纤维增强橡胶砂浆抗冲击性能研究*

颜 岩，孔 昱，王迎斌，白应华

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 武汉 430068)

0 引 言

再生骨料应用到建筑材料，实现固体废弃材料再利用。不同再生材料与混凝土混掺使用时，再生材料自身性能差异及加工性能损伤、水化结合过程受阻等原因，都导致再生混凝土强度大幅度下降，可能不能满足工程使用标准，阻碍再生材料在不同工程领域的实际应用。参考纤维增强水泥基复合材料(ECC)中不同种类的纤维被用以改变水泥基材料的性能，达到增韧增强的效果，将掺入纤维作为增加再生混凝土冲击韧性的一种新尝试，对不同纤维和再生材料在水泥基材料中的组合和利用，提供了新的思路来解决再生资源在更多领域的推广使用。除此之外，对再生材料进行改性处理，经过化学或物理的方式使其获得新的性能，也是众多学者正在探究和摸索的解决方式，目前许多学者已经对再生骨料水泥基的性能陆续开展研究。

董伟等[1]使用玄武岩混凝土改善风积沙混凝土韧性，7 d龄期的试件冲击延性和韧性指数都高于28 d。周聪[2]、王磊[3]等使用单一的纤维对再生材料进行增强、增韧。周聪[2]将不同钢纤维掺量和类型掺入到再生骨料替代的混凝土中，发现端钩状的钢纤维对再生混凝土的延性改进效果明显，对试件抗冲击韧性增韧效果更佳。王磊[3]探究碳纤维对不同水灰比的珊瑚混凝土增强效果，碳纤维在水泥基体内分散均匀，试件的抗冲击韧性明显提高。Gupta[4]对不同掺量的橡胶和硅灰在不同水灰比下进行组合，发现硅灰的掺入可以改善试件的力学性能和抗冲击性能，且这些性能同硅灰的掺量呈现线性关系。马士宾[5]、闻洋[6]、 Siddique[7]等使用单一的再生骨料，如橡胶、陶瓷，改变其掺量、种类和替代比例，通过落锤冲击试验来探究不同变量对水泥基材料的性能影响。薛创[8]、Alwesabi[9]等都使用组合纤维的方式来探究不同种类的纤维共同使用时对水泥基材料的抗冲击韧性的变化规律，发现组合使用不同种类的纤维对水泥基材料的抗冲击性能增强效果显著。

本文使用橡胶粉替代10%的细集料掺入到砂浆中，掺入9、12、18 mm的PVA纤维，通过0.05%、0.10%、0.15%、0.20%体积掺量来探究PVA纤维掺量对橡胶砂浆的抗压强度、抗折强度和抗冲击韧性的作用效果。

1 实 验

1.1 实验材料及配合比

水泥采用武汉市华新堡垒P·O 42.5水泥；橡胶颗粒为成都市四通橡塑有限公司出品的40目轮胎橡胶粉，取代10%体积分数的细集料；纤维为上海楷源化工有限公司出品的长度为9、10、12 mm的PVA纤维，9 mm纤维按照水泥体积掺量的0.05%、0.10%、0.15%、0.20%掺入，10、12 mm纤维按水泥体积掺量的0.10%掺入。纤维和橡胶粉表征如图1所示，纤维的性能参数见表1。采用的细集料为级配良好的天然河砂，含泥量2.67%，密度1.50 g/cm3，细度模数为2.58；试验用水为武汉市生活自来水；外加剂为聚羟酸系高效减水剂，主要成分为聚丙烯酸酯共聚物。试验配合比见表2，其中R10代表橡胶的掺量为10%，P后数值代表PVA纤维的掺量和纤维长度。

表1 PVA纤维性能参数

图1 实验材料

表2 实验配合比(kg/m3)

1.2 实验方法

(1)拌合方式：试验采用湿拌法，将细集料和水泥依次倒进搅拌机中后，进行2 min左右的慢速拌合，待拌合均匀后倒入混合减水剂的水，慢速搅拌2 min左右搅拌至所有集料均匀，放入手动分散的PVA纤维，慢速搅拌2 min至纤维分布均匀，再进行2 min快速搅拌。

(2)力学试验：抗压强度试验试件尺寸为40 mm×40 mm×40 mm，抗折试验使用试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，各项试验每个掺量各准备3个试件，浇筑后的试件在标准环境下养护28 d后进行试验。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)进行纤维增强橡胶水泥基材料的抗压、抗折强度试验。抗折、抗压试验试件如图2所示。

图2 抗折、抗压试验试件

(3)落锤冲击试验：落锤冲击试验所用试块为圆饼形，使用自制的模具，直径为150 mm，厚度为60 mm。落锤冲击试验根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13-2009)进行，使用的落锤重量为4.5 kg，下落高度为50 cm，记录经历落锤冲击后不同的试件出现初条裂缝的落锤次数N1、出现破坏的落锤次数N2，根据(1)式计算落锤冲击能量W。

