稻壳灰结合橡胶改性聚丙烯纤维混凝土及性能研究

刘 虎

（佛山市天诚工程咨询管理有限公司，广东 佛山 528000）

0 引 言

为更好地实现能源节约和绿色发展，减少混凝土中水泥的使用量成为研究的热点。例如，党莹以粉煤灰代替水泥，同时，在混凝土中掺入纳米氧化锌颗粒，制备了一种绿色高性能混凝土。试验结果表明，该绿色混凝土具备良好的耐久性[1]。叶建峰等则以钢纤维和橡胶颗粒为主要改性材料，制备了具备自密实性能的混凝土，并研究其性能。试验结果表明，当混凝土中掺入10%橡胶颗粒时，其峰值应变达到最大值，而对于不同钢纤维掺量的混凝土试件，其性能均有提高的现象[2]。为了资源化有效处理，孙红艳则在混凝土中掺入大量的工业废锂渣来代替水泥，并通过抗压强度、干燥收缩等试验研究其性能。试验结果表明，当锂渣的掺量为60%时，后期抗压强度与基准混凝土试件相近，其环境和经济效益最优[3]。

以上各学者的研究都为混凝土材料的绿色发展提供了参考，但在能源节约、提高性能等方面依然有优化空间。我国是一个农业大国，随着粮食产量的不断提高，副产品稻壳的产量也越来越多，虽然有稻壳焚烧处理等方式再次利用，但是资源利用率低。本试验选用的稻壳灰是在电厂中经过600 ℃高温处理，具有表面积大、粒径小、活性好等优异性能，因此，本试验将该稻壳灰掺入经过废旧轮胎产生的橡胶颗粒的聚丙烯纤维混凝土中，在减少水泥使用量的同时将废旧资源有效利用，并通过动/静态力学试验研究材料性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：稻壳灰（工业纯），黑龙江安庆热电厂；橡胶颗粒（工业纯），（粒径0.5~1 mm、1~3 mm 和3~6 mm），灵寿县冀西矿产；聚丙烯纤维（化学分析纯），（PP 纤维），山东合盾工程材料；粉煤灰（工业纯），石家庄梦宇新材料；P.O 42.5 普通硅酸盐水泥（工业纯），深圳市华昌鑫建材；细骨料河砂（工业纯），（10~20 目），石家庄金仁矿产；粗骨料碎石（工业纯），（粒径5~20 mm），灵寿县靖琳矿产；氢氧化钙（化学分析纯），广西帝煌钙业；减水剂（工业纯），山东天乙化工；羟丙基甲基纤维素（工业纯），郑州爵派化工。

主要设备：TCS-60 型落地移动式电子台秤，上海升徽电子；HZB-C-A 型高精度电子秤，深圳衡之宝电子；ZT-500 型多功能搅拌机，东莞市清溪振泰通用机械设备；33691 型混凝土振动台，河北念晴暄仪器；W101-1 型真空干燥箱，江西龙中机械设备；DQ-4 型全自动岩石切割机，河北鑫贸路业试验仪器；HMP-150 型混凝土芯样磨平机，献县金晟试验仪器；PWS-20 型电液伺服动静万能材料试验机，济南永测工业设备；LB-LBSN0.5 型球磨机，常州励岸宝机械设备；TD-3500 型衍射仪，苏州丞普诺仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计方案

本试验采用电厂制稻壳灰结合橡胶颗粒改性聚丙烯纤维混凝土，探究稻壳灰掺量以及橡胶颗粒对聚丙烯纤维混凝土材料性能的影响，初步配比方案见表1。

表1 混凝土基准配合比/kg·m-3Table 1 The benchmark mix proportion of concrete/kg·m-3

以表1 的初步配比为基础，在其他因素不变的情况下，保持水灰比0.5，橡胶颗粒组合掺量为10%，设置不同稻壳灰掺量，分别为5%、10%、15%、20%、25%，其中，橡胶颗粒组合中粒径0.5~1 mm 占比20%，粒径1~3 mm 占比50%，粒径3~6 mm 占比30%[4-6]。

