不同纤维橡胶混凝土力学特性试验及微观结构

2022-09-08姚韦靖柏梦宇庞建勇

安徽理工大学学报（自然科学版） 2022年3期

姚韦靖，柏梦宇，张琴，庞建勇

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

目前废弃物资源化利用受到广泛关注，废旧橡胶由于化学性质稳定，若弃于地表或埋于地下，则难以降解且占用大量土地资源。而我国混凝土材料每年消耗量巨大，因而开发出橡胶混凝土(Rubber concrete，RC)，橡胶轻质、高弹性、粘性等特性可降低混凝土容重，提高延性、韧性、抗裂，且兼具隔热隔音及减震降噪等优点[1]，被广泛应用于我国路面路基工程，有效解决了废旧轮胎橡胶占地和环境污染等问题[2]。

但橡胶的掺入会造成混凝土类水泥基材料强度、弹性模量降低，试验表明以等体积取代法掺入橡胶替代20%砂后，强度损失率超过35%[3]。掺入纤维作为水泥基材料高性能化的主要途径，目前已有研究。钢纤维和聚丙烯纤维作为典型的高弹性模量和低弹性模量纤维，常单掺或复掺混凝土中加以研究[4]，如文献[5-6]认为混杂纤维掺入使得混凝土呈明显的塑性破坏特征，提高了材料的抗拉、抗裂、抗弯强度；文献[7]认为掺入混杂纤维可以提高试件的抗剪能力，对黏结强度有提高作用；文献[8]认为混杂纤维有效提高了混凝土结构的耗能能力和延性；文献[9-10]采用理论分析、室内试验、数值计算等方法对两种纤维混凝土增韧及耗能机理进行了探讨，得出两种纤维增韧值最大时纤维掺量。玄武岩纤维是一种新兴的环保型无机纤维材料，属低弹性模量纤维，将其掺入混凝土中能显著降低材料的脆性、提高其韧性和抗裂性[11]。也有学者将上述三种纤维材料掺入橡胶混凝土中，探究其对力学性能、各服役环境下耐久性的影响，证实纤维的有益作用。如文献[12]开展了钢纤维橡胶混凝土单轴受压试验研究，得到了单轴受压应力-应变全曲线数学表达式；文献[13]认为橡胶掺入显著提高混凝土的抗渗性和抗冲击性，掺入玄武岩纤维取得较好的阻裂和增韧效果；文献[14]研究了聚丙烯纤维混凝土对于抗渗、抗氯离子渗透等特性的影响。虽然纤维种类繁多，但是制备纤维混凝土中的纤维掺量多为经验取值。因此对橡胶混凝土中不同种类纤维的最优掺量及作用机理的探究，仍然是增强纤维橡胶混凝土力学性能的关键问题。

宏观上，钢纤维结构较为致密，属典型的高弹性模型纤维，而聚丙烯和玄武岩纤维类似，属低弹性模量纤维。文献[15]认为纤维可以显著抑制裂缝的扩展，高弹性模量纤维可以显著提高材料的强度，而低弹性模量纤维会大大增加材料的延性、韧性。

本文以橡胶混凝土作为对照组，掺入钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维制备纤维橡胶混凝土，测试各组混凝土立方体抗压、劈裂抗拉和抗折强度，得出各组试件纤维的最佳掺量，通过电镜扫描从宏观和微观揭示纤维对水泥基材料的增强机制。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

胶凝材料采用P·C42.5级复合硅酸盐水泥，3d和28d抗压强度分别为29.99MPa和49.75MPa，密度1 910kg/m3，比表面积1.477m2/g，细度342m2/kg，烧失量3.5%，标准用水量25.9%，初凝和终凝时间分别为165min和220min；粗骨料采用石灰质碎石，粒径5～20mm连续级配，表观密度2 787kg/m3，堆积密度1 449kg/m3；细骨料采用淮河中砂，细度模数2.6，表观密度2 347kg/m3，堆积密度1 379kg/m3，含泥量2.7%；橡胶，粒径20目(0.850mm)，表观密度890kg/m3，堆积密度980kg/m3，水分≤0.8%；外加剂为高性能减水剂。

