改性橡膠混凝土的力學性能和抗凍融性能研究

柏 旗，蘇有文，呂雄飛

（1.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000；2.上海理工大學，上海 200082）

隨著我國交通運輸行業的快速發展，廢舊輪胎迅速增加，而廢舊輪胎橡膠難以降解，給環境帶來了惡劣的影響[1-2]。將廢舊輪胎破碎再研磨成橡膠顆粒或者橡膠粉，可替代傳統混凝土中的部分骨料而制備出新型橡膠混凝土。研究[3-7]表明，與傳統混凝土相比，橡膠混凝土有更好的抗沖擊、抗凍、降噪等性能。但由于橡膠顆粒具有疏水性，與水泥基材之間附著力較低，橡膠混凝土出現彈性模量低、變形大且抗壓強度降低的現象，因此橡膠混凝土的推廣受到限制。

R.F.ZOLLO[8]的研究表明，聚丙烯纖維作為一種性能優異且價格低廉的纖維，其優異的抗裂性和高強度可以提高混凝土的力學性能。將橡膠顆粒和聚丙烯纖維添加到水泥基質中會吸收水泥基質的部分水分，降低混合料的流動性。而粉煤灰具有活性[9]，可有效提高混合料的和易性，提高混凝土的強度。

國內外學者大多是單獨使用聚丙烯纖維或者粉煤灰對混凝土進行改性，而沒有綜合兩者的優勢。在我國北方地區，混凝土的使用耐久性受氣候變化的影響較明顯，尋找摻入聚丙烯纖維和粉煤灰橡膠混凝土的凍融耐久性規律對其實際應用具有重要作用。

本工作以不同摻量的聚丙烯纖維和粉煤灰復摻的橡膠混凝土為研究對象，分析聚丙烯纖維和粉煤灰復摻對橡膠混凝土力學性能和抗凍融性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

（1）水泥：工源牌硅酸鹽P.O 42.5R級水泥，丹東山水工源水泥有限公司產品。

（2）細骨料：Ⅱ區中砂。

（3）粗骨料：篩分粒徑為5～20 mm的石灰巖 碎石。

（4）水：自來水。

（5）外加劑：FDN-C型減水劑。

（6）橡膠顆粒：粒徑 2～4 mm，細度模數 2.85，表觀密度 2620 kg·m-3，堆積密度 1610 kg·m-3，含泥量 1.8%，含水率 1.2%，江蘇宏騰運動場地新材料有限公司產品。

（7）聚丙烯纖維：長度 18 mm，直徑 18～48 μm，彈性模量 3.5 GPa，抗拉強度 ＞458 MPa，耐低溫性 好，耐酸堿性 極好，河北廊坊環宇砂漿原料廠產品。

（8）粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，主要成分 二氧化硅、三氧化二鋁，細度 43 μm，密度 2.4 Mg·m-3， 含水率 0.5%，表觀密度 2300 kg·m-3，北川金通建材有限公司產品。

1.2 配合比設計

按照標準[10]進行基準橡膠混凝土配合比設計，設計強度為C30，各材料用量見表1。在基準素橡膠混凝土（SXJ）配合比的基礎上，以10%的橡膠顆粒等質量替代砂，分別以占水泥質量14%，16%，18%和20%的粉煤灰替代水泥，且分別外摻質量為8，10，12和14 kg·m-3的聚丙烯纖維（摻量分別對應于水泥摻量的1.80%，2.26%，2.72%和3.18%）。將聚丙烯纖維與粉煤灰組合，制作不同質量比的聚丙烯纖維和粉煤灰復合物，再成型的聚丙烯纖維/粉煤灰橡膠混凝土試件。

表1 橡膠混凝土配合比Tab.1 Mix proportions of rubber concretes kg·m-3

1.3 試件制作

攪拌采用干拌和濕拌相結合的方法。先人工干拌砂石等干料，再分批加入纖維攪拌1 min，攪拌時間可根據纖維用量的增大略微調整。然后將混合料投入攪拌機干拌2 min，再將水和減水劑緩慢加入。當混凝土混合料表現出所需的和易性且纖維分布均勻時，將其倒入模具中并在振動器上振動。試件用塑料片覆蓋并在室溫下保存24 h后脫模，將試件標準養護至齡期。

