混掺纤维增强橡胶混凝土的力学性能研究*

黎晓辉 李丽娟 李彦龙 卢俊杰 赵忠宇 郑英明 刘 锋 钟根全

(1.广东工业大学土木与交通工程学院, 广州 510006; 2.广州市泰和混凝土有限公司, 广州 510450)

0 引 言

由于具有良好的可塑性、安全性和耐久性,混凝土依旧是世界上最常用的建筑材料。在混凝土中粗、细骨料体积占比约为70%。由于大量使用混凝土导致河砂等天然骨料被过度开采,造成了生态环境的破坏。因此,近年来许多学者在研究一些适合替代天然骨料的材料[1-2]。与此同时,我国每年报废的废旧橡胶轮胎大约有2 000万t,橡胶具有难降解、易燃和有毒等危害。因此,有学者提出用橡胶颗粒来替代混凝土中的天然骨料[3-4]。橡胶颗粒加入到混凝土中,除了能提高混凝土耐磨、吸能、隔热、隔声和抗冻效果[5-7]外,还可以在力学方面提高其韧性、抗冲击和延展性[8-9]。这些性能表明橡胶混凝土是一种适用于路面的材料。

强度和刚度是结构设计中需要考虑的两个重要因素[10-11],但由于橡胶的弹性模量小,且与混凝土基体黏结界面薄弱,加入橡胶后的混凝土强度和刚度都会有一定程度的下降[12]。为了增强橡胶混凝土,加入纤维是一种有效的物理改性方式。在橡胶混凝土中加入纤维后,纤维通过桥接裂缝,防止了裂缝的继续发展,使混凝土的韧性得到改善,从而增强其抗裂性能和耐久性[13]。朱江等在橡胶混凝土中添加了1.0%、1.5%和2.0%的钢纤维[14],抗压强度分别提高了0%、1%和6%,劈裂抗拉强度分别提高了6%、13%和17%,抗折强度分别提高了13%、28%和35%。吕志恒等在混凝土中分别添加了0.45%、0.9%和1.35%的玻璃纤维[15],抗压强度增量分别为25%,41%和-26%,劈裂抗拉强度增量分别为-3%、38%和7%,抗折强度增量分别为21%、46%和22%。然而,混凝土的开裂破坏是多尺度的[16]。霍彦霖等对混掺钢-聚乙烯纤维增强混凝土分别进行准静态和动态抗弯试验,[17]发现混掺纤维有利于提高混凝土的初裂荷载和峰值荷载,同时有利于耗散冲击动能,提高混凝土的韧性。

混掺纤维混凝土作为近年来新型研究领域,认为不同类型的纤维进行混合可能产生协同效果,从而进一步增强橡胶混凝土的性能[18-19]。因此,研究了钢纤维(SF)和玻璃纤维(GF)混掺增强橡胶混凝土的工作性能和力学性能,研究结果用于分析钢纤维和玻璃纤维对橡胶混凝土路用性能的综合影响,对橡胶混凝土在道路方面的发展和应用具有一定的指导意义。

1 试验方案

本研究通过坍落度试验、轴心抗压试验、劈裂抗拉试验和弯曲试验,测试掺入钢纤维和玻璃纤维的橡胶混凝土的工作性能和力学性能。

1.1 材 料

通过混合水泥、水、橡胶、砂、粗骨料、钢纤维、玻璃纤维和高效减水剂制备混掺纤维增强橡胶混凝土,如图1所示。水泥采用42.5R的普通波特兰水泥,其比重为3.11。水为实验室的自来水,其比重为1.00。最大粒径不超过5 mm的河砂和20目的橡胶被选作本研究的细骨料。根据GB/T 14684—2011《建设用砂》,通过试验测得砂的参数,如表1所列;橡胶的参数由供应商都江堰市华益橡胶有限公司提供,如表1所列。粗骨料选用经机械破碎的花岗岩,其粒径范围在5～16 mm之间。根据GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》,通过试验测得粗骨料的物理参数,如表1所列。本研究选用的砂、橡胶和粗骨料的级配分布如图2所示。本研究使用的钢纤维为平直型镀铜钢纤维,长度为12 mm。钢纤维的参数由供应商河南赞格实业有限公司提供,如表2所列。为了研究玻璃纤维长度对橡胶混凝土性能的影响,使用了两种纤维长度为6 mm和12 mm的耐碱玻璃纤维。两种玻璃纤维除了长度不一样,其余物理参数一样。玻璃纤维的参数由供应商泰山玻璃纤维有限公司提供,如表2所列。最后,减水剂采用的是聚羧酸水溶液,其比重为1.02,固含量为9%。