W=Nmgh

(1)

式中：W为落锤冲击功，J；N为落锤次数；h为落锤高度，m；m为落锤质量，kg；g为重力加速度9.80 m/s2。

2 结果分析

2.1 纤维增强橡胶水泥基材料抗压强度

纤维增强橡胶砂浆试件抗压强度试验结果如图3所示。

图3 纤维增强橡胶砂浆试计抗压强度试验结果

从图3可以看出，随着纤维掺量从0.05%到0.20%变化，试件的抗压强度出现先增高后降低的趋向，在PVA纤维掺量为0.10%时出现最高抗压强度值。纤维长度从9 mm到18 mm变化时，抗压强度在不断的下降。在掺入纤维之后，试件的破坏形式变为延性破坏，试件在受到外部荷载过程中，也在不断受到内部橡胶和纤维的相互作用，阻止试件裂缝的拓展和延伸。掺入不同掺量的纤维，试件破坏后不会出现表面剥落、内部裂缝贯穿、部分断裂的情况，在达到荷载峰值后仍能承受一定的压力，在试件外部表现为竖向裂缝的拓展和延伸，直至发展为主要裂缝达到破坏。这一现象随着纤维掺量的增加，试件内纤维含量越多，破坏后的试件愈发完整，试件断裂面的纤维连接也越发紧密。

由于橡胶和纤维的掺入改变了水泥基材料的变形性能，试件在受到荷载后，经由基体内部的橡胶变形吸收能量、纤维改变荷载传递路径，到达基体内的部分能量被抵消。但橡胶和纤维的掺入会引入部分空气，导致基体内孔隙增多[10]。在掺入更多的纤维情况下，橡胶颗粒本身已经造成试件抗压强度不断损失，纤维又引入的含气量导致基体内的缺陷不断增多，橡胶同越来越多的纤维相互团结，扩大了缺陷，在砂浆内的应力集中问题成为阻碍强度发展的关键。纤维对试件的增强效果并不能同橡胶、纤维造成的缺陷影响相互抵消，纤维掺入的变化对于橡胶砂浆试件抗压强度的影响较小，在纤维掺量、长度增加的情况下甚至会出现负面影响[11]。

2.2 纤维增强橡胶水泥基材料抗折强度

纤维增强橡胶砂浆试件抗折强度试验结果见图4所示。

图4 纤维增强橡胶砂浆试件抗折强度试验结果

从图4可以看出，PVA纤维掺量从0.05%到0.20%增长，橡胶水泥基材料试件的抗折强度呈现先增高后下降的趋势，在PVA纤维掺量为0.10%时出现最高的抗折强度值，纤维长度从9 mm到18 mm变化时，抗折强度在不断的下降。在砂浆试件中，纤维在砂浆中需要承担更多的骨料间的裂缝粘结作用，纤维在基体内呈现三维网状的结构，承载着细骨料的重量，粘结不同骨料之间出现的裂缝，阻止其发展。0.05%掺量的纤维总量较小，在砂浆中无法增强橡胶水泥基材料，本试验中使用表面未涂油的PVA纤维在橡胶水泥基材料中同橡胶粉表面的水膜出现过渡水化结合。胶凝材料水化产生的C-S-H凝胶包裹在纤维周围，纤维在断面上只能多数以拔出的形式出现，而不是以承受荷载后拔断的形式，导致一部分纤维无法起到增强抗折强度的效果。当纤维长度增加时，接触基体内的表面积增加，纤维同基体过渡水化结合面积增加，出现抗折强度低于对照组的现象[12]。增加纤维的掺量之后，一部分纤维的掺入可以承接内部的抗折荷载，满足增强需求，所以在0.10%掺量时出现强度峰值，而0.15%、0.20%的纤维掺入就会出现纤维团聚的情况，试件的内部会出现更多的缺陷，改变了水泥基材料试件内的应力分布状态，导致的应力集中问题使整体试件的强度又出现下降。

