钢-聚丙烯复掺纤维橡胶混凝土力学性能试验研究

2023-11-10邱建冬

中外公路 2023年4期

邱建冬

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030031）

0 引言

传统水泥混凝土具有强度高、韧性低等特点，在长期的交通荷载作用下，会造成混凝土板块产生断裂、破碎等问题。废旧橡胶材料经再生工艺处理后可生产橡胶混凝土，具有良好的韧性和抗弯曲能力等特点，能实现道路的高质量、耐久性和长寿命服役。但在混凝土中使用橡胶集料会降低力学性能（密度、弹性模量和抗压、拉伸和弯曲强度），在逐渐增长的重载交通环境下，易造成橡胶混凝土的性能损伤［1-3］。因此，为进一步提升道路质量和服役水平，需深入研究满足现代路面交通需求的高强、高韧性路面材料。在混凝土中掺入纤维可以提高橡胶混凝土的力学性能。

薛刚等［4］研究了钢纤维橡胶混凝土的抗压强度，将细集料部分替换为橡胶颗粒（0.85～1.40 mm）。结果表明：随着橡胶颗粒含量的增加，混凝土抗压强度降低；黄智德等［5］在橡胶混凝土中掺加了0.5%体积掺量的钢纤维，纤维的加入使所有混合料的抗压强度、劈拉强度和弯曲强度分别有所提高；朱江等［6］在橡胶混凝土中添加了0.1%和0.12%聚丙烯纤维，使得混凝土应变能力和能量吸收显著提高，抗压强度分别提高了14%和10%，劈拉强度分别提高了20%和27%，弯曲强度分别提高了27%和34%。添加纤维后混凝土性能的改善包括但不限于韧性、延展性、收缩率、抗剪强度、抗裂性和抗冲击性。国内外学者［7-9］也对掺纤维的混凝土进行了大量研究，认为尽管掺加纤维材料可以提升混凝土某些领域性能，但很难保障混凝土综合性能。复掺纤维作为近年来新型研究领域，认为可以弥补单掺纤维性能不足，实现各材料特性的优势互补，可全面提升混凝土材料的耐久性、强度等［10-11］。因此，本研究对混杂纤维（钢-聚丙烯）橡胶混凝土的力学性能（抗压、抗折、抗拉强度）进行试验，旨在进一步探究纤维橡胶混凝土的性能演变规律。

1 原材料与试验方案

本研究采用的原材料主要包括普通硅酸盐水泥、粗集料、细集料、橡胶集料、钢纤维、聚丙烯纤维和超塑化剂。

1.1 水泥

P.O 52.5N 普通硅酸盐水泥，密度为3.15 g/cm3，水泥化学性能见表1。

表1 水泥化学性能指标 %

1.2 集料

使用密度为2.65 g/cm3、吸水率为0.2%、最大粒径为10 mm 的碎石粗骨料。采用天然河砂细集料，密度2.57 g/cm3，细度模数3.05，吸水率0.8%，含水率2.0%，其中，细集料最大粒径为4.95 mm。采用1～2 mm 级配、密度为0.73 g/cm3的橡胶集料。对橡胶集料和粗细集料进行筛分，级配曲线如图1 所示。

图1 粗细集料级配曲线

1.3 纤维

研究采用钢纤维（MS）和聚丙烯纤维（PP）两种纤维材料掺入混凝土中，其中，钢纤维的拉伸强度为2 800 MPa，长度为21 mm，长径比为60，密度为7.85 g/cm3。聚丙烯纤维的拉伸强度为550 MPa，长度为3 mm，密度为0.91 g/cm3。橡胶骨料、钢纤维和聚丙烯纤维的外观如图2 所示。

图2 材料外观形貌

1.4 塑化剂

采用聚羧酸醚基超塑化剂，使用剂量为水泥重量的0.2%，密度1.06 g/cm3，pH 值9.5。

1.5 配合比设计

对单掺MS 纤维、单掺PP 纤维和混掺MS-PP 纤维的混凝土进行配合比设计，纤维材料的掺量控制总量为1%（体积取代率）。混凝土包括普通混凝土和橡胶混凝土（橡胶集料替代率为细集料的20%，体积取代率），混凝土的水灰比均为0.42，设计坍落度为75～100 mm，混凝土设计方案如表2 所示，配合比如表3 所示。