钢纤维采用剪切波浪线型钢纤维，密度7.85g/cm3，弹性模量200GPa，长度33～36mm，宽度0.8～1.0mm，厚度0.5～0.7mm，抗拉强度≥1 000MPa；聚丙烯纤维采用单丝束状聚丙烯纤维，密度0.91g/cm3，弹性模量3.5～4.5GPa，长度10～51mm，直径0.02～0.05mm，延伸率15%～18%，抗拉强度500～600MPa；玄武岩纤维，密度2.65g/cm3，弹性模量113GPa，长度15mm，直径0.015mm，延伸率2.4%～3.0%，抗拉强度90～110MPa。

1.2 试验设计

试验设计以不同纤维和掺量为研究参数。采用等体积替代法，即一定质量橡胶颗粒取代相同体积砂子，橡胶颗粒质量为拌合物中胶凝材料质量的5%；钢纤维掺量为混凝土体积率的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%；聚丙烯纤维掺量为混凝土体积率的0.05%、 0.10%、 0.15%、0.20%、0.25%、0.30%；玄武岩纤维掺量为混凝土体积率的0.06%、0.12%、0.18%、0.24%、0.30%、0.36%。具体数据如表1所示，其中RC为橡胶混凝土(Rubber concrete)，SFRC为钢纤维橡胶混凝土(Steel fiber rubber concrete)，PFRC为聚丙烯纤维橡胶混凝土(Polypropylene fiber rubber concrete)；BFRC为玄武岩纤维橡胶混凝土(Basalt fiber rubber concrete)。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

采用尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试块和400mm×100mm×100mm棱柱体试块，成型1d后拆模，在标准养护条件下(相对湿度≥95%，温度为(20±1) ℃)养护至28d。测试各组试件立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度，其中100mm×100mm×100mm立方体试块用于测试抗压、劈裂抗拉强度，400mm×100mm×100mm棱柱体试块用于三点法测试抗折强度，共有19组混凝土，每组3个试件，总计171个。

使用上海纵横三思公司产WAW-2000微机控制电液伺服万能试验机进行强度试验，试验完成后从压碎的试块中取样，采用日立产S-3400N型扫描电子显微镜分析纤维橡胶混凝土微观结构。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

混凝土试件抗压强度测试结果如图1所示。纤维加筋材料掺入橡胶混凝土中，相较于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗压强度均有不同程度提高，且随纤维掺量增加，强度经历先增长后降低的变化过程，即存在最优纤维掺量。对于SFRC，钢纤维掺量为1.0%时最优，抗压强度较RC提高约13.87%；对于PFRC，聚丙烯纤维掺量为0.15%时最优，抗压强度较RC提高约20.44%；对于BFRC，玄武岩纤维掺量为0.18%时最优，抗压强度较RC提高约11.31%。

图1 混凝土抗压强度测试结果

结合试验过程发现，RC试件受压后随加载压力增大试件裂纹迅速扩张变宽，继而出现裂纹、掉皮、剥落，达到极限荷载后瞬间下降，但具有弹性的橡胶缓冲了部分压力，试件破坏声音较小；掺入纤维后的试件受压破坏过程类似，试件达到极限抗压强度后出现细小裂纹但没有贯穿，荷载缓慢下降，试验结束后依旧保持较好的完整性，出现了裂而不散、破而不碎的延性破坏。

2.2 劈裂抗拉强度

混凝土试件抗拉强度测试结果如图2所示。与抗压强度类似，相较于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗拉强度均有不同程度提高，依旧随纤维掺量增加强度经历先增长后降低的过程，存在最优掺量。对于SFRC，钢纤维掺量为1.5%时最优，抗拉强度较RC提高约37.94%；对于PFRC，聚丙烯纤维掺量为0.20%时最优，抗拉强度较RC提高约26.48%；对于BFRC，玄武岩纤维掺量为0.24%时最优，抗拉强度较RC提高约30.04%。