1.4 性能測試

按照標準要求進行抗壓和抗拉性能測試[11]以及快速凍融循環試驗[12]。

2 結果與討論

2.1 力學性能

聚丙烯纖維和粉煤灰摻量對橡膠混凝土力學性能的影響如圖1所示。

圖1 聚丙烯纖維和粉煤灰摻量對橡膠混凝土力學性能的影響Fig.1 Effect of polypropylene fiber and fly ash contents on mechanical properties of rubber concretes

從圖1可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，橡膠混凝土的抗壓強度和抗拉強度均呈現先增大后減小的趨勢。其中粉煤灰摻量為14%和16%的橡膠混凝土的性能較好，與素橡膠混凝土相比，其最大抗壓強度分別提高了15.2%和17.3%，最大抗拉強度分別提高了43.2%和41.7%。造成這些現象的主要原因分析如下。（1）聚丙烯纖維在基體中亂向分布，形成無序三維支撐結構，當橡膠混凝土受到外力時，其抵抗從基體中拉出的能力能夠抑制初始裂紋的產生，并通過變形來轉移混凝土所承受的外力。基體開裂后，聚丙烯纖維共同承受裂縫之間的應力，對受力體起“微箍”作用[13]，以提高整體性。而纖維過多會使混合料攪拌不均勻，容易產生應力集中，從而降低強度。（2）水泥一次水化生成了氫氧化鈣，粉煤灰與其發生二次水化得到水化硅酸鈣（CSH）凝膠產物，降低了二者界面上Ca2+的濃度，提高了材料間的粘附性；而未水化的粉煤灰牢固填充在材料界面過渡區，提高了過渡區的緊實度[14]。但隨著粉煤灰摻量的增大，水泥用量明顯下降，水化產物不足，這導致橡膠混凝土的強度下降。（3）根據復合材料理論，聚丙烯纖維和粉煤灰與水泥基形成三相復合材料[15]，材料間的協同作用使橡膠混凝土不易斷裂和剝離。因此適量的聚丙烯纖維和粉煤灰有利于提高橡膠混凝土的力學性能，纖維摻量為10 kg·m-3、粉煤灰摻量為14%～16%時，橡膠混凝土的力學性能較好。

2.2 相對動彈性模量

2.2.1 聚丙烯纖維摻量的影響

凍融循環進程中，聚丙烯纖維摻量對橡膠混凝土相對動彈性模量的影響如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維摻量對橡膠混凝土相對動彈性模量的影響Fig.2 Effect of polypropylene fiber contents on relative dynamic elastic moduli of rubber concretes

從圖2可以看出：在整個凍融循環進程中，在其他條件不變時，橡膠混凝土的相對動彈性模量不斷降低，且素橡膠混凝土的相對動彈性模量降幅比其他橡膠混凝土大；凍融150次時，素橡膠混凝土的相對動彈性模量下降至65%左右，其他橡膠混凝土的相對動彈性模量在75%～85%區間。

聚丙烯纖維能減少橡膠混凝土的凍融損傷，但并非是添加纖維越多，橡膠混凝土的抗凍性越好[16]。從圖2可以還看出，聚丙烯纖維摻量為10 kg·m-3左右時，橡膠混凝土的抗凍性能較優。

2.2.2 粉煤灰摻量的影響

凍融循環進程中，粉煤灰摻量對橡膠混凝土相對動彈性模量的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，在其他條件不變時，橡膠混凝土的凍融次數和相對動彈性模量呈反比，凍融循環次數越多，相對動彈性模量就越低。在相同凍融次數下，粉煤灰摻量較小對橡膠混凝土的抗凍性有益；當粉煤灰摻量逐漸增大時，橡膠混凝土的相對動彈性模量隨之降低，下降速率在凍融次數大于75時變大。因此，橡膠混凝土粉煤灰摻量不宜過大。

