橡胶粉改性桥梁复合材料(SFRC)的力学性能测试研究

2023-10-20杨冰

粘接 2023年10期

杨冰

(云南交投集团云岭建设有限公司,云南昆明 650000)

在桥梁等工程领域,受到特殊环境的影响,混凝土材料常面临受力复杂性等问题,因此,提升桥梁混凝土的强度、韧性、耐久性等性能,成为学术和工程界的研究重点之一。基于此,许多学者进行了研究。例如,为增加桥梁混凝土的韧性以及阻裂效果,在材料中加入不同体积掺量的玄武岩纤维进行改性,然后研究改性桥梁混凝土的性能[1]。而通过在混凝土中添加水性环氧树脂进行改性,并研究桥梁混凝土性能[2]。采用再生骨料强化处理技术,同时在混凝土中掺入矿渣微粉进行改性,制备了一种桥梁混凝土[3]。以上学者的研究都为桥梁混凝土改性提供了思考方向。考虑到桥梁工程中混凝土常面临复杂的受力环境,重载冲击、压力等作用,试验通过橡胶粉对普通钢纤维桥梁混凝土进行改性,并对其力学性能进行研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料:P·O42.5普通硅酸盐水泥;细骨料中砂;粗骨料碎石;钢纤维;橡胶粉;PC-1009型聚羧酸减水剂。

主要设备:WD-300型立式搅拌桶;HZJ-1型振动台;JITAI-S10KN型电子多功能试验机;DYE-2000型压力试验机;HD-400型冲击试验机;RD1020型电子天平。

1.2 试验方法

1.2.1配合比设计

为制备高强度的桥梁工程用钢纤维混凝土(SFRC),试验通过加入不同掺量的橡胶粉,对普通钢纤维混凝土进行改性,其中,钢纤维体积掺量固定为6%,具体配合比设计如表1所示[4-5]。

表1 配合比设计

1.2.2试件的制备

(1)根据表1中的配合比设计,用电子天平称取适量的原材料,在搅拌机中先加入少量的水、水泥、中砂以及碎石,进行搅拌处理1 min;

(2)继续在搅拌机中加入部分水、水泥、中砂以及碎石,设置搅拌时间为2 min,并在搅拌过程中逐渐加入钢纤维;

(3)在搅拌机中加入剩下的水、水泥、中砂、碎石和适量减水剂,搅拌时间为2 min。并在搅拌过程中,缓慢加入适量的橡胶粉,继续搅拌2 min混合均匀,获得混凝土砂石浆;

(4)准备好立方体模具,在其中倒入模具高一半的混凝土砂石浆,然后在振动台上振动处理2 min,再向立方体模具中倒入剩下一半混凝土砂石浆,之后继续在振动台上振动处理2 min,将搅拌等过程中砂石浆内部的气泡排出;

(5)用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料,然后用塑料薄膜对混凝土试件进行密封处理;

(6)将试件放置在养护室内进行养护,养护时间为24 h,然后脱模,在室温环境下继续养护一定时间,最后贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1抗折强度测试

通过万能试验机对试件进行抗折试验,试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,抗折强度具体计算公式[6]:

(1)

式中:ff为抗折强度,MPa;F为破坏荷载,N;L为试验支架间跨度,mm;b为试件截面宽度,mm;h为试件截面高度,mm。

1.3.2抗压强度测试

通过压力机以5 kN/min的位移加载速度,对试件进行抗压试验,其中,试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,抗压强度具体计算公式[7]:

(2)

式中:fc为抗压强度,MPa;F为破坏荷载,N;A为承压面积,mm2。

1.3.3冲击韧性试验

在试件上用一个PVC直管固定位置,然后将一个实心铅球从PVC管内部从高处自由落体,对试件进行冲击,分析试件的冲击韧性,其中,冲击能量的具体计算公式[8]:

w=N·m·g·h

(3)

式中:w为冲击能量;N为试件被破坏时的冲击次数;m为实心铅球的质量;h为自由落体高度;g为重力加速度,9.8 m/s2。

1.3.4弹性模量

通过静态应变仪对试件进行弹性模量测试。

1.3.5断裂试验

通过试验机对试件进行断裂试验,分析其断裂韧性。

2 结果与分析

2.1 抗折强度分析

图1为在不同橡胶粉掺量下,养护7、28 d的钢纤维混凝土(SFRC)的抗折试验结果。

图1 试件抗折强度

由图1可知,当SFRC中橡胶粉的掺量增多时,其抗折强度呈现先缓慢上升,然后迅速降低的情况。当SFRC中未掺入橡胶粉时,其养护7、28 d的抗折强度分别是5.61、8.26 MPa。这表明,早期的SFRC试件,就具备一定的抗折强度。当SFRC中掺入的橡胶粉为6%时,其抗折强度上升至最大值,养护7 d时为6.92 MPa;养护28 d时为9.64 MPa;对比空白SFRC试件,增幅分别为23.35%、16.71%。当SFRC中掺入的橡胶粉为10%时,SFRC的抗折强度最低,养护7、28 d时分别为4.95、7.95 MPa,对比最大临界值降幅分别为28.47%、17.53%。

