聚合物改性钢纤维再生混凝土抗冲击性能研究

夏冬桃,任康宁,吴方红,李 彪,何国章

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068;2.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院,广东 佛山 528225)

再生混凝土(RAC)能降低能耗和CO2排放,是破解当前建筑垃圾治理困境的有效途径,在“双碳”战略背景下其发展前景广阔。但由于再生粗骨料自身的缺陷,限制了RAC广泛应用。研究表明掺加纤维可改善RAC的力学性能[1],常见的是掺加乱向分布的钢纤维,钢纤维的桥接及微加筋作用起到增强增韧阻裂的效果[2-3]。而混凝土结构在服役过程中不仅会承受静态荷载作用,也可能会遭受爆炸、冲击等具有突发性和破坏性的动态荷载作用,这些动态荷载会对结构产生巨大的破坏影响。F.Omidinasab等[4]研究发现掺入钢纤维可抵消再生骨料对混凝土的力学性能及抗冲击性能的负面影响。孔祥清等[5]研究发现单掺适量的钢纤维及钢纤维与聚丙烯纤维混掺均可提高RAC的抗冲击性能。而大量的试验研究发现钢纤维再生混凝土(SFRAC)破坏的主要特征是钢纤维从断裂面中拔出而未被拉断,这说明SFRAC中钢纤维与基体界面间的黏结力不足,因此需要对SFRAC的界面进行改性研究[6]。目前常见的改性方法是往混凝土中掺入聚合物乳液,有学者研究表明水性环氧树脂是应用于混凝土中最有效的聚合物之一,其在混凝土中形成的具有互穿聚合物网络结构的连续相,可增强混凝土基体的黏结力[7]。钱慧丽等[8]研究了水性环氧树脂乳液对天然混凝土(Natural Concrete,NC)抗冲击性能的影响,结果表明水性环氧树脂乳液可阻碍混凝土内部裂缝的拓展,从而提升其抗冲击性能。目前关于水性环氧树脂与钢纤维复掺对RAC抗冲击性能的影响及其界面改性机理的研究尚不多见。

因此,笔者通过设计正交试验,探究水性环氧树脂与钢纤维对RAC抗冲击性能的影响及其改性机理,并采用双参数Weibull分布模型对RAC的冲击寿命进行统计分析,研究如何延长RAC的冲击寿命,为RAC的配合比设计提供参考。

1 试 验

1.1 试验原材料

水泥选用华新牌P·O 42.5级水泥;砂选用本地级配良好的河砂;天然粗骨料采用粒径5～16 mm连续级配的碎石;再生粗骨料采用本地的废弃混凝土,经处理后得到粒径5～16 mm的骨料,其性能指标见表1。矿渣粉为武汉华神智能科技有限公司生产的S95级矿渣粉;水性环氧树脂及水性环氧固化剂由上海汉中化工有限公司生产,水性环氧树脂环氧当量为185～195,水性环氧固化剂胺氢当量为280～290,配制乳液时两者的质量比为1∶1.3;超短微丝钢纤维为武汉新途工程纤维制造有限公司生产,其性能参数见表2;减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,减水率为15%～20%。

表1 再生粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of the recycled coarse aggregate

表2 钢纤维参数Table 2 Steel fiber parameters

1.2 正交试验设计

试验采用L16(45)的正交表,不考虑各因素间的交互作用,剩余两个空白列用于估计试验误差。试验的各因素及水平设置如下:水性环氧树脂质量分数(A)分别为0、2%、4%、6%,再生粗骨料取代率(B)分别为0、30%、45%、60%,钢纤维体积分数(C)分别为0、0.6%、0.8%、1.0%。水性环氧树脂乳液质量分数为聚合物乳液与胶凝材料总量的质量比;钢纤维体积分数为钢纤维与混凝土的体积比。RAC的配合比设计依据《再生骨料应用技术规程》(JGJ/T 240—2011)[9],各组混凝土的配合比见表3。实际试验中加入处理再生粗骨料的附加用水,由于水性环氧固化剂中约含50%的水分,因此用水量须相应减少。

表3 水性环氧树脂与钢纤维复掺的RAC配合比 Table 3 The proportions of RAC mixed with waterborne epoxy resin and steel fiber