圖3 粉煤灰摻量對橡膠混凝土相對動彈性模量的影響Fig.3 Effect of fly ash contents on relative dynamic elastic moduli of rubber concretes

根據O.KARAHAN等[17]提出的膨脹壓理論可知，與混凝土相比，纖維的熱膨脹系數更大，在凍結溫度下纖維的體積收縮率大于混凝土，此時纖維與混凝土的界面會形成微裂紋，這些裂紋能消除水凍結引起的膨脹應力，當凍結的水融化時，纖維的體積膨脹率比混凝土大，基體內部無膨脹應力，使纖維與水泥基界面的粘結更加緊密。粉煤灰含有活性成分，適量的粉煤灰水化產生的CSH凝膠可以填充孔隙，增加結構密實度，減少凍融循環引起的基體內部的“凍脹破壞”。過量的粉煤灰會使水泥與骨料的粘附力降低，引起混凝土內部的孔隙率增大，使混凝土的相對動彈性模量降低。綜上所述，通過加入適量粉煤灰和聚丙烯纖維，可以抑制橡膠混凝土的裂紋發展，提高抗凍融損傷能力。

2.3 凍融損傷模型

由損傷力學理論可知，混凝土的凍融損傷程度定義為

式中，D為凍融損傷程度，E0和EN分別為凍融前和凍融后相對動彈性模量。

為了更好地反映橡膠混凝土的凍融損傷程度，參照關宇剛等[18-20]的混凝土凍融損傷程度方程構建了橡膠混凝土的凍融損傷程度二次函數衰減模型。在本試驗聚丙烯纖維和粉煤灰摻量范圍內，橡膠混凝土的凍融損傷程度與凍融次數之間的關系可表達為：

式中，y為凍融損傷程度，x為凍融次數，a和b為材料因數，c為無量綱因數。

將橡膠混凝土的凍融損傷程度數據代入式（2），使用Origin軟件對凍融損傷程度數據進行擬合，以A和B型試件為例，得到橡膠混凝土的凍融損傷程度二次函數衰減因數，結果如表2所示。

表2 橡膠混凝土的凍融損傷程度二次函數衰減因數Tab.2 Quadratic function attenuation coefficients of freeze-thaw cycle damage degrees of rubber concretes

從表2可以看出，橡膠混凝土的凍融損傷程度二次函數的R2最小為0.96，大部分為0.98以上，表明此凍融損傷模型和試驗數據之間的誤差很小。

3 結論

（1）提高橡膠混凝土的抗碾壓開裂和抗凍融破壞性能的關鍵是提高其內部結構的密實度和抗裂性能，聚丙烯纖維具有增韌阻裂的作用，粉煤灰可以提高骨料之間的密實度，加上增強界面粘結性等措施，可以有效提高橡膠混凝土的抗碾壓和抗凍融能力。

（2）摻入聚丙烯纖維能夠提高橡膠混凝土的力學性能，但當其摻量大于10 kg·m-3時，橡膠混凝土的力學性能反而降低；粉煤灰具有一定活性，可有效改善混合料的和易性，提高橡膠混凝土的強度，但粉煤灰摻量過大則會導致橡膠混凝土的強度下降。

（3）橡膠混凝土的相對動彈性模量隨粉煤灰摻量的增大而降低；聚丙烯纖維在一定程度上能夠提高橡膠混凝土的抗凍融損傷性能，但并非其摻量越大，橡膠混凝土的抗凍效果越好。

（4）結合力學性能和抗凍融性能，聚丙烯纖維摻量為10 kg·m-3、粉煤灰摻量為14%～16%時，橡膠混凝土的整體性能最優。

（5）混凝土的凍融循環損傷程度采用相對動彈性模量定義。本研究構建了在試驗聚丙烯纖維和粉煤灰摻量范圍內，橡膠混凝土的凍融損傷程度與凍融次數的二次方程。進行數據擬合及誤差分析后得出，此凍融模型精度較高。