回收轮胎聚合物纤维混凝土性能试验研究

陈 猛， 刘阳波， 陶云霄， 王 浩

(1.东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所， 北京 100038)

可持续发展是国际社会的关注重点，提高资源的回收利用率愈加受到人们重视.汽车行业的飞速发展产生了大量的废旧橡胶轮胎，焚烧及填埋处理会污染空气及土地资源，合理利用废旧轮胎材料可以减轻环境负担[1].

废旧轮胎回收加工后产生大量的钢纤维、橡胶颗粒和聚合物纤维(recycled tyre polymer fiber，RTPF).相关研究表明，将从废旧轮胎中回收的钢纤维加入混凝土，能够大大增强混凝土的韧性[2]，橡胶颗粒可以改善混凝土的耐久性[3]；Baricevic等[4]将RTPF加入混凝土中，结果表明RTPF增强了混凝土的抗冻融能力.另外，RTPF可以降低混凝土的毛细吸水性，同时并不会明显影响混凝土的可泵性和抗压以及抗折强度[5].在混凝土材料中，RTPF吸收的水分不会在水化过程中全部释放出来，可以减小混凝土自身收缩[6].承受动态冲击荷载时，掺量为2.4 kg/m3的RTPF混凝土表现出最好的能量吸收作用[7].目前，RTPF对混凝土拌合物及基本力学性能的影响缺少系统的试验研究，并且RTPF在混凝土中的作用机理需要进行科学分析.

国内外研究表明聚丙烯纤维(polypropylene fiber，PPF)能够有效抑制混凝土的塑性收缩、减少裂纹、增强抗折和抗拉强度[8-10].有机合成纤维的生产过程对环境污染较大，使用废旧纤维可有效缓解环境压力，RTPF混凝土与PPF混凝土基本力学性能的差别需要系统的试验分析.本文设计素混凝土(F0)、4种掺量RTPF混凝土和1种掺量PPF混凝土，通过拌合物性能测试、基本力学性能试验和微观损伤机理分析，研究RTPF对混凝土基本力学性能的影响和作用机理.

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

水泥采用P.Ⅰ.42.5硅酸盐水泥；细骨料为细度模数2.56的河砂，最大粒径为4.75 mm；粗骨料为5～20 mm的碎石；减水剂为减水率38%的聚羧酸高效减水剂.RTPF和PPF如图1所示.RTPF的直径、强度和弹性模量由上海新纤仪器有限公司生产的纤维直径分析仪(SGD-1A)和工程纤维强度伸度仪(XG-1A)检验，RTPF和PPF物理及力学性能见表1.

素混凝土(F0)配合比为:水泥550 kg，砂560 kg，石子1 128 kg，水154 kg，减水剂5.5 kg；RTPF掺量分别为1.2,2.4,4.8和9.6 kg(体积掺量分别约为0.1%,0.2%,0.4%,0.8%)，材料编号分别为RTPF12,RTPF24,RTPF48和RTPF96；PPF掺量为0.9 kg(体积掺量约为0.1%)，材料编号为PPF09.

图1 RTPF和PPF图

表1 纤维物理及力学性能

1.2 试件制备及试验方法

按照配合比将水泥和骨料放入搅拌机中干拌，然后加入称量好的水和减水剂搅拌不小于120 s，最后加入纤维搅拌至纤维分散均匀.将混凝土拌合物浇入模具并振捣密实，24 h后脱模并放入标准养护室(温度(20±2)℃，相对湿度在95%以上).

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[11]测试混凝土的坍落度和含气量；按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]测试混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度；使用扫描电子显微镜(Ultra-plus SEM)观察试件破坏后的纤维形貌，测试前在试件表面进行喷金处理，加速电压为15 kV.

2 试验结果及讨论

2.1 混凝土拌合物性能

2.1.1 含气量

混凝土拌合物含气量如图2所示.F0含气量为1.88%.RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的含气量分别比F0增加了11.2%,17.6%,27.1%,47.9%和28.2%.含气量随RTPF掺量增加而递增，原因是纤维与浆体之间存在薄弱界面，为气体进入提供更多通道，另外RTPF上附有橡胶颗粒，橡胶颗粒表面粗糙，很容易在搅拌过程中引入空气[13].PPF09的含气量与RTPF48相近，相同体积掺量(0.1%)下，PPF的引气能力远大于RTPF，这是由于PPF具有较强疏水性[14]，而RTPF为尼龙帘子布粉碎后的纤维，遇水后具有一定亲水性[6].

图2 混凝土拌合物含气量

2.1.2 坍落度

混凝土的坍落度如图3所示.F0坍落度为185 mm，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的坍落度分别比F0降低8.1%，18.9%，35.1%，62.2%和14.6%.PPF09的坍落度介于RTPF12和RTPF24之间，RTPF的掺量越大，混凝土拌合物的坍落度越低，这主要是因为RTPF和橡胶颗粒吸收了混凝土拌合物中的水分[7]，导致坍落度降低.

