混凝土，以进一步提升其力学性能，为橡胶混凝土性能提升提供理论基础。

1 试验部分

1.1 材料与设备

本试验主要材料：水泥（郑州盾泥建材有限公司，P.O 42.5 ）、碎石（灵寿县万运矿产品有限公司，粒径为 5~20 mm ）、砂子（灵寿县玖顺矿产品有限公司，中砂）、纳米SiO2（上海肖晃纳米科技有限公司，平均粒径 30nm）、萘系减水剂（山东翔昭新型材料有限公司，cp）、橡胶颗粒（天津艺航体育设施有限公司，粒径1~2 mm）、钢纤维（泰安浩华工程材料有限公司，长度35mm）。

本试验主要设备：强制式搅拌机（沧州冀言试验仪器有限公司，HJW-60）、振动台（华恒机械设备，ZDP）、微机电液伺服压力试验机（沧州筑龙工程仪器有限公司，HYE-3000BD型）、X射线衍射分析仪（XRD，津工仪器科技(苏州)有限公司，BTX III）、电子扫描显微镜（SEM，钧一检测技术(上海)有限公司，Lynx EVO）。

1.2 配合比设计

本文配合比设计主要以纳米SiO2掺量、钢纤维体积率和橡胶混凝土基体强度为变量［3］。基础组为含有5%橡胶颗粒，强度等级为C35的橡胶混凝土。研究了钢纤维体积率和纳米SiO2掺量对混凝土力学性能的影响。具体配合比见表1。表1中编号规格为：SF后数字表示钢纤维体积率，NS后数字表示纳米SiO2掺量，组别中，C35、C45表示混凝土强度，CR表示橡胶掺量。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.3 试验步骤

（1）提前将HJW-60型强制式搅拌机润湿，然后依次放入粗、细骨料进行搅拌，搅拌时间90s。待粗细骨料混合均匀后，将钢纤维持续均匀的放入，继续搅拌，搅拌时间为180s。

（2）待钢纤维在混合中完全分散后，加入人工拌和的水泥、橡胶和SiO2混合物。继续搅拌90s后，加入溶有减水剂的所有用水，充分搅拌。

（3）将搅拌均匀的混凝土倒入尺寸为150mm×150mm×150mm的塑料模具中浇筑成型。并置于ZDP混凝土振动台将混凝土振动密实。

（4）将振实后混凝土置于干燥通风处静置24h拆模，然后在标准养护室养护至指定龄期。养护温度和相对湿度分别为20℃和95%。

参照普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 50081-2002）［4］对混凝土试件基本力学性能进行测定。

1.4 性能测试

1.4.1 抗压性能

（1）将混凝土试件从标准养护室取出后，擦干试件表面水分，置于HYE-3000BD型微机电液伺服压力试验机上。

（2）将试件中心与压力机上压板中心对齐，然后打开压力试验机。以0.5MPa/s的速率对试件施加荷载，直至试件破坏，记录试件破坏时荷载，计算试件抗压强度。每组试验进行三次，取其平均值为最终结果。

1.4.2 劈裂抗拉性能

（1）取出试件后并擦干试件表面水分。用夹具将试件固定于HYE-3000BD型微机电液伺服压力试验机。

（2）打开压力试验机，以0.05MPa/s的加载速率对试件施加荷载，试件破坏后停止施压，记录试件破坏时荷载。每组试验进行三次，取其平均值为最终结果。

1.5 微观形貌

选择C35CR5中纳米SiO2掺量不同的三组混凝土试件进行微观形貌观察［5］。

1.5.1 SEM分析

（1）取尺寸为10mm×10mm×3mm 的混凝土试样，用砂纸将其表面磨平。

（2）在样本表面喷涂一层金，确保其具有良好的导电性。

（3）用导电胶将经过喷金的样品固定在试样台上，采用Lynx EVO型电子扫描显微镜观察其微观结构变化。

1.5.2 XRD分析

（1）从冷却后基体中提取砂浆试样，置于玛瑙研钵中磨碎，然后用200目筛子进行提取。

（2）将提取的砂浆粉末置于玻璃凹槽中，采用BTX III型X射线衍射分析仪进行物相分析［6］。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

