聚丙烯纤维橡胶混凝土力学正交试验研究

占佳佳，庞建勇

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

混凝土由于制备简单、性能易调以及耐久、耐火性能好等优点，成为当代土木工程领域中应用最为广泛的重要工程材料。同时混凝土具有抗拉强度低、脆性大、易出现裂缝等缺点，无法满足日益发展的各类建筑工程对建筑材料的更高要求。因此，人们开始致力于研究开发出更加高强、高韧的混凝土材料以适应更高要求的混凝土结构[1]。

随着汽车行业的迅速发展，废旧轮胎的产量也日益增长。普通的“填埋”、“焚烧”等处理方法，对环境造成了严重污染，将其制成橡胶混凝土不仅有效解决了废旧轮胎的处理和再利用问题，还能对混凝土进行优良改性。相比普通混凝土，橡胶混凝土具有较好的韧性、抗冲击、抗疲劳及抗冻性能[2]。何兆芳等[3]通过预埋应变片的方法发现约束状态下掺入橡胶能有效缓解混凝土收缩受到约束时产生的应力，抑制应力发展。袁群等[4]的研究结果表明，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土抗冲磨强度大幅提高，而抗压强度却有不同程度降低。聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐磨、耐腐等诸多优点，对水泥基复合材料有良好的增强增韧效果[5]。姚文杰等[6]在混凝土中掺入不同掺量的聚丙烯纤维，发现适量聚丙烯纤维既能提高混凝土力学性能又能较好地改善混凝土脆性和耐久性。黄鑫等[7]通过正交试验得出混凝土外掺聚丙烯纤维最佳长度范围为10～19 mm。将聚丙烯纤维掺入橡胶混凝土中可明显改善橡胶混凝土的抗压、抗拉和抗折性能，还能进一步提高混凝土韧性[8]。陈爱玖等[9]的试验结果表明，聚丙烯纤维可以显著提高橡胶颗粒再生混凝土力学性能，且纤维掺量越大改善效果越明显。

为详细探究橡胶掺量、聚丙烯纤维掺量及长度对混凝土力学性能的影响规律，本文设计了正交试验并根据试验分析结果得出最优组合，为更好地回收利用废旧轮胎及研制性能更优的新型混凝土提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥；砂子：淮河中砂；石子：粒径5～20 mm的连续级配石灰岩碎石；拌和用水：生活自来水；减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%；橡胶：0.250 mm(60目)橡胶粉颗粒；聚丙烯纤维：束状单丝聚丙烯纤维，主要性能见表1。

表1 聚丙烯纤维的主要性能

1.2 正交设计

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，设计混凝土强度等级为C30的基准素混凝土作为对照组，水胶比为0.45，砂率为40%，具体配合比见表2。

表2 基准素混凝土配合比

正交试验以橡胶掺量(A)、聚丙烯纤维掺量(B)、聚丙烯纤维长度(C)为影响因素，每个因素取3个水平，选用L9(33)正交试验方案，其因子-水平见表3。

表3 因子-水平表

1.3 试验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13—2019)，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，用于28 d抗压和劈裂抗拉强度测试；试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，用于28 d抗折强度测试。不同配合比试件共10组，每组不同力学试验测试3个试件，共90个试件。

制作试件时，先将砂和石子干拌2 min，再加入胶凝材料、橡胶和纤维干拌2 min，接着均匀加入部分水和减水剂湿拌2 min，最后加入余下的水再搅拌3 min，入模振动成型24 h后拆模，随后在标准养护条件下养护28 d。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

各组试件28 d抗压、劈裂抗拉和抗折强度正交试验结果见表4。由表4可知，3#组(A1B3C3)28 d抗压、劈裂抗拉及抗折强度均高于其他组，表明本试验中材料各项强度达到最大的最优选组合为A1B3C3(橡胶掺量2%，聚丙烯纤维掺量0.8%，纤维长度18 mm)。