图3 混凝土拌合物坍落度

2.2 抗压强度

2.2.1 立方体抗压强度

立方体抗压强度(fcu)试验采用150mm×150 mm×150 mm试件，不同材料在7 d和28 d的立方体抗压强度如图4所示.当养护龄期为7 d时，F0的立方体抗压强度为42.1 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的立方体抗压强度分别比F0降低3.6%，3.8%，8.3%，18.0%和2.1%.当养护龄期为28 d时，F0的立方体抗压强度为67.3 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的立方体抗压强度较F0分别降低2.2%，3.6%，4.3%，17.7%和5.8%，RTPF混凝土7 d和28 d的立方体抗压强度随纤维掺量增大而降低，这与文献[4]和[5]的试验结果趋势一致；当RTPF掺量达到0.8%时，强度降低明显，这主要是因为RTPF96含气量较大，坍落度较小.同时，RTPF中含有的橡胶颗粒弹性模量较小，在压应力作用下相对于混凝土变形大，会降低混凝土的立方体抗压强度，文献[3]和[13]的研究表明，混凝土立方体和轴心抗压强度随橡胶颗粒掺量增大而降低.PPF09在28 d 的立方体抗压强度介于RTPF24和RTPF48之间，相同体积掺量(0.1%)下RTPF相比PPF对混凝土的抗压强度影响较小.

2.2.2 轴心抗压强度

轴心抗压强度(fck)试验采用150 mm×150 mm×300 mm的试件，试验结果如图4所示.F0的轴心抗压强度为58.5 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分别比F0降低1.9%，2.6%，8.4%，12.6%和1.0%，相同体积掺量(0.1%)的RTPF和PPF对轴心抗压强度的影响相差不大.F0的强度比(轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值)为0.87，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09的强度比分别为0.87，0.88，0.83，0.92和0.91，两种纤维混凝土的强度比与F0相差不大.

图4 抗压强度随纤维或橡胶颗粒掺量变化图

2.3 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉试验采150 mm×150 mm×150 mm试件，试验结果如图5所示.F0劈裂抗拉强度为4.83 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分别比F0提高3.3%，7.6%，7.0%，6.2%和4.7%.这是由于RTPF和PPF可以抑制混凝土的早期收缩，减少微裂纹的产生及扩展，并在混凝土中呈三维乱向分布，发挥桥接作用[4-6,15]，从而提高劈裂抗拉强度.但是随RTPF掺量增加，混凝土内部薄弱界面增多，拌合物工作性能变差，混凝土的劈裂抗拉强度降低.

拉压比为劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比.F0拉压比为7.17%，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分别比F0提高了5.72%，11.71%，11.74%，29.15%和11.29%，拉压比随RTPF掺量增大而增大，可见RTPF和PPF均可有效改善混凝土的脆性.

图5 混凝土劈裂抗拉强度

2.4 抗折强度

抗折试验采用100 mm×100 mm×400 mm试件，试验结果如图6所示.F0抗折强度为4.79 MPa，RTPF12，RTPF24，RTPF48，RTPF96和PPF09分别比F0提高了3.5%，9.6%，7.3%，5.6%和 8.7%，RTPF混凝土抗折强度出现先升高后降低的趋势.RTPF掺量超过2.4 kg/m3时混凝土抗折强度下降，这是由于拌合物含气量较大，坍落度较小，同时橡胶颗粒与混凝土之间的黏结界面抗拉性能较差，这与文献[3]和[8]的研究结果相似.文献[6]和[8]的试验结果表明PPF对混凝土抗折强度具有增强作用.PPF比RTPF更长，能够有效提高纤维的锚固长度[16]，故在相同体积掺量(0.1%)下，PPF提高混凝土抗折强度更为明显.

图6 抗折强度随纤维或橡胶颗粒掺量变化图

2.5 纤维作用机理分析

图7为原始RTPF和混凝土破坏后扫描电子显微镜测试图.图7a中原始PPF端口整齐，图7b中在混凝土破坏后PPF端口呈尖锥形，这表明纤维在混凝土破坏时被拉断，同时部分纤维表面出现划痕，表明纤维在破坏过程中被拔出基体发挥了桥连作用.图7c为混凝土破坏后RTPF形貌，部分纤维表面有划痕或破坏端口呈锥状斜茬.RTPF表面的粗糙度比PPF大，可以有效提供与基体之间的黏结力，抑制混凝土的收缩并在断裂过程中发挥桥连作用.

图7 纤维扫描电子显微镜图像

3 结 论

1) RTPF和PPF混凝土含气量均高于F0，含气量随RTPF掺量增大而递增，在相同体积掺量(0.1%)下，PPF的引气能力大于RTPF；混凝土坍落度随RTPF掺量升高而降低，体积掺量在0.1%～0.8%的RTPF混凝土坍落度比F0降低了8.1%～62.2%，PPF09坍落度介于RTPF12和RTPF24之间.

2) RTPF和PPF混凝土抗压强度均低于F0且抗压强度随RTPF掺量增大而降低；RTPF体积掺量在0.4%范围内对立方体抗压强度影响不大；体积掺量在0.1%～0.8%的RTPF混凝土轴心抗压强度比F0降低了1.9%～12.6%，相同纤维体积掺量(0.1%)的RTPF和PPF对轴心抗压强度的影响相差不大.

3) RTPF和PPF混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度均高于F0，劈裂抗拉强度和抗折强度随RTPF掺量均出现先升高后降低的趋势，RTPF体积掺量0.2%为最优纤维掺量，其劈裂抗拉强度和抗折强度分别比F0提高7.6%和9.6%.

4) 混凝土破坏后RTPF形貌出现表面划痕和端口拉断，表明纤维从混凝土基体中拔出或发生受拉破坏，纤维与混凝土基体存在有效黏结力并发挥桥连作用.