表1 细骨料和粗骨料的性质

表2 纤维的材料性质

图1 混凝土原材料

图2 骨料粒径分布

1.2 配合比设计

为探究钢纤维和玻璃纤维对橡胶混凝土的工作性能和力学性能的影响,在混凝土配合比设计中采用了4种钢纤维(SF)掺量(0、0.4%、0.8%和1.2%)、4种玻璃纤维(GF)掺量(0、0.2%、0.4%和0.6%)和2种玻璃纤维长度(6 mm和12 mm)。纤维掺量以混凝土的体积百分比表示。基于目前的研究,橡胶掺量约为10%时,对混凝土力学性能的影响较小,所以本研究中的橡胶掺量取10%。橡胶掺量以细骨料的体积百分比表示。减水剂用量表示为水泥质量的百分数,本研究中固定为0.5%。水灰比固定为0.4,同时在计算配合比的过程中根据河砂和粗骨料的含水率和吸水率调整用水量,确保不同配合比中浆体的一致性。总共设计了28组配合比,如表3所示。每种配合比采用S-G-L的格式标记,其中S0、S0.4、S0.8和S1.2分别表示钢纤维掺量为0、0.4%、0.8%和1.2%;G0、G0.2、G0.4和G0.6分别表示玻璃纤维掺量为0、0.2%、0.4%和0.6%;L0、L6和L12分别表示没有掺入玻璃纤维、掺入6 mm玻璃纤维和掺入12 mm玻璃纤维。

表3 混掺纤维增强橡胶混凝土的配合比

1.3 试件设计

抗压试验所用的试件尺寸为φ100×200;劈裂抗拉试验所用的试件尺寸为φ100×200;抗弯试验所用的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,每种试验每种配合比制备3个试件,共252个试件。为了将纤维均匀分布在混凝土中,采取了以下3个步骤:1)首先将水泥、砂、橡胶、纤维倒入搅拌机内,干搅60 s,确保混合均匀;2)将称量好的水和减水剂充分混合后,取70%左右加入搅拌机中,搅拌60 s;3)将粗骨料和剩下30%的水加入搅拌机中,搅拌180 s,使其充分搅拌均匀。根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》,测试混凝土的工作性能,如图3所示。然后把混凝土浇筑到准备好的塑料模具中。将样品在室温下固化24 h。脱模后,将所有试件保存在水中28 d,然后取出擦干进行力学试验。

图3 坍落度测试

1.4 力学试验设计

1.4.1轴心抗压试验

轴心抗压试验的设置如图4所示。加载前在试件的上下表面打上石膏。根据ASTM C39/C39MStandardTestMethodforCompressiveStrengthofCylindricalConcreteSpecimens,试验加载采用位移控制机制,加载速率为0.18 mm/min。在正式试验前,根据应变片和位移计的读数对试件进行预压和对中处理,确保为轴心受压后再进行正式加载。记录加载过程中最大的荷载值,可以通过式(1)求出试件的抗压强度。

(1)

图4 轴心抗压试验设置

式中:C为抗压强度;Pcmax为轴心抗压试验加载荷载的最大值;d为圆柱体的直径。

1.4.2劈裂抗拉试验

劈裂抗拉试验的设置如图5所示。加载前在试件上下的加载位置放置垫条。根据ASTM C496StandardTestMethodforSplittingTensileStrengthofCylindricalConcreteSpecimens,试验加载采用荷载控制机制,加载速率为1.4 MPa/min。记录加载过程中最大的荷载值,可以通过式(2)求出试件的劈裂抗拉强度。

(2)

图5 劈裂抗拉试验设置

式中:T为劈裂抗拉强度;Ptmax为劈裂拉伸试验加载荷载的最大值;l为圆柱体的高。

1.4.3四点抗弯试验

四点抗弯试验的设置如图6所示,其中支座间距为300mm。为了保证加载时试件与设备接触良好,采用试件成型时的侧面作为加载面,同时在支座处采用石膏找平。根据ASTM C78StandardTestMethodforFlexuralStrengthofConcrete(UsingSimpleBeamwithThird-PointLoading),试验加载采用荷载控制机制,加载速率为1.2MPa/min。记录加载过程中最大的荷载值,可以通过式(3)求出试件的抗弯强度。

(3)

