硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验

谢建和++李自坚++孙明炜

摘要：以普通混凝土和橡胶再生混凝土为研究对象，通过掺入硅粉和纤维材料研究强化环保型混凝土抗压性能的方法。用再生混凝土100%等体积代替粗骨料，用橡胶颗粒20%等体积代替细骨料，内掺10%（质量分数）或外掺3%（质量分数）硅粉以及掺入聚丙烯纤维或钢纤维，制备了4组12个混凝土立方体试件，通过轴压试验研究了混凝土试件的破坏模式、抗压强度和工作性能。结果表明：与单一掺入硅粉相比，硅粉和聚丙烯纤维的复合掺入能进一步强化混凝土的抗压性能；硅粉的掺入可以强化浆体与橡胶颗粒间的界面性能，提高钢纤维橡胶再生混凝土的抗压强度；硅粉和纤维材料对混凝土的工作性能有负作用，其复合掺入时建议采用适量的减水剂。

关键词：再生混凝土；硅粉；橡胶；聚丙烯纤维；钢纤维；抗压性能

中图分类号：TU528.572 文献标志码：A

0 引 言

中国是一个资源消耗大国，每年都产生大量的固体废弃物，如建筑垃圾、废旧橡胶、钢渣等，各种自然灾害也会产生大量的废弃混凝土。如何有效循环利用这些固体废弃物，既减轻环境污染，又节省原材料的消耗，是城市可持续发展的热点研究课题。目前，利用废弃混凝土进行破碎、清洗、分级后重新形成的骨料来制备混凝土是应用较广的再生技术[1]。另外，利用废弃轮胎橡胶取代部分混凝土骨料也是一种流行的环保手段，其原因有2个：一是大量的废弃橡胶已经成了广为人知的环境问题；二是橡胶能够吸收大量的应变能，大大提高混凝土的动力性能[2]。因此，橡胶再生混凝土是一种富有发展前景的环保建筑材料。

现有研究表明，与天然骨料相比，再生骨料和橡胶骨料均会降低混凝土的抗压强度。Xiao等[1]收集了近年的试验研究数据，结果发现当再生粗骨料替代率不超过30%时，再生混凝土的抗压强度变化并不明显，但替代率为100%时，其抗压强度下降约为10%～25%。至于橡胶，通常是以细颗粒或粉状代替混凝土细骨料。AlTayeb等[3]、Valadares等[4]、Fonseca等[5]先后对橡胶混凝土抗压强度进行了试验研究，结果显示当混凝土中橡胶的体积分数超过6%时，混凝土的抗压强度会明显下降。为了提高混凝土抗压性能，掺入硅粉是一种非常有效的处理方法。大量研究表明，掺入硅粉能够增加再生混凝土的密实度，提高混凝土的抗压强度[68]。然而，关于硅粉对再生混凝土力学性能的影响，现有的研究缺少对外掺和内掺2种方法的对比，尚未见关于外掺和内掺硅粉对橡胶再生混凝土抗压强度影响的研究报道。另外，为了提高混凝土的抗折和抗冲击性能，在混凝土中加入高韧性材料是一种非常不错的选择[9]，比如掺入钢纤维[1011]或聚丙烯纤维（PPF）[12]等材料。

本文拟以橡胶颗粒代替细骨料，再生混凝土代替粗骨料，通过外掺PPF或钢纤维，内掺或外掺硅粉，对该类环保型混凝土的抗压性能进行试验研究，探讨不同硅粉掺入方式、不同纤维类型对该类混凝土抗压强度的影响规律，并初步探明其破坏机理。