表2 不同纤维混凝土设计方案

表3 水泥混凝土配合比设计

1.6 试验方案

混掺纤维橡胶混凝土的制备流程主要包括：将橡胶集料与细集料在旋转式搅拌机进行均匀搅拌，然后将水泥倒入搅拌机中干拌1.5 min，将塑化剂与水按一定比例混合，并将其70%倒入搅拌机中，搅拌2 min；将剩余的水倒入混凝土中，均匀搅拌1.5 min；最后将纤维按比例倒入搅拌机中，搅拌3～4 min 成型后倒入模具中进行成型和养护。对不同类型的混凝土进行力学性能试验，参照《混凝土强度检验评定标准》（GB 50107—2019），检测试件的密度、抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、弯曲强度等，相关检测项目及试件尺寸如表4 所示。

表4 混凝土相关检测项目及试件尺寸

2 混凝土性能测试研究

2.1 坍落度

混凝土在拌和施工过程中要考虑材料的保水性、流动性及黏聚性，而坍落度试验则是衡量混凝土和易性的关键方法。将混凝土倒入坍落度桶中并进行振捣，观测其在自然条件下坍落深度，对于普通混凝土而言，坍落度一般不小于10 mm。不同类型的混凝土坍落度试验结果如图3 所示。

图3 混凝土坍落度试验结果

由图3 可知：对于不掺纤维的混凝土而言，20%橡胶集料替代率下的橡胶混凝土坍落度要远大于普通混凝土，其主要原因是橡胶混凝土中添加了塑化剂材料。而掺加纤维材料后，橡胶混凝土的坍落度普遍低于素混凝土15%以上。在混凝土混合料中添加1%的纤维，特别是混杂纤维（MS-PP 纤维），可显著降低坍落度。由于在混凝土中添加了超塑化剂可以提高混凝土和易性。坍落度随着PP 纤维含量的增加而降低。用PP 纤维分别以0.1%、0.2%、0.3%和1%的比例，取代素混凝土中的MS 纤维，使得混凝土坍落度降低22.69%、26.89%、28.57% 和34.45%。对于橡胶混凝土而言，则分别降低了20.41%、37.76%、38.78%和50.00%。坍落度的显著下降是由于PP 纤维与MS 的加入可以在混合料中形成网状结构，从而抑制了混合料的表面泌水和集料离析。由于混凝土中纤维分布均匀、比表面积大、含量高（特别是直径很小的纤维），混凝土材料的黏度会明显增加，从而降低了坍落度值。

2.2 体积密度

对28 d 养护后的混凝土立方体试块进行体积密度的测定，采用水中称重法测定试件体积，将饱水试件的表干质量除以体积可得到体积密度，测试结果如图4 所示。

图4 不同类型混凝土体积密度

由图4 可知：MS 纤维的加入通常对混凝土的密度有很大的影响，然而，0.8MS+0.2PP 和0.9MS+0.1PP 混杂纤维混凝土的密度比素混凝土与单掺MS纤维混凝土要高。其原因是当MS 纤维被少量PP 纤维（0.1%、0.2%）取代时，大量MS 纤维被保留在混凝土中，混凝土中的MS 纤维有效含量较高。而单掺MS 纤维制备混凝土时，受试验条件影响，部分MS 纤维会残留在拌和设备中，无法实现MS 纤维的完全利用，在一定程度上降低了试件的体积密度。此外，在混凝土中加入PP 纤维可改善集料颗粒与水泥砂浆之间的黏结，从而减少水泥砂浆的含气量，进而增加混凝土试件的密度。对于掺纤维和不掺纤维的橡胶混凝土而言，其密度均小于普通混凝土。其主要原因是采用了20%的橡胶集料替代了天然细集料，橡胶集料的材质主要是橡胶颗粒，其密度远小于集料。因此，其拌和形成的橡胶混凝土密度在一定程度上有所下降。

2.3 抗压强度

采用标准立方体混凝土试件测试抗压强度，加载速率为0.05～0.08 MPa/s。不同类型混凝土28 d抗压强度试验结果如图5 所示。

图5 不同类型混凝土28 d 抗压强度

由图5 可知：当仅使用MS 纤维时，混凝土的抗压强度略有下降。对照素混凝土的抗压强度为38.5 MPa，而MS 纤维混凝土的抗压强度为37.4 MPa，抗压强度降低了约2.9%。分析原因是MS 纤维含量的增加，从而增加了混凝土中的空气含量，进而降低了混凝土试件的密度。0.9MS+0.1PP 混凝土的抗压强度最高为48.4 MPa，比素混凝土高25.7%，其主要原因是混凝土中添加PP 纤维改善了骨料颗粒与水泥砂浆之间的黏结。0.8MS+0.2PP 混凝土的抗压强度为41.8 MPa，比素混凝土提高近8.6%。在普通混凝土中，PP 纤维混凝土的抗压强度最低，其原因是混凝土中分散的聚丙烯纤维降低了混凝土的性能。在混凝土中用20%掺量的橡胶集料代替细集料，所有的橡胶混凝土抗压强度降低至约38.9%。由于混凝土中的橡胶颗粒削弱了橡胶集料与水泥混合物之间的结合，导致橡胶集料周围的应力集中，在外部荷载作用下混凝土裂缝会迅速蔓延。