图6 抗弯四点试验设置

式中:F为抗弯强度;Pfmax为四点弯曲试验加载荷载的最大值;L为支座跨度;b和h分别为试件的宽和高。

2 试验结果分析

表4列出了各个配合比的新拌混凝土的坍落度,以及硬化后的混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度和脆性系数。表4中的力学强度结果取3个相同试件的平均值,并计算各配合比相对于无纤维对照组的变化率。正号表示增加,负号表示减少。

表4 混凝土工作性能和力学性能试验结果

2.1 工作性能

各配合比新拌的混凝土拌合物的坍落度结果如表4所列。可见:当单掺钢纤维(SF)时,坍落度下降至101～202 mm,随着钢纤维掺量的增加,坍落度越来越小,这是因为钢纤维易产生交叉搭接现象,形成网格结构,起到支撑骨架的作用,使得坍落度减小;当单掺6 mm玻璃纤维(GF)时,坍落度下降至51～176 mm;当单掺12 mm玻璃纤维时,坍落度下降至50～187 mm,即对于相同长度的玻璃纤维,纤维掺量的增加会显著降低坍落度,因为纤维可以限制新拌混凝土的塑性变形和流动;对于相同掺量的玻璃纤维,其长度的变化对坍落度的影响不明显。同时,通过对比单掺纤维的结果可以发现:当掺量为0.4%时,玻璃纤维对坍落度的影响比钢纤维更明显。这是因为相同体积掺量下,玻璃纤维的数量更多,且总表面积更大,导致包裹纤维所需的浆体增加,从而减少了骨料间的浆体,使得流动性变差。而工作性能差会增加混凝土的空隙率,降低混凝土的力学性能。

2.2 力学性能

2.2.1抗压强度

不同配合比的混凝土试件的抗压强度结果如表4和图7所示。可见:随着玻璃纤维掺量的增加,各系列的抗压强度表现出单调递增或者先增加后减小的规律,这说明玻璃纤维掺量并不一定越多越好,不同系列具有不同的最佳玻璃纤维掺量。对于不掺入钢纤维的系列,抗压强度随两种长度的玻璃纤维的掺量增加而增加,当玻璃纤维掺量为0.6%时,两种长度的玻璃纤维使抗压强度增长率最大,分别为3%和8%。对于掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.2%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,抗压强度增长率最大,为24%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.4%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,抗压强度增长率最大,为27%。显然,玻璃纤维的最佳掺量随着钢纤维掺量的增加而减少,故应避免纤维总掺量过多。对于6 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.2%,而对于12 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.4%。总体而言,12 mm的玻璃纤维对抗压强度的提高效果更明显。

a—6 mm玻璃纤维; b—12 mm玻璃纤维。

另外,在仅添加钢纤维的情况下,当钢纤维掺量为1.2%时,橡胶混凝土抗压强度的增长率达到最大,为11%。在仅添加12 mm玻璃纤维的情况下,当玻璃纤维掺量为0.6%时抗压强度的增长率达到最大,为8%。然而,在两种纤维混掺的情况下,当钢纤维掺量为1.2%以及12 mm玻璃纤维掺量为0.4%时抗压强度的增长率达到最大,为27%。因此,虽然单掺两种纤维均能提高橡胶混凝土的抗压强度,但是混掺能最大程度地提高抗压强度。强度最高的试件S1.2G0.4L12及其对应的单掺试件的破坏模式如图8所示。可以看出,混掺效应是由于两种纤维的特性不同引起的。钢纤维由于其高强度和高弹性模量的特点,可以在混凝土内部形成骨架作用,同时在混凝土裂缝出现的初期起桥接作用,直至裂缝发展成大裂缝,钢纤维被拔出失效。加入长径比更大的玻璃纤维后,混凝土破坏时会有更多的细小裂纹。这是由于数量更多的玻璃纤维可以有效减少裂缝尖端应力集中的程度,使得应力重分布,让更多基体材料发挥作用,从而提高混凝土试件的强度和韧性。

a—S1.2G0L0; b—S0G0.4L12; c—S1.2G0.4L12。

橡胶混凝土的抗压强度并非总是随钢纤维和玻璃纤维的掺量增加而提高的。换言之,存在最佳的钢纤维和玻璃纤维掺量,使得橡胶混凝土的抗压强度得到最大的提高。总体上,两种纤维的最佳总掺量介于1.4%～1.6%。因为过多的纤维会严重影响橡胶混凝土的工作性能,从而增加混凝土的空隙率,降低橡胶混凝土的抗压强度。同时,玻璃纤维的最佳掺量介于0.2%～0.4%之间。由于同等掺量下,玻璃纤维对工作性能的影响大于钢纤维,所以对玻璃纤维的掺量需要更严格的控制。