1.2.2 改性聚丙烯纤维混凝土的制备

（1）在搅拌机中先添加适量的河砂、橡胶颗粒和碎石，设置搅拌时间为2 min，充分混合均匀。

（2）加入适量的普通硅酸盐水泥、粉煤灰以及经球磨机磨细的稻壳灰，继续搅拌2 min。

（3）在搅拌机中加入适量的水、减水剂、羟丙基甲基纤维素，搅拌3 min 混合均匀，获得改性聚丙烯纤维混凝土砂石浆。

（4）将获得的改性混凝土砂石浆倒入立方体模具（150 mm×150 mm×150 mm）和圆柱体模具（50 mm×100 mm）中，然后放在混凝土振动台上振动处理2 min，振实，排出混凝土砂石浆内部的气泡。

（5）用抹灰刀抹平，再附上塑料膜封口，然后在恒温恒湿的养护室放置1 d。

（6）脱模，然后放入饱和氢氧化钙溶液中，在室温环境下继续养护20 d。

（7）养护完成后，放入恒温烘箱烘干，设置温度为65 ℃，时间为1 d，然后取出备用。

1.3 性能测试

1.3.1 静态力学性能测试

通过万能试验机对立方体混凝土试件进行静态力学性能试验，分别为抗压强度测试、劈裂抗拉强度测试、抗折强度测试。其中，试验机位移加载速度为3 mm/min。

1.3.2 动态力学性能测试

通过万能试验机对圆柱体试件进行分级循环加卸载试验，其中，圆柱体单轴抗压应力、应变、弹性模量的计算公式分别为：

式中，σ：单轴抗压应力，MPa；N：试件受到的荷载，N；A：试件承压面积，mm2；ε：单轴抗压应变，MPa；△L：试件轴向位移，mm；L：试件形变后的长度，mm；L0：试件原始长度，mm；E：弹性模量，GPa；σf：最大轴向应力，MPa；ε0：弹性应变。

在分级循环加卸载试验的基础上，再通过Origin 软件分析试件的应力- 应变情况[7]。

2 结果与分析

2.1 静态力学性能分析

根据1.3.1 中的测试方法，对立方体试件进行测试，测试结果如图1（a）~（c）所示。

图1 材料静态力学性能测试Fig. 1 The static mechanical properties tests of materials

图1（a）~（c）分别为在不同稻壳灰含量下，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度曲线图、劈裂抗拉强度曲线图以及抗折强度曲线图。由图1 可知，当试件中的稻壳灰含量不断增加，各强度均先增后减。当没有添加稻壳灰时，基准试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别为28.18 MPa、4.02 MPa 和4.96 MPa；当稻壳灰含量在0%~15%时，各强度开始缓慢增加；当稻壳灰含量超过15%时，各强度出现迅速上升的现象，并在稻壳灰含量为20%时，均达到峰值，此时，试件抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别为32.05 MPa、5.16 MPa 和7.26 MPa，与基准试件各强度相比，提高幅度分别为30.77%、28.36%和46.37%，抗折强度提升幅度最大；然而，当稻壳灰含量增加到25%时，试件抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度均出现大幅度下降的现象，分别降至27.66 MPa、3.92 MPa 以及5.39 MPa，与各强度的峰值相比，降幅分别为24.94%、24.03%和25.76%。

发生这些现象的原因是，在混凝土的浇筑过程中，会产生一些孔隙、裂缝等缺陷，而混凝土材料中水化产物会不断地慢慢填充这种缺陷，但是，当填充不完整时，就会形成永久缺陷，降低材料的各方面性能。而通过在混凝土中加入高温改性并研磨成细粉的稻壳灰，可以在一定程度上填补这些孔隙缺陷，并且稻壳灰具备疏松多孔的结构，从而有着较高的比表面积，活性较好，所以可以促进水泥水化反应的发生，从而更快地生成一些薄片板状物质，在材料内部形成致密结构，使混凝土强度提高。但是，当稻壳灰掺量过高时，会发生团聚效应，这种团聚效应会使稻壳灰在胶凝材料中分布不均匀，从而使材料逐渐形成自身缺陷，性能降低[8-9]。因此，本试验选择的稻壳灰掺量为20%，并用于后续动态力学性能试验。

2.2 动态力学性能分析

2.2.1 单轴抗压试验分析

图2 为稻壳灰含量为20%的混凝土的单轴抗压试验测试结果。由图2 可知，在单轴抗压试验中，混凝土试件的应力- 应变曲线主要由3 个部分组成，先是抗压强度线性上升阶段，然后是达到屈服强度后的非线性上升阶段，最后达到峰值强度后的下降阶段[10]。可以观察到，在达到峰值强度后，稻壳灰含量为20%的试件的下降速度比较缓慢。