1.3 试件制备与养护

RAC的搅拌方法参照文献[9]执行,采用两阶段搅拌工艺浇筑成型。抗压试验采用边长为100 mm的立方体试件,每组制备3块。抗冲击试验采用直径为150 mm,厚度为63 mm的圆饼形试件,每组制备6块。掺加水性环氧树脂的混凝土其养护方式不同于普通混凝土,由于在干燥环境下可促进聚合物颗粒形成连续的膜结构,因此掺加水性环氧树脂的试件的养护制度为先在标准养护室中养护6 d,再置于干燥环境中养护22 d,其余试件则在标准条件下养护28 d。

1.4 试验方法

各项试验按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)[10]进行。此外笔者对冲击试验装置进行了改进(见图1),该装置中将落锤的端部打磨成半球形,并增设了电磁开关,有效避免了手动定位及释放落锤产生的试验误差。试件的初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2的判定方法以及每一组试件的初裂冲击耗能W1和破坏冲击耗能W2的计算方法参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)[10],其计算式如下。

图1 改进的落锤冲击试验装置 Fig.1 Improved drop weight test device

W1=N1mgh.

(1)

W2=N2mgh.

(2)

式中:W1为初裂冲击耗能,J;W2为破坏冲击耗能,J;m为冲击锤的质量,取4.5 kg;g为重力加速度,取9.81(m·s-2);h为冲击锤下落高度,取1 m 。

2 试验结果及分析

各组的立方体抗压强度均满足C40等级混凝土的强度要求,其中RC-0-60-1.0试件的抗压强度最高,为65.6 MPa。

2.1 试验结果

落锤冲击试验结果见表4,由表4可知,除RC-0-60-1.0试件外各组的N1差别不大,但各组的N2差异明显。RC-0-60-1.0的N1和N2均最高。RC-2-45-1.0的N2也相对很高,RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的N1分别为基准组的4.6倍,2.9倍,N2分别较基准组提升了16.8倍和11.9倍。

表4 抗冲击试验结果Table 4 The test results of impact resistance

基于中心质假说[11]的观点,水性环氧树脂胶乳颗粒的粒径为0.4～5 600 nm,在混凝土内部原位形成改性的微中心质[8,12],在其界面效应圈内可改善孔隙结构,钢纤维是大中心质,在大中心质效应圈内改善了混凝土的结构与性质,分别在微观和宏观的尺度上对混凝土体系中对应的各层次的组分进行增强,从而表现为抗冲击韧性的提升。

对于仅掺水性环氧树脂的RAC,其抗冲击次数相较于基准组有不同程度的提升,其中提升幅度最大的试件是RC-4-45-0,N1和N2的增幅分别为37.5%和62.5%。这是因为水性环氧树脂胶乳颗粒可以填充混凝土中的细微孔隙,改善混凝土的密实性,从而提升了RAC的抗冲击性能。

2.2 冲击耗能极差分析

根据表4的冲击试验结果计算出W1和W2,并对这两个关键指标进行极差分析,结果见表5。由表5可知,极差值最大的因素C为影响W1和W2的主要因素,各因素对W1和W2的影响从大到小依次为钢纤维体积分数、水性环氧树脂质量分数、再生粗骨料取代率。

表5 极差分析结果Table 5 The range analysis results

2.2.1 水性环氧树脂对冲击耗能的影响

笔者将已有文献中关于水性环氧树脂改善NC抗冲击性能的研究成果与试验分析的结果进行对比(见图2)[8]。

图2 水性环氧树脂质量分数对NC和RAC的W2的影响Fig.2 Effect of the mass fraction of waterborne epoxy resin on the W2 of NC and RAC

结合表5和图2可知,水性环氧树脂对NC和RACW2的改善效果有所不同。当水性环氧树脂质量分数从0增至4%时,RAC的W1和W2逐渐下降,而对于NC而言,当水性环氧树脂质量分数从0 增至5%时,其W2总体为上升的趋势[8]。根据表4计算的结果,绘制出在不同的水性环氧树脂质量分数的条件下再生粗骨料取代率与W1和W2指标的关系图(见图3)。从图3可看出,当再生粗骨料取代率从0增至60%时,在每一取代率下使混凝土的W1和W2相对最佳的水性环氧树脂质量分数由6%减小至0,说明水性环氧树脂对RAC抗冲击性能的改善效果受再生粗骨料取代率的影响较大。

图3 不同水性环氧树脂质量分数与W1和W2的关系Fig.3 Relationship between the different mass fraction of waterborne epoxy resin and W1 and W2