2.4 弹性模量

研究对不同类型混凝土进行28 d 弹性模量测试，将圆柱体混凝土试件固定在限位垫板上，以0.5 MPa 为基准应力进行加载，记录初始荷载和1/3 轴向抗压强度对应的荷载及试件变形，通过计算得到混凝土弹性模量，试验结果如图6 所示。

图6 不同类型混凝土弹性模量

由图6 可知：弹性模量的试验结果与抗压强度的结果相似。在素混凝土中掺入MS 纤维，弹性模量略有降低。橡胶混凝土的弹性模量整体上要小于普通混凝土，0.9MS+0.1PP 和0.8MS+0.2PP 纤维组合方案下的混凝土弹性模量最大，分别达到42.02 GPa和38.62 GPa，较素混凝土弹性模量分别提升了14.65%和5.38%。对于橡胶混凝土而言，掺MS 纤维的橡胶混凝土弹性模量最低，其主要原因是MS 纤维的模量较大，而橡胶混凝土中橡胶集料弹性模量较低，二者在拌和过程中会导致材料和易性差，在外部荷载作用下材料内部结构易失稳。但在掺入部分PP纤维后，由于其成丝状的网络结构分布，对内部混凝土起到加筋作用，弹性模量在一定程度上有所提升。

2.5 劈裂抗拉强度

对不同类型混凝土进行28 d 劈裂抗拉强度的性能测试，以0.05～0.08 MPa/s 速率加载，记录劈裂条件下混凝土试件破坏对应的荷载，通过破坏荷载、劈裂面积计算得到劈裂抗拉强度，试验结果如图7 所示。

图7 不同类型混凝土劈裂抗拉强度

由图7 可知：相较于素混凝土，MS 纤维混凝土的劈裂抗拉强度为3.82 MPa，提升了8.52%。而0.9MS+0.1PP 和0.8MS+0.2PP 混凝土的劈裂抗拉强度达到5.09 MPa 和4.57 MPa，分别提升了约44.60%和29.83%。混掺纤维的掺入，能够充分发挥钢纤维的强度提升和聚丙烯纤维加筋固化的优势。此外，橡胶混凝土的劈裂抗拉强度整体要小于普通混凝土，采用0.9MS+0.1PP 纤维组合方案时，普通混凝土和橡胶混凝土的劈裂抗拉强度分别为5.09 MPa 和3.72 MPa，橡胶混凝土劈裂抗拉强度下降了约26.92%。提高混凝土的抗拉强度通常可以提高混凝土的抗剪强度，在一定程度上可以减少混凝土的开裂和破坏。PP 纤维普通混凝土和PP 纤维橡胶混凝土的劈裂抗拉强度均低于素混凝土和素橡胶混凝土，可能与PP 纤维的材料特性有关，混凝土拌和过程中纤维的分散不均匀，易导致纤维抱团积聚，在外部荷载作用下易产生局部应力集中和开裂损伤。

2.6 抗折强度

对不同类型混凝土进行28 d 抗折强度的性能测试，将混凝土试件固定在抗折试验设备中，连续均匀施加荷载，直至试件下边缘断裂，记录试件破坏荷载、支座间跨度、试件高度及宽度，通过计算得到混凝土抗折强度，试验结果如图8 所示。

图8 不同类型混凝土抗折强度

由图8 可知：抗折强度随MS 纤维含量的增加而增加。相较于素混凝土，不同纤维组合类型下普通混凝土的抗折强度分别提升了25.44%、19.96%、18.20%和9.22%，掺MS 纤维普通混凝土的抗折强度最高，达到6.41 MPa，掺PP 纤维普通混凝土的抗折强度最小，为3.60 MPa。随着MS 纤维的加入，纤维的抗折强度增加，具有较高的弹性模量和拉伸强度。虽然PP 纤维比MS 纤维短，但前者的弹性模量和拉伸强度比后者低。因此，聚丙烯纤维可以桥接微裂纹，但不会显著影响抗折强度。在混凝土混合料中加入橡胶集料会降低混凝土的抗折强度，主要是因为橡胶集料与水泥砂浆之间黏结性较弱。尽管橡胶集料降低了混凝土的抗折强度，但掺纤维的橡胶混凝土抗折强度均较不掺纤维的橡胶混凝土抗压强度有所提升。