1 试验概况

1.1 试验材料

本文试验采用石井水泥厂生产的42.5R级普通硅酸盐水泥。天然骨料采用花岗岩碎石，再生骨料采用深圳市绿发鹏程环保科技有限公司生产的骨料。再生骨料和天然骨料均采用粒径为5～10 mm和10～20 mm的骨料，按1∶1混合而成，且均为连续级配，其吸水率分别为2.1%和0.9%。天然细骨料采用连续级配、密度为2.69 g·cm-3、细度模数为2.52、吸水率为0.8%的粗河砂。试验用水为饮用自来水。PPF为河北廊坊防火保温密封材料有限公司生产，其基本性能见表1。钢纤维采用衡水橡胶城提供的剪切波浪型纤维，其是由普通钢板剪切并经压制成型，长度为32 mm，长径比为45，抗拉强度为800 MPa。硅粉为成都东蓝星科有限公司生产，技术指标如表2所示。减水剂采用广东省江门强力建材科技有限公司生产的高效减水剂，其技术指标见表3。橡胶颗粒直径范围为0.85～1.40 mm，密度为1.05 g·cm-3，熔点为170 ℃。图1为橡胶颗粒、钢纤维、再生骨料和硅粉的外观形态。

1.2 试验装置

本文研究是在MATEST C088O1材料压缩试验机上实施轴压试验，采用力控制模式，加载速度为0.5 MPa·s-1，试验加载装置如图2所示。2 试验结果与讨论

本文研究的所有试件均在养护28 d后进行轴压试验。轴压试验中，普通混凝土试件和其他组试件分别加载至峰值后降至峰值荷载的20%和40%停止加载，立方体抗压强度如表4所示。

2.1 破坏模式

在轴压过程中，普通混凝土试块中部的表层首

与普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纤维混凝土在加载接近峰值荷载时，裂缝数量更多，但裂缝宽度更小。当荷载降至峰值的20%时，试件未见混凝土脱落，表面保持完整。在荷载从峰值的20%降至峰值的40%过程中，表层的混凝土开始外鼓，但试件最终裂而不碎，没有出现明显的剥落现象。图4为硅粉聚丙烯纤维混凝土承受轴压后捣开的破坏形态。与普通混凝土相似，硅粉聚丙烯纤维混凝土的受压破坏断面主要出现在天然粗骨料与砂浆的粘结面。值得提出的是，硅粉聚丙烯纤维混凝土出现了一定数量的天然粗骨料被劈裂的现象；聚丙烯纤维既出现被拔出的现象，也出现被拔断的现象（图4）。这说明硅粉的掺入较大提高了粗骨料与砂浆粘结面的强度，导致部分粗骨料破坏。另外，聚丙烯纤维的存在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能，使得混凝土破坏时表面更加平整。

硅粉橡胶钢纤维再生混凝土的破坏过程与硅粉聚丙烯纤维混凝土相似，破坏后两者的表面均保持较完整，但后者的裂缝数量更少，裂缝宽度更小。这主要是因为聚丙烯纤维细长，且与混凝土粘结良好，在混凝土内部起串连作用，而钢纤维虽强度更高，但其与再生混凝土粘结不好，导致混凝土破坏后内部更为松散，如图5（a）所示。对于硅粉橡胶钢纤维再生混凝土，试块的破坏断面主要是再生粗骨料与砂浆的粘结面，但是也出现一定数量再生粗骨料被劈裂的现象，砖块被劈裂的现象较为明显，见图5（b）；混凝土中的钢纤维均是被拔出，未见被拔断的现象。从本文研究试验现象来看，无论是钢纤维还是聚丙烯纤维，它们掺入混凝土一定程度上抑制了裂缝的扩展，混凝土基体并没有明显的剥落现象，混凝土试件表面均能保持较完整。这表明混凝土在受压过程中，纤维有效地减少了裂缝尖端的应力集中，起到了耗散破坏能量的作用，增加了混凝土的延性。值得提出的是，与钢纤维相比，聚丙烯纤维在混凝土中的粘结性能更好。

2.2 抗压强度

图6为各组混凝土与普通混凝土抗压强度之比。从图6可见，与普通混凝土相比，内掺和外掺硅粉的橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度分别降低了31.4%和20.6%。这一方面是因为再生粗骨料本身的多孔性、强度低以及其破碎过程中产生的预损伤等原因，另一方面是因为以细骨料身份掺入的橡胶颗粒具有较强的憎水性和较大的孔隙率，致使其与胶凝材料没有粘结牢固，降低混凝土密实性，导致橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度明显降低[13]。