这是因为干燥环境有利于水性环氧树脂颗粒形成聚合物膜,而再生粗骨料吸水率高,其吸收的水分会在养护过程中缓慢释放,水性环氧树脂成膜所需的干燥环境与再生粗骨料释水产生的湿润环境之间构成一种竞争关系,因此这对水性环氧树脂的改性效果起到了削弱的作用。同时当水性环氧树脂质量分数较大时,在搅拌阶段会引入一定量的空气至混凝土中,使得其孔隙率增大[12],因此在再生粗骨料释水和孔隙率的综合作用下,使得当再生粗骨料取代率为60%时,RAC的冲击耗能随着水性环氧树脂质量分数的增加而下降。图2中水性环氧树脂质量分数从4%增至6%时,RAC的W2略有增大,这种现象有待于进一步研究。

2.2.2 再生粗骨料取代率对冲击耗能的影响

由表5可知,当再生粗骨料取代率从0增至60%时,混凝土的W1和W2呈不断增大的趋势,增幅分别为53.2%和8.4%。这一方面是由于再生粗骨料的表面与新水泥砂浆形成的黏结力较大,另一方面是因为再生粗骨料起到了“内养护”的作用。

2.2.3 钢纤维体积分数对冲击耗能的影响

由表5可知,RAC的W1和W2与钢纤维体积分数呈正相关,当钢纤维体积分数从0增至1.0%时,RAC的W1和W2的增幅分别接近150%和900%。这是因为钢纤维起到了增韧的作用,减缓了混凝土塑性变形的发展[13],同时每根桥接于裂缝处的钢纤维起到了阻碍裂缝拓展延伸的作用。

笔者将已有文献中关于钢纤维改善NC抗冲击性能的研究成果与试验分析的结果进行对比(见图4)[13-14]。由图4可知,随着钢纤维体积分数的增加,NC和RAC的W2均有不同程度的提升,即钢纤维对NC和RAC抗冲击性能的改善效果是一致的。

图4 钢纤维体积分数对NC和RACW2的影响Fig.4 Effect of the volume fraction of steel fiber on the W2 of NC and RAC

根据各因素最优水平的选取原则,同时考虑到试验误差的影响和水性环氧树脂的改性作用,RAC抗冲击性能的各因素最优水平组合为A2B3C4。

2.3 水性环氧树脂对水化产物的改性机理

图5和图6为NC-0-0-0和RC-4-45-0试样中水化产物放大10 000倍后的微观形貌。由图5可知,未掺水性环氧树脂的NC-0-0-0中有层布排列的CH晶体、无序团聚的C-S-H凝胶体和针棒状的钙矾石,水化产物的表面有较多细小的孔洞,整体结构较为疏松。

图5 NC-0-0-0中水化产物的微观形貌Fig.5 The micro morphologies of hydration products of NC-0-0-0

图6 RC-4-45-0中水化产物的微观形貌Fig.6 The micro morphologies of hydration products of RC-4-45-0

而由图6可知,掺入水性环氧树脂后,整体结构未见明显的细小孔洞和裂纹,各组分间黏结紧密,聚合物膜与水化产物形成了相互交织的空间网络结构,在冲击荷载作用下可起到缓冲作用,分散和转移了混凝土中的内应力,减少了微裂纹的产生。

2.4 水性环氧树脂对界面过渡区的改性机理

图7为RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的试样中钢纤维与水泥水化产物间界面过渡区(ITZ)放大500倍的微观形貌。未掺水性环氧树脂的RC-0-60-1.0中钢纤维与水泥水化产物间ITZ的缝隙较宽,水化产物中有数条较宽的微裂缝。这是因为钢纤维表面的质点具有吸附其他物质的倾向[6],这种极性的特点使它具有亲水性[15],从而使得附近的水灰比增大,导致ITZ的力学性能较弱,结构较疏松。此时钢纤维与水泥水化产物间主要依靠物理作用黏结在一起[6]。在荷载作用下,裂纹首先会沿着ITZ开展并逐渐延伸,当裂纹由微观尺度发展到宏观尺度时,使得界面处的水泥基体发生断裂,从而形成微裂缝。

图7 RC-0-60-1.0与 RC-2-45-1.0的钢纤维与水化产物间ITZ的微观形貌Fig.7 The micro morphologies of the ITZ between steel fiber and hydration products of RC-0-60-1.0 and RC-2-45-1.0