2.3 纤维增强橡胶水泥基材料抗冲击性能

纤维增强橡胶砂浆试件落锤冲击试验结果见表3所示，纤维增强橡胶砂浆试件落锤冲击功见图5所示，纤维增强橡胶砂浆试件冲击破坏形态见图6。

图5 纤维增强橡胶砂浆试件落锤冲击功

图6 试件冲击破坏形态

表3 冲击试验落锤次数

从图5、表3可知，随着纤维掺量的变化，纤维增强橡胶水泥基材料的冲击韧性先升高后降低，均高于对比试样。在纤维掺量为0.10%时，出现橡胶水泥基材料的冲击韧性峰值，其次为0.15%PVA掺量的试件，纤维长度从9 mm到18 mm变化时，试件的抗冲击韧性不断减小。不同配合比试件在出现初裂时落锤次数相差不大，试件破坏时落锤次数随着纤维掺量的增长呈现先增加后减小的趋向。在纤维掺量为0.10%时，PVA纤维增强橡胶水泥基材料的冲击韧性效果最为明显，试件初裂后会吸收更多的能量，阻止裂缝的扩大、延迟试件的破坏。相比R10，加入0.10%PVA纤维后，试件破坏时的能量增加了87.5%，PVA纤维增韧橡胶水泥基材料效果显著。纤维团聚、橡胶引气水泥基内部的缺陷，这些空隙在抗冲击韧性试验中，起到缓冲效果，消耗冲击带来的部分能量。

从试件的破坏形态中可以看到，试件表面均出现放射状的裂缝，分解试件整体，R10试件破坏时出现的裂缝数量和宽度都相对较多，纤维掺量在增加至0.10%时，试件破坏时的整体性较好，裂缝宽度和数量都有明显减少，相同掺量下，纤维长度变化对试件破坏后的形态影响不大。PVA纤维掺量为0.05%时纤维含量较少，不能同水泥基中的材料产生足够多的粘结强度，起到较好的增韧作用。但在0.15%、0.20%的PVA纤维掺量下，纤维的掺入会同橡胶粉粒产生缠绕和聚团情况，在纤维长度增加后，团聚情况仍然存在，PVA纤维表面的亲水基团同橡胶粉表面吸附的水膜进行过度水化粘结，导致掺入的部分纤维无法参与到增韧的工作中。随着纤维掺量和长度的增加，更多的纤维会同橡胶团聚，PVA纤维表面水化后形成更大的结团缺陷，纤维增强韧性的能力受到结团产生的内部缺陷影响，纤维增韧和结团缺陷两种效果无法相互抵消，所以高掺量和长纤维掺入时，试件整体抗冲击强度下降。

2.4 韦伯分布分析纤维增强橡胶水泥基材料抗冲击性能

根据现有文献研究，通过使用韦伯分布对试件疲劳性的描述可以运用到抗冲击试验分析中[13-14]，基于三参数的韦伯分布公式[15]，结合冲击试验次数变化，重新定义公式中的参数，使b=β,Na-N0=η，N0=γ，原式中T～W(β,η,γ)变为N～W(B,Na,N0)，考虑复合水泥基材料性能离散情况，为安全性能考虑，取最小冲击次数N0=0，即可得到双参数韦伯分布的表达式，其概率密度表达式：

(2)

累计失效概率表达式为：

(3)

存活率函数为：

(4)

对(4)两侧取对数，可得：

(5)

可得:

Y=bX+B

(6)

上式中b，Na分别为形状参数、尺度参数。得到的线性方程表达式，结合试验数据进行回归分析求得各组相应的b，B和系数，通过拟合结果表达形式、R2是否大于0.9判断冲击次数N是否可使用威布尔分布进行描述。

在本试验中试件的数量n=6，样本数值较小，故本试验采用的累计失效概率函数、存活函数[16]为：

(7)

R(N)=1-P(N)

(8)

式中i即为试验各组冲击次数N1、N2通过从小到大顺序排列的序数，运用(7)、(8)式依次排列进行计算，得出各组相应的Y值，由各组的冲击次数求导得出X值，对两者进行拟合，所得表达式为直线形式，其各组回归曲线如图7所示，符合(6)的直线形式，即说明试验的冲击次数即运用韦伯分布进行描述。

各组线性回归直线相关系数如表4所示。如图7所示，X值可以均匀的分布在直线周围，拟合曲线的相关系数R2均大于0.9，该双参数韦伯分布可以描述冲击次数变化，科学反映试验规律[17]。

表4 各组线性回归相关系数

图7 各组试件韦伯分布回归曲线图

3 结 论

(1)在抗压强度和抗折强度试验中，纤维掺量增多，试件的抗折、抗压强度值均为先增大后减小，在PVA纤维掺量在0.10%时出现最大的抗压、抗折强度值。相同掺量下，纤维长度的变化对抗压抗折强度影响不大，但总体呈现下降趋势。

(2)在落锤冲击试验中，不同掺量的PVA纤维均提升了试件的抗冲击韧性，在纤维掺量为0.10%时试件破坏时的冲击功最多增加了87.50%。纤维长度变化对冲击韧性影响不大，9 mm时增强效果最好。

(3)重新定义的双参数韦伯分布可以用于描述冲击试验次数变化规律，各组拟合效果较好，可以清晰展示各变量同冲击韧性效果之间联系。试件使用0.10%掺量9 mm的PVA纤维增韧效果最好。