图2 混凝土抗拉强度测试结果

试验过程中，RC试件在受压时出现宽大裂缝，达到极限荷载时破坏并伴随响声，试件在劈裂面完整地断裂成两块，呈脆性破坏；而掺入纤维后，改善了混凝土脆性和韧性，试件均未出现完全的断裂，试验结束后依旧保持较好完整性，呈延性破坏。

2.3 抗折强度

混凝土试件抗折强度测试结果如图3所示。与抗压、抗拉强度类似，相较于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗折强度有所提高，依旧随纤维掺量增加先增长后降低，存在最优掺量。对于SFRC，钢纤维掺量为1.5%时最优，抗折强度较RC提高约32.82%；对于PFRC，聚丙烯纤维掺量为0.20%时最优，抗折强度较RC提高约35.88%；对于BFRC，玄武岩纤维掺量为0.18%时最优，抗折强度较RC提高约29.52%。

图3 混凝土抗折强度测试结果

结合试验现象发现，RC试件在加载荷载达到峰值时出现突然断裂，且裂缝发展较快，破坏声音低沉，表现出一裂即断的脆性破坏，破坏断面呈锯齿状；而掺入纤维后，试件出现相似的破坏过程，随荷载增加在试件底部正中位置出现裂纹，随加载荷载增加向上延伸，但仍能承受荷载，达到极限荷载时，在试件底部出现较多细小的裂纹，整个试件保持完整，呈延性破坏。

2.4 拉压比与折压比

根据试验结果计算各组混凝土的拉压比、折压比，如图4所示。拉压比、折压比大致随混凝土强度升高而降低，也间接反映了受压时功能转化变形能的分配比例关系，提高拉压比是混凝土改性追求的目标[16]。由图4可见，相较于RC，SFRC、PFRC、BFRC拉压比、折压比均有不同程度提高。对于拉压比，SFRC在钢纤维掺量为1.5%时最高，较RC提高约22.72%；PFRC在聚丙烯纤维掺量为0.30%时最高，较RC提高约12.30%；BFRC在玄武岩纤维掺量为0.24%时最高，较RC提高约17.98%。对于折压比，SFRC在钢纤维掺量为1.5%时最高，较RC提高约18.16%；PFRC在聚丙烯纤维掺量为0.30%时最高，较RC提高约21.19%；BFRC在玄武岩纤维掺量为0.12%时最高，较RC提高约16.77%。

(a)拉压比

2.5 纤维增强机制

造成上述试验现象的原因是，钢纤维是高弹性模型纤维，在水泥基材料中形成不定向三维分布体系，波浪形的钢纤维牢固嵌入混凝土基体内，限制裂缝的发展；聚丙烯纤维和玄武岩纤维均是低弹性模量纤维，属柔性纤维，两类纤维可以较好地吸附于水泥基体中，填充其松散连接面，形成有效承载网络，当裂缝发生后可以对裂缝周围基体产生拉拽牵扯作用，提升强度的同时，形成多缝断裂效果。而随纤维掺量增加，一方面，两类纤维不能承重，减小受压承载面积；另一方面，纤维间相互干扰，影响水泥基密实与黏结性，导致强度下降。

从破碎的混凝土试件中取样观察橡胶与水泥基体连接的微观结构，如图5所示。一方面，由图5(a)可见，橡胶表面附着大量空气，拌合时气泡掺入，凝结硬化后造成水泥胶凝内部的孔隙和裂缝增多；另一方面，由图5(b)可见，橡胶作为憎水材料，表面无法与水泥砂浆发生化学反应，界面过渡区裂纹、孔隙凸显，容易产生应力集中，成为承载力薄弱部位，因而较于普通混凝土强度降低[17]。