表4 正交试验结果

2.2 试验分析

2.2.1 极差分析

根据表4中试验数据，进行极差分析，结果如表5所示。

表5 极差分析

由表5可知，混凝土试件28 d强度影响因素主次顺序为A(橡胶掺量)>B(聚丙烯纤维掺量)>C(聚丙烯纤维长度)。其中橡胶掺量对28 d抗压强度影响最为明显，对于28 d劈裂抗拉强度和抗折强度，橡胶掺量和聚丙烯纤维掺量两者影响较接近，而纤维长度对混凝土强度影响较小。具体表现为试件强度随着橡胶掺量增大而显著降低，随着聚丙烯纤维掺量增大而明显增大，随着纤维长度增加而缓慢增长。

2.2.2 方差分析

极差分析虽简单直观，但无法区分某因素水平具体所对应的试验结果之间的差异是由因素水平不同还是试验误差所导致。因此，采用方差分析法分析各因素对试件力学性能影响的显著性，同时为确定各因素误差影响大小，采用贡献率定量分析各因素误差。方差及贡献率分析结果见表6。

表6 方差分析

由表6可知，各因素对混凝土试件强度影响的顺序为A(橡胶掺量)>B(聚丙烯纤维掺量)>C(聚丙烯纤维长度)，与极差分析结果一致。橡胶掺量和聚丙烯纤维掺量均对混凝土强度有重要影响，占主导地位，而纤维长度对混凝土强度影响较小。对于28 d抗压强度，橡胶掺量影响高度显著，贡献率高达96.43%，聚丙烯纤维掺量影响显著。对于28 d抗拉和抗折强度，橡胶掺量影响显著，聚丙烯纤维掺量有一定影响。

聚丙烯纤维长度对混凝土抗压强度贡献率与误差贡献率较接近，因此在试验数据处理过程中需格外谨慎关注。

2.2.3 因素指标分析

为对比分析各因素水平对混凝土力学性能的影响，取各指标在不同因素水平上的均值，绘制各指标与因素水平关系图，如图1～图3所示。

图1 因素水平与抗压强度的关系

图2 因素水平与劈裂抗拉强度的关系

图3 因素水平与抗折强度的关系

从图1可以看出，当橡胶掺量从2%增长到8%，试件抗压强度降低20%，并结合图2、图3可以看出，试件劈裂抗拉强度和抗折强度分别降低17%和8%。混凝土力学性能随橡胶掺量增加有不同程度降低，其中，抗压强度的削减最为明显。一方面，由于橡胶颗粒与砂浆之间的黏结作用比较薄弱，当橡胶取代细骨料率增高时，橡胶混凝土的化学胶着力会逐渐降低，而橡胶混凝土受力性能也随之降低；另一方面，橡胶的抗压能力远远低于细骨料，两者耦合导致橡胶混凝土力学性能随着橡胶掺量的增大而逐步降低[10]。

当聚丙烯纤维掺量从0.2%增长到0.8%时，试件抗压、劈裂抗拉和抗折强度分别增长了4.1%、9.4%与5.3%，说明聚丙烯纤维对改善混凝土力学强度有一定积极作用，且对抗拉强度的增强效果最为显著。由于聚丙烯纤维掺入混凝土后呈单丝状分布，在基体中形成均匀三维乱向网状支撑体系，产生了一种二级加强效果；同时，聚丙烯纤维可以被当成基体内微小的“次增强筋”，较好地弥补了混凝土基体自身抗拉强度低的固有缺陷，并协同基体分担了应力，避免了因应力集中而导致部分裂缝的发生，且纤维对混凝土产生的牵拉作用，使混凝土即便出现裂缝后，仍能保持良好的完整性和一定的承载能力[11]。随着聚丙烯纤维长度的变化，试件强度波动范围较小，纤维长度增加时，试件强度仅有小幅增长。当纤维长度从15 mm增加到18 mm，试件劈裂抗拉和抗折强度增长趋势趋于平缓，抗压强度有所减小，说明纤维长度在一定范围内的增长可以进一步提高混凝土力学强度，当超出此范围后不仅不能对混凝土力学强度起到增强作用，还会出现抑制效果。这是由于纤维长度过长，会加速纤维聚团，降低混凝土和易性与流动性，致使混凝土强度降低[12]。