为了分析硅粉对橡胶钢纤维再生混凝土抗压强度的影响，图7给了本次试验和本课题组[14]前期没掺硅粉的试验结果。从图7可以看出，随着橡胶掺量的增加，橡胶钢纤维再生混凝土抗压强度随之下降。与同批次的普通混凝土相比，没掺硅粉、橡胶替代率为16%的混凝土抗压强度下降了40%，而内掺10%硅粉、橡胶替代率为20%的混凝土抗压强度只下降了31%。由图7的变化趋势可推测，内掺10%硅粉至少能给橡胶替代率为20%的橡胶钢纤维再生混凝土抗压强度带来15%的提高，而外掺3%硅粉则能进一步提高抗压强度，其增幅约为26%。由此可见，掺入硅粉是提高橡胶钢纤维再生混凝土抗压性能的有效方法。究其原因，硅粉的掺入不仅改善了硬化水泥浆体与粗骨料间的粘结界面，而且硅粉颗粒散布在橡胶颗粒表面，改善了浆体与橡胶颗粒间的界面，增强其粘结强度。另外，与内掺法相比，外掺法的胶凝材料总质量多于内掺法的胶凝材料，而且外掺法的水泥含量多于内掺法，产生的水泥水化物也更多，硅粉与其反应更加充分，更有效地产生CSH溶胶。因此，外掺法相比内掺法能更有效提高橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度。然而在经济性上，内掺法更加节约资源，符合可持续发展的要求。

另外，从图6可以看出，与普通混凝土相比，硅粉聚丙烯纤维混凝土的抗压强度提高了38%。吴建华等[12]利用与本试验相同含量的硅粉和聚丙烯纤维对再生混凝土进行强化，试验结果显示强化后再生混凝土抗压强度的提高率达到了30%。对于普通混凝土，许多试验已经表明，内掺10%硅粉时，其抗压强度提高率约为20%[7，15]。由此可见，硅粉和聚丙烯纤维的复合掺入无论对天然混凝土还是再生混凝土的抗压性能都有很好的强化作用，比单掺硅粉更强。这一方面是因为聚丙烯纤维乱向分布的掺入，形成了立体骨架，改善了混凝土的延性，阻止了微裂缝扩展，增强其抗裂性能[16]；另一方面硅粉的火山灰效应和微填充效益改善了水泥浆体与骨料的界面性能，增强了混凝土的密实性和与纤维的粘结性能。两者相辅相成，取得了较单掺其中任一种材料更好的改性效果。

2.3 塌落度

图8为各组混凝土的塌落度。从图8可以看出，硅粉聚丙烯纤维混凝土的塌落度较普通混凝土下降30 mm，工作性能最差。这一方面是因为内掺硅粉较多，硅粉颗粒较水泥颗粒要小很多，其吸水量比水泥颗粒要大；另一方面是因为聚丙烯纤维乱向分布，形成立体骨架，两者的共同作用，导致了塌落度的下降。再生骨料有较强的吸水性，所以本文试验根据再生骨料的吸水率补充了附加水。与普通混凝土相比，内掺10%和外掺3%硅粉的橡胶钢纤维再生混凝土的塌落度则分别下降了20 mm和0 mm。硅粉和钢纤维对再生混凝土塌落度有负作用，而橡胶是憎水材料，它起到了滚珠的作用，使得硅粉橡胶钢纤维再生混凝土中的游离水增加。因此，橡胶抵消了硅粉和钢纤维部分的负作用，增加其塌落度。由此可见，硅粉和纤维材料在混凝土的复合掺入时还需特别考虑其工作性能，控制其水灰比或调整减水剂的用量都是不错的选择。

3 结 语

（1）硅粉和聚丙烯纤维或钢纤维的复合掺入能明显提高混凝土抗压的延性。与钢纤维相比，聚丙烯纤维在混凝土中的粘结性能更好。

（2）硅粉和聚丙烯纤维的复合掺入无论对天然混凝土还是再生混凝土的抗压性能都有很好的强化作用。

（3）内掺10%硅粉能给橡胶替代率为20%的橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度带来15%以上的提高，而外掺3%硅粉则能提高同类混凝土抗压强度的26%。

（4）硅粉和纤维材料的复合掺入会明显降低混凝土的塌落度，橡胶颗粒的存在可以抵消它们部分的负作用，建议调整水灰比或减水剂用量来改善其工作性能。

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