表2为混凝土试件养护龄期为28d时抗压强度试验结果。由表2可知，经过钢纤维改性后，三种强度混凝土抗压强度皆得到明显提高，但继续增加钢纤维体积，抗压强度反而有所下降。这是因为钢纤维体积率过高时，纤维在混凝土中难以分散均匀，出现结团现象。当钢纤维体积率为1%时，三组试件混凝土抗压强度皆相对较高。因此，钢纤维的最佳体积率为1%。

表2 抗压强度试验结果Table 2 Compressive strength test results

当钢纤维体积率为1%时，经过SiO2改性的混凝土抗压强度明显高于未经SiO2改性的混凝土。且SiO2掺量为1%的试件对混凝土抗压性能的优化明显高于SiO2掺量为2%的试件。在C35CR5、C45CR5组中，复掺1%钢纤维和1% SiO2的混凝土试件比只含有1%钢纤维的混凝土试件抗压强度提高了2.9MPa和2.4MPa这就说明纳米SiO2能够进一步提升混凝土抗压性能。且纳米SiO2最佳掺量为1%。

在C45CR10组中，SiO2掺量对混凝土抗压强度的提升效果不明显。这主要是因为当橡胶含量较高，混凝土工作性能随之下降［7］。因此在制作橡胶混凝土时，橡胶含量为5%较为适宜。

综上所述，当钢纤维体积率为1%，纳米SiO 掺量为1%，橡胶含量为5%时，混凝土抗压性能最佳。此时C35CR5、C45CR5组28d抗压强度分别为48.5MPa和55.9MPa。

2.2 劈裂抗拉强度

表3为龄期为28d 试件的劈裂抗拉强度和拉压比。由表3可知，随钢纤维体积率的增加，混凝土劈裂抗拉强度总体表现出上升的趋势。由抗压强度试验结果可知，钢纤维最佳体积率为1%。以该混凝土作为基础，对比掺入SiO2后的混凝土试件发现，纳米SiO2对橡胶掺量为5%的混凝土试件劈裂抗拉强度优化较为明显。钢纤维和纳米SiO2掺入后，混凝土拉压比有所增加。这说明经过钢纤维和纳米SiO2协同改性后，橡胶混凝土的韧性得到提高［8］。当钢纤维体积率为1%，纳米SiO2掺量为1%，橡胶含量为5%时，混凝土劈裂抗拉性能最佳。此时C35CR5、C45CR5组28d劈裂抗拉强度都为5.12MPa。

表3 劈裂抗拉强度和拉压比Table3 Splitting tensile strength and tension compression ratio

2.3 SEM结果分析

图1为不同纳米SiO2掺量混凝土试件的微观形貌图。由图1可知，未掺加纳米SiO2的混凝土基体内部结构较为松散，且有板状氢氧化钙晶体存在。掺入1%的SiO2后，混凝土基体内部微观结构相对较致密，有少部分强氧化钙晶体存在。当SiO2掺量增加至2%时，混凝土基体内部微观结构更为致密，几乎找不到强氧化钙晶体，同时C-S-H凝胶彼此搭接，得到结构致密的连续相。因为纳米SiO2具备一定的小尺寸效应，因此在其表面具备较多的原子和不饱和健，使其具备较高表面能和化学活性。C-S-H凝胶以SiO2为核心形成空间网络结构，对钢纤维和基体的界面粘结性能起一定优化作用［9］。同时，纳米SiO2的微集料效应对水泥基体空隙进而过渡区间隙起一定填补作用，导致混凝土结构更加致密，增强了混凝土的力学性能。

图1 微观形貌Fig. 1 Micro morphology

2.4 XRD结果分析

图2为不同纳米SiO2掺量混凝土试件的XRD图谱，由图2可知，随纳米SiO2掺量的增加，氢氧化钙晶体衍射峰值在2θ=18°和 2θ=34°处明显降低。这就说明了生成C-S-H凝胶过程中，氢氧化钙晶体被大量消耗。在研磨过程中，基体砂浆中的沙子与样品一起磨碎，因此2θ=26.5°处石英沙（SiO2）晶体最大衍射峰与纳米SiO2掺量不存在直接关联。C-S-H在XRD图谱中不表现明显衍射峰的原因在于C-S-H 凝胶不是晶体状态［10］。综合可知，加入纳米SiO2后，混凝土微缺陷和空隙明显减少，进一步增加了钢纤维的抗裂性能，使得混凝土试件力学性能有所提高。