2.2.4 正交层次分析

为优化配合比，在众多因素水平中选出最佳方案，采取层次分析法(AHP)对正交试验结果进行定量分析并作出最终决策。各因素综合影响权重直方图如图4所示，各因素水平对各指标影响权重的具体结果如表7所示。

图4 各因素综合影响权重

表7 各因素水平影响权重值

从图4可以看出，各因素对试件强度影响顺序依次为A(橡胶掺量)>B(聚丙烯纤维掺量)>C(聚丙烯纤维长度)。从表7可以看出：对于28 d抗压强度，橡胶掺量3个水平中A1(2%)影响权重最大；聚丙烯纤维掺量3个水平中B3(0.8%)影响权重最大，而聚丙烯纤维长度3个水平中C2(12 mm)影响权重最大；对于28 d劈裂抗拉强度，橡胶掺量3个水平中A1(2%)影响权重最大，聚丙烯纤维掺量3个水平中B3(0.8%)影响权重最大，聚丙烯纤维长度3个水平权重基本接近；对于28 d抗折强度，橡胶掺量3个水平中A1(2%)影响权重最大，聚丙烯纤维掺量3个水平中B3(0.8%)影响权重最大，聚丙烯纤维长度3个水平影响权重几乎一致。

2.2.5 改性混凝土延性及韧性分析

混凝土延性和韧性的最主要衡量指标分别是拉压比与折压比，拉压比与折压比数值越大，混凝土延性及韧性越好。试件拉压比与折压比曲线，如图5、图6所示。

图5 试件拉压比曲线

图6 试件折压比曲线

由图5可知，各组改性混凝土拉压比均高于基准混凝土拉压比，表明改性混凝土较基准混凝土延性和抗裂性能得到了提升。由图6可知，各组改性混凝土折压比也均大于基准混凝土拉压比，说明改性混凝土韧性均优于基准混凝土。由图5、图6可知：随着橡胶掺量增加，混凝土拉压比和折压比明显提高，当橡胶掺量从2%增加到8%，拉压比分别增长16.3%、19.8%、19.6%，折压比最大增长17.6%；同一橡胶掺量水平，增大聚丙烯纤维掺量能进一步提高混凝土拉压比和折压比，增强混凝土延性与韧性。这是由于掺入橡胶后，混凝土孔隙率增大且孔隙结构改变，导致其强度降低，而聚丙烯纤维对混凝土抗拉及抗折强度增强程度大于对抗压强度增强程度，因此拉压比与折压比在总体上有所提高。同时，聚丙烯纤维与基体间的紧密咬合粘结，有效抑制了裂缝发展，但若纤维掺量过高易在基体中分散不均匀，导致薄弱界面形成[13]。随着橡胶掺量不断增大，纤维逐渐难以弥补混凝土强度的损失，最终增益效应减弱乃至消失。因此，合理掺量范围内，加入橡胶与聚丙烯纤维对混凝土延性与韧性有良好改善效果，并能增强混凝土的抗裂与抗弯性能，可减少脆性破坏发生。

3 结论

(1) 聚丙烯纤维橡胶混凝土抗压、抗拉及抗折强度较优配合比组合为A1B3C3，即橡胶掺量2%，聚丙烯纤维掺量0.8%，聚丙烯纤维长度18 mm。

(2) 各影响因素中，橡胶掺量对混凝土各项力学强度性能影响最为显著，随橡胶掺量增加试件强度显著降低；聚丙烯纤维掺量影响显著，且对混凝土抗拉及抗折强度的增强效果大于对抗压强度，当掺量为0.8%时各项力学性能增强效果达到最佳；而聚丙烯纤维长度对混凝土力学性能影响较小。

(3) 混凝土中掺入橡胶后其延性与韧性有较好改善，抗裂与抗弯性能有所增强，可减少脆性破坏，对环境保护和废弃物利用有借鉴意义。