2.2.2劈裂抗拉强度

不同配合比的混凝土试件的劈裂抗拉强度结果如表4和图9所示。可知:随着玻璃纤维掺量的增加,两种长度的玻璃纤维有不一样的规律;6 mm的玻璃纤维各系列的劈裂抗拉强度增长逐渐变缓,也就是说随着钢纤维掺量的增加,6 mm的玻璃纤维产生的作用越来越小;12 mm的玻璃纤维各系列的劈裂抗拉强度均表现出先增加后减小,这说明玻璃纤维掺量并不一定越多越好,不同系列具有不同的最佳玻璃纤维掺量;对于不掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.6%时,劈裂抗拉强度增长率最大,为18%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.4%时,劈裂抗拉强度增长率最大,为21%。对于掺入钢纤维的系列,6 mm和12 mm的玻璃纤维都在掺量为0.4%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,劈裂抗拉强度增长率最大,分别为29%和46%。这说明了玻璃纤维的掺入会对劈裂抗拉强度同时造成积极和消极的影响,能否提高强度取决于哪种影响更大。由于不同长度的玻璃纤维对工作性能的影响并不明显,所以可以假设不同长度的玻璃纤维对劈裂抗拉强度的消极影响是一样的,进一步说明12 mm的玻璃纤维对劈裂抗拉强度的积极影响更大,可以更有效地抑制裂缝的发展。

a—6 mm玻璃纤维; b—12 mm玻璃纤维。

另外,在仅添加钢纤维的情况下,当钢纤维掺量为1.2%时,橡胶混凝土劈裂抗拉强度的增长率达到最大,为25%;在仅添加12 mm玻璃纤维的情况下,当玻璃纤维掺量为0.4%时劈裂抗拉强度的增长率达到最大,为21%。然而,在两种纤维混掺的情况下,当钢纤维掺量为1.2%以及12 mm玻璃纤维掺量为0.4%时,劈裂抗拉强度的增长率达到最大,为46%。因此,虽然单掺两种纤维均能提高橡胶混凝土的劈裂抗拉强度,但是混掺能最大程度地提高劈裂抗拉强度,且提高效果比抗压强度好。在开裂荷载前,混凝土能通过黏结力将部分拉应力由纤维承受,此时数目更多、分布更广的玻璃纤维可以很好地抑制微裂缝的发展,延缓形成宏观裂缝的速度。到达开裂荷载后,裂缝处起到桥接作用的纤维主要是弹性模量和强度更高的钢纤维,桥接作用使得裂缝两端的基体材料能继续发挥作用。

总体上,橡胶混凝土的劈裂抗拉强度随钢纤维掺量增加而提高,但并非总随玻璃纤维的掺量增加而提高。6 mm的玻璃纤维对劈裂抗拉强度的提高效果较差,随着钢纤维掺量的增加,玻璃纤维的效果越差,尤其当钢纤维掺量为1.2%时,玻璃纤维的掺入几乎没有提高效果。无论钢纤维掺量多少,12 mm的玻璃纤维最佳掺量为0.4%,超过该掺量会导致混凝土流动性变差,从而降低劈裂抗拉强度。

2.2.3抗弯强度

不同配合比的混凝土试件的抗弯强度结果如表4和图10所示。可见:随着玻璃纤维掺量的增加,各系列的抗弯强度表现出先增加后减小的规律。这说明不同系列具有不同的最佳玻璃纤维掺量。对于不掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.4%时,抗弯强度增长率最大,为54%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.2%时,抗弯强度增长率最大,为40%。对于掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.2%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,抗弯强度增长率最大,为142%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.4%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,抗弯强度增长率最大,为172%。显然,存在最佳的玻璃纤维掺量使抗弯强度得到最大提高。对于6 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.2%,而对于12 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.4%。总体而言,12 mm的玻璃纤维对橡胶混凝土抗弯强度的提高效果更明显。

a—6 mm玻璃纤维; b—12 mm玻璃纤维。

另外,在仅添加钢纤维的情况下,当钢纤维掺量为1.2%时,橡胶混凝土抗弯强度的增长率达到最大,为90%;在仅添加12 mm玻璃纤维的情况下,当玻璃纤维掺量为0.2%时抗弯强度的增长率达到最大,为40%。然而,在两种纤维混掺的情况下,当钢纤维掺量为1.2%以及12 mm玻璃纤维掺量为0.4%时抗弯强度的增长率达到最大,为172%。因此,虽然单掺两种纤维均能提高橡胶混凝土的抗弯强度,但是混掺能最大程度地提高抗弯强度。混掺效应的原因与劈裂抗拉强度的相似。