图2 20%稻壳灰含量试件的应力-应变图Fig. 2 The stress-strain curve of test piece containing rice husk ash with a content of 20%

2.2.2 分级循环加卸载试验分析

图3 为稻壳灰含量为20%的试件分级循环加卸载试验测试结果。由图3 可知，在分级循环加卸载试验中，混凝土试件的应力- 应变曲线起初密集聚在一起，后续空隙间隔越来越大。观察并分析可知，混凝土试件的应力- 应变曲线主要由压密阶段、线弹性阶段以及裂缝演化阶段这3 个阶段组成。在压密阶段中，混凝土材料的应力- 应变曲线出现下凹的现象，并且随着应变的增加，应力值依旧较小且增加幅度较平缓，这是由于刚开始发生受压作用时，试件表面不平整导致的，这种不平整表面和试件内部的缝隙等，当试件受到多次加卸载应力作用时，其内部材料结构会越来越紧密；在线弹性阶段中，应力- 应变曲线呈现线性增长，并且增长幅度较稳定，这是因为试件内部受压越来越均匀，整体结构较稳定；在裂缝演化阶段，混凝土材料的应力- 应变曲线出现上凸的现象，并且随着应变的增加，应力增长幅度在逐渐减小，这主要是因为，随着加卸载应力次数的增加，试件内部的裂纹、孔隙等会不断增多，使材料的脆性减弱。因此，试件的形变形式逐渐以塑性形变为主[11-12]。

图3 分级循环加卸载试验结果Fig. 3 The grading cyclic loading and unloading test results

综合分析可知，在混凝土材料的制备工艺过程中，会产生一些孔隙等使混凝土内部结构不均匀，因此试件的各部位强度也不一样，当发生应力加载时，试件的弹性形变和塑性形变是同时产生的。当试件受压力作用时，先以弹性形变为主，然后随着循环加卸载次数的增加，试件内部开始出现一些裂纹、缝隙等，使得试件形变主要转为塑性形变，因此试件内部的耗散能增加，表现为应力- 应变曲线的滞回环的面积不断增加，所以，混凝土试件的应力-应变曲线先密后疏[13]。

2.2.3 弹性模量分析

图4 为稻壳灰含量为20%的试件分级循环加卸载时的弹性模量变化曲线图。由图4 可知，随着循环加卸载试验的不断进行，混凝土试件的弹性模量平稳上升。当第2 次循环试验结束时，材料的弹性模量为3.45 GPa；而当第15 次循环加卸载试验结束时，材料的弹性模量已经上升到4.76 GPa，提高幅度为37.97%。发生这种现象的主要原因是试件中的橡胶颗粒会因自重轻而在混凝土制备过程中出现上浮的情况，这会使混凝土内部材料分布不均匀，但是混凝土材料中的聚丙烯纤维形成的三维网状结构可以缓解橡胶颗粒上浮效果，使负面效果得到抑制。因此，在混凝土材料中加入不同粒径的橡胶颗粒组合，可以填补各骨架之间的孔洞，增强混凝土材料的密实度，同时，橡胶颗粒具备较好的弹性性能，能够改善材料的抗弯性能、抗冲击性能等[14]。因此，本试验制备的混凝土材料具备良好的抗变形能力。

图4 弹性模量图Fig. 4 The diagram of elastic modulus

3 结 论

综上，本试验制备的稻壳灰结合橡胶改性聚丙烯纤维混凝土具备良好的综合性能，具体结论如下：

（1）当稻壳灰含量增加时，材料的抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度均先增加后减小。当稻壳灰掺量为20%时，各强度峰值分别为32.05 MPa、5.16 MPa 和7.26 MPa，增幅分别为30.77%、28.36%和46.37%，说明材料具备良好的强度。

（2）分级循环加卸载应力- 应变曲线先密后疏，分为压密、线弹性以及裂缝演化3 个阶段。

（3）随着循环加卸载次数的增加，稻壳灰含量为20%的材料弹性模量平稳上升，从3.45 GPa 上升到4.76 GPa，材料抗形变能力较好。

（4）橡胶颗粒组合和稻壳灰的加入，可以增加材料的结构密实度，从而提高材料性能。