而掺入水性环氧树脂的RC-2-45-1.0中钢纤维与水泥水化产物间的ITZ黏结紧密,水化产物中微裂缝的宽度明显变小(见图7(b))。水性环氧树脂起到了阻裂剂和粘结剂的作用,一方面环氧树脂乳液中的-COOR和-OH会以离子键的形式与部分水泥水化产物中的Ca2+结合,形成含钙络合聚合物,改善了水泥石的抗裂性能;另一方面起到了“架桥”的作用,乳液中含有的极性基团会与钢纤维表面产生物理化学吸附效应[6],从而改善钢纤维与水泥水化产物间ITZ的密实性。

3 基于Weibull分布的拟合分析

3.1 抗冲击次数分布的拟合检验

已有研究结果表明,SFRAC的冲击寿命服从Weibull分布[3],因此笔者采用Weibull分布理论对各组试件的抗冲击次数进行概率统计分析。将试件的抗冲击次数N视作随机变量,则关于N的概率密度函数f(N)和累计分布函数F(N)可表示为

(3)

式中:γ为形状参数;Nx为尺度参数即特征寿命参数;N0为位置参数即最小寿命参数。

(4)

式中:Pf(N)为失效概率函数。

基于安全性、可靠性及适用性的角度考虑,可认为N0无限趋近于0,因此得出基于双参数Weibull分布的存活概率函数Ps(N)如下[16]:

(5)

对式(5)等式两边先取倒数再取两次自然对数,得到:

(6)

令X=lnN;Y=ln[ln(1/Ps(N))];B=γlnNx,则(6)可化简为式(7),如下:

Y=γX-B.

(7)

(8)

式中:t为各组进行抗冲击试验的试件总数,取值6;m为各组的冲击试验结果按递增的顺序排列后得到的秩序数。

由式(7)可知,Y与X应满足线性关系,根据式(8)求出Ps(N)[3,16],进而得到每个试件的Y与X,采用线性拟合的方法,得出各组试件对应的参数γ和B以及相关系数R2,如表6所示。

表6 基于Weibull分布的冲击寿命线性拟合结果Table 6 The linear regression results of impact life based on the Weibull distribution

由表6可知,各组基于Weibull分布的拟合相关系数R2最小值为0.904,大多数在0.95以上,说明ln[ln(1/Ps(N))]与lnN之间存在显著的线性相关性,即各组试件的抗冲击次数均服从双参数Weibull分布。

3.2 不同失效概率下RAC的冲击寿命预测

根据式(5)～(7)推导出在不同失效概率下(Pf(N)=0.1,0.15,0.3)各组试件冲击寿命的表达式:

(9)

由式(9)及表6可得出各组配合比的混凝土在不同失效概率下的破坏冲击寿命N2(见图8)。由图8可知,各组试件在不同失效概率下N2的增长趋势与实测值保持一致。掺入水性环氧树脂后,混凝土试件的冲击寿命较基准组有一定程度的改善;掺入钢纤维后,混凝土的冲击寿命有明显的改善。各组试件的N2与失效概率呈正相关,这与混凝土材料的结构及性质相契合。

图8 不同失效概率下各组试件的冲击寿命Fig.8 The impact life of specimens under different probabilities of failure

4 结 论

(1)各因素对RAC抗冲击性能影响的从大到小顺序是钢纤维体积分数、水性环氧树脂质量分数、再生粗骨料取代率。掺入钢纤维可显著改善RAC的韧性和延性;当再生粗骨料取代率较低时,由于聚合物膜与水化产物形成了空间网状结构,使得掺入水性环氧树脂的RAC较基准组N2的最大增幅达到62.5%;当再生粗骨料取代率较高时,由于再生粗骨料释水和孔隙率的综合作用,使得RAC的抗冲击性能有所下降。

(2)水性环氧树脂质量分数取2%,再生粗骨料取代率取45%,钢纤维体积分数取1.0%,为RAC抗冲击性能的最优配合比。该配合比下试件的W1和W2较基准组分别提升了187.4%和1187.3%。

(3)水性环氧树脂一方面起到了阻裂剂和粘结剂的作用,另一方面起到了“架桥”的作用,改善了钢纤维和水化产物间ITZ的密实性。

(4)采用双参数Weibull分布对各组配合比混凝土的N1和N2进行拟合,得到的相关系数R2均在0.9以上。