总体上,橡胶混凝土的抗弯强度随钢纤维掺量增加而提高,但并非总是随玻璃纤维的掺量增加而提高。当与钢纤维混掺使用时,6 mm的玻璃纤维的最佳掺量为0.2%,12 mm的玻璃纤维的最佳掺量为0.4%,超过该掺量会导致混凝土流动性变差,从而降低抗弯强度。同时,由于四点弯曲试验的裂缝总是会发生在纯弯段中最薄弱的部位,并且大概率向骨料与基体的黏结面和纤维少的位置发展,所以使用更长的玻璃纤维可以增加微裂缝经过纤维中间部分的概率,提高纤维利用率。

2.2.4脆性系数

脆性系数可以用来表示混凝土材料的脆性,其定义为抗压强度与抗弯强度的比值。脆性系数越大,表示该材料越脆,反之,表示韧性越好。不同配合比的混凝土试件的脆性系数结果如表4和图11所示。可见:随着玻璃纤维掺量的增加,两种长度的玻璃纤维有不一样的规律。对于不掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.4%时,脆性系数下降率最大,为34%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.2%时,脆性系数下降率最大,为26%。对于掺入钢纤维的系列,当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.6%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,脆性系数下降率最大,为52%;当玻璃纤维长度为12 mm、掺量为0.4%时,以及钢纤维掺量为1.2%时,脆性系数下降率最大,为53%。总体而言,12 mm的玻璃纤维对橡胶混凝土脆性系数的减小效果更明显。

a—6 mm玻璃纤维; b—12 mm玻璃纤维。

另外,在仅添加钢纤维的情况下,当钢纤维掺量为1.2%时,橡胶混凝土脆性系数的下降率达到最大,为42%;在仅添加12 mm玻璃纤维的情况下,当玻璃纤维掺量为0.2%时脆性系数的下降率达到最大,为26%;然而,在两种纤维混掺的情况下,当钢纤维掺量为1.2%以及12 mm玻璃纤维掺量为0.4%时,脆性系数的下降率达到最大,为53%。因此,虽然单掺两种纤维均能提高橡胶混凝土的韧性,但是混掺能最大程度地提高韧性。

总体上,橡胶混凝土的脆性系数并非总是随钢纤维和玻璃纤维的掺量增加而减小。换言之,存在最佳的钢纤维掺量和玻璃纤维掺量使得橡胶混凝土的韧性最好。钢纤维是混凝土开裂后能继续承载的主要原因,所以在本研究设置的掺量范围内,1.2%为钢纤维的最佳掺量。脆性系数关于玻璃纤维掺量的规律比较复杂,对于6 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.4%～0.6%;对于12 mm的玻璃纤维,最佳掺量为0.4%。

3 结束语

1)钢纤维和玻璃纤维掺量的增加会使橡胶混凝土的工作性能变差,且等体积掺量下表面积更大的玻璃纤维对坍落度的影响比钢纤维更明显。

2)钢纤维和玻璃纤维掺量的增加可以有效提高橡胶混凝土的力学性能,提高效果依次为:抗弯强度>劈裂抗拉强度>抗压强度。这是由于纤维能够抑制混凝土受拉区裂缝的扩展,减小裂缝尖端的应力集中程度,并减缓裂缝的增长速度。

3)混掺纤维增强橡胶混凝土能获得比单掺纤维更优的力学性能。钢纤维在混凝土内部形成骨架作用,并在混凝土开裂后提供更强大的桥接作用;而玻璃纤维可以更均匀地分布在试件中,抑制微裂缝发展成宏观裂缝,延缓裂缝的发展。但是由于玻璃纤维对工作性能的不利影响,掺量不宜过多,否则对力学性能不利。

4)钢纤维和玻璃纤维掺量的增加可以有效地降低橡胶混凝土的脆性系数。在混凝土基体出现裂缝的情况下,仍可以继续承受一定的荷载,提高橡胶混凝土的变形能力,使其具有更好的韧性。