综上,当掺入6%橡胶粉进行改性时,SFRC的抗折强度最高。

2.2 抗压强度分析

图2为在不同橡胶粉掺量下,养护7、28 d的钢纤维混凝土(SFRC)的抗压试验结果。

图2 试件抗压强度

由图2可知,当在SFRC中掺入的橡胶粉增多,SFRC的抗压强度呈现下降的趋势。当SFRC中未掺入橡胶粉时,养护7、28 d时的SFRC抗压强度分别为27.82、40.23 MPa,这表明,在早期的SFRC就具备良好的抗压强度;此后,随着材料中橡胶粉掺量的增多,抗压强度开始下降,对于养护28 d的SFRC试件,当橡胶粉掺量从6%增至8%时,抗压强度下降较多,从33.64 MPa降至27.21 MPa,降幅为19.11%;当橡胶粉掺量为10%时,抗压强度最小,养护7、28 d时分别为18.56、25.76 MPa,对比未添加橡胶粉的SFRC试件降幅分别为33.29%、35.97%。这表明,在SFRC中掺入橡胶粉会使材料的抗压强度降低。

2.3 冲击韧性分析

图3为在不同橡胶粉掺量下,养护28 d的钢纤维混凝土(SFRC)在被冲击破坏时,试件的平均吸收能力情况。

图3 试件冲击韧性分析

由图3可知,随着SFRC中橡胶粉掺量的增多,SFRC试件的冲击能量呈现先逐渐增大,然后降低的现象。当SFRC中未添加橡胶粉进行改性时,SFRC的冲击能量为2 263.54 J;当SFRC中添加2%的橡胶粉时,SFRC的冲击能量增至3 046.51 J,增幅较小;当在SFRC中掺入6%的橡胶粉时,材料的冲击能量最大,为12 451.22 J,对比未添加橡胶粉的SFRC试件增加了10 187.68 J,增幅达到450%。当SFRC中的橡胶粉掺量继续增加时,SFRC的冲击能量反而出现降低的情况,当橡胶粉掺量为10%时,冲击能量降至2 366.85 J,这与未添加橡胶粉的SFRC试件相差不大。综上,当掺入的橡胶粉为6%时,SFRC试件的冲击韧性较好。

2.4 弹性模量分析

图4为在不同橡胶粉掺量下,养护28 d的钢纤维混凝土(SFRC)的弹性模量情况。

图4 试件弹性模量

由图4可知,当SFRC中的橡胶粉掺量增多时,材料的弹性模量基本上呈现下降的变化,但变化较小。对于未添加橡胶粉的SFRC试件,其弹性模量为28.65 GPa;当在SFRC试件中加入2%的橡胶粉时,SFRC的弹性模量降低为28.26 GPa,对比未添加橡胶粉的SFRC试件,仅下降了0.36 GPa,降低程度过小;而当SFRC试件中加入10%的橡胶粉时,材料的弹性模量最小为26.51 GPa,与未添加橡胶粉的SFRC试件相比,也仅仅下降了2.14 GPa,降幅为7.47%。这表明,在SFRC中掺入橡胶粉,对材料的弹性模量影响程度较小。

综上,在SFRC中掺入橡胶粉时,SFRC的弹性模量变化不大,SFRC的韧性良好。

2.5 断裂韧度分析

图5为在不同橡胶粉掺量下,养护28 d的钢纤维混凝土(SFRC)的断裂韧度情况。

图5 试件断裂韧度

由图5可知,当SFRC中的橡胶粉掺量增多时,材料的断裂韧度呈现先缓慢上升,后迅速降低的现象。对于未添加橡胶粉的SFRC试件,其断裂韧度为323.15 kN/m;随着SFRC中橡胶粉掺量增加,试件的断裂韧度开始缓慢上升,当在SFRC中加入6%的橡胶粉时,断裂韧度升至最大值为432.15 kN/m,这与未添加橡胶粉的SFRC试件相比,上升的幅度为33.74%。但随着SFRC中橡胶粉掺量继续增多,SFRC的断裂韧度开始迅速下降,当橡胶粉掺量达到10%时,材料的断裂韧度降至251.78 kN/m,这比未添加橡胶粉的SFRC试件都要低。

综合分析可知,当在SFRC中掺入橡胶粉时,橡胶颗粒的弹性较好,并且不容易和混凝土中的其他基体材料发生反应,因此,在SFRC材料基体中,橡胶颗粒可以稳定其物理状态。当材料受到外力作用,内部开始萌生断裂裂纹时,在裂纹尖端处会产生应力集中效应,但由于橡胶颗粒的弹性模量小低于SFRC基体材料,在裂纹尖端处的橡胶颗粒会发生变形,在材料局部形成塑性形变,使得裂纹尖端的应力集中情况减弱,因此,在一定程度上缓解SFRC内部裂纹的延伸、扩展,所以,材料的断裂韧度增高;但是,过多的橡胶粉掺入SFRC中,会形成团聚效应,在降低材料密实度的同时,也使材料内部出现一些孔隙等缺陷,因此,材料性能降低,断裂韧度下降明显[18-20]。

综上,当掺入的橡胶粉为6%时,SFRC试件的断裂韧度情况良好。