廢舊鋼纖維增強橡膠混凝土力學性能試驗研究

彭 蔓,高涌濤,韓 楊,陳秀麗,寇雄俊

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都 610059;2.成都理工大學環境與土木工程學院,成都 610059)

0 引 言

隨著全球汽車數量的增加,廢棄輪胎存量也不斷增加,而由廢棄輪胎堆積與不當處理帶來的環境問題亟待解決[1-2]。使用廢棄輪胎作為摻料加入到普通混凝土中可形成再生橡膠混凝土,橡膠混凝土是一種延性遠大于普通混凝土的新型綠色材料[3]。研究表明,橡膠顆粒的加入可有效增強混凝土遭到破壞時能量吸收的能力[4-5],使用廢舊輪胎作為摻料的混凝土在等幅循環荷載下的疲勞性能明顯優于普通混凝土[6]。但橡膠的低強度和低彈性模量會使混凝土的力學性能等有所降低。

在橡膠混凝土中摻加鋼纖維是增加其強度的方法之一,研究發現鋼纖維的加入對橡膠混凝土的抗拉強度有明顯改善作用[7-8],在準靜態和動態條件也有同樣的發現[9],且在長期酸性條件下,抗拉強度的提升也十分明顯[10]。鋼纖維對橡膠混凝土的抗硫酸鹽性能具有積極作用[11],這也使得鋼纖維增強橡膠混凝土更適用于路面以及海工方面的建設[12]。拉伸強度的提升來自鋼纖維的橋聯作用,且這種橋聯作用同樣對橡膠混凝土的抗彎與抗剪強度有積極影響[13-14]。研究證明鋼纖維與橡膠顆粒的結合能更好地增加能量耗散的能力,增加橡膠混凝土的延性[15-17],并且對橡膠混凝土的壓縮韌性、彎曲韌性以及抗沖擊能力有明顯的提升作用[18-21]。

目前用于增強橡膠混凝土力學性能的鋼纖維多為工業鋼纖維,為減少建材消耗以達到固廢利用的目的,本次試驗所用鋼纖維為螺旋狀廢舊鋼纖維。首先將堿洗過的橡膠顆粒以10%的體積摻量摻入到三種強度的普通混凝土(plain concrete, PC)中,再加入不同體積摻量(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)的廢舊鋼纖維來改善由橡膠顆粒帶來的強度損失,研究各廢舊鋼纖維增強橡膠混凝土(scrap steel fiber reinforced rubber concrete, SSFRC)在28 d的力學強度變化,引入拉壓比、折壓比和韌性指數對SSFRC的韌性進行評價,結合宏觀試驗數據與SEM對SSFRC的增強增韌機理進行分析。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5紅獅牌普通硅酸鹽水泥,其相關性能指標見表1;粗骨料為粒徑小于20 mm的碎石;細骨料為表觀密度為2.65 g/cm3的中砂,中砂為普通河砂,細度模數為2.7;混凝土采用自來水拌和;廢舊鋼纖維為車床機械加工產生的廢舊邊角料,外形呈3D螺旋狀,平均長度為20～40 mm,厚度小于0.5 mm,平均抗拉強度不小于380 MPa,彈性模量為2.05×105MPa;橡膠為廢舊輪胎切割顆粒,粒徑為1～3 mm,并經過質量分數為5%的NaOH溶液堿洗至pH=7。

表1 水泥的性能指標

1.2 試件制作

根據參考文獻[22-23]與前期試驗研究結果確定橡膠體積摻量為10%,廢舊鋼纖維體積摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。SSFRC試件基體強度為C30、C40、C50。各強度等級試件配合比參考《纖維混凝土結構技術規程》(CECS 38—2004)和《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011),因所有混凝土試件設計強度均在C30～C50,故各類試驗均采用非標準試件尺寸,具體見表2。

表2 各試驗試件尺寸

1.3 測試方法

1.3.1 工作性能測試

SSFRC的工作性能采用坍落度試驗來評估,相關試驗均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行操作。

1.3.2 基本力學性能測試

立方體抗壓強度采用最大量程為1 000 kN的WHY-1000型微機控制壓力試驗機進行測試;劈裂抗拉強度試驗采用CSS-555000型微機控制電液伺服試驗機,配合鋼制劈裂抗拉夾具共同進行測試;四點抗折強度采用YA-500微機液壓壓力試驗機進行測試;單軸軸心抗壓強度采用CSS-MAM600DL電液伺服萬能試驗機進行測試。相關試驗操作及強度計算均按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)執行。

1.3.3 SEM測試

采用賽默飛世爾科技有限公司的PRISMA E 掃描電子顯微鏡,將壓壞的試件破碎切割,選取規則的顆粒備用,觀察界面過渡區時選擇橡膠-基體結合良好的部分,分析改性橡膠顆粒、橡膠-水泥漿界面過渡區、廢舊鋼纖維、廢舊鋼纖維-水泥漿界面過渡區和骨料-水泥漿界面過渡區形貌。

2 結果與討論

2.1 坍落度

圖1顯示了不同強度混凝土坍落度隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢。由圖1可知,橡膠顆粒和鋼纖維的加入會在一定程度上降低混凝土的坍落度,使其工作性能變差,鋼纖維摻量越高,坍落度降低越多,混凝土強度越高,坍落度越低。主要原因是堿洗過的橡膠顆粒表面富有棱角,形狀不規則,使得橡膠表面吸水能力增強,拌合物內部流動的摩擦力增大,從而降低拌合物的流動性;試驗采用的廢舊鋼纖維具有3D螺旋結構,有良好的空間特性,隨著鋼纖維摻量的增加,各基體強度的SSFRC中鋼纖維相互搭接點變多,增大了混凝土拌合物內部流動的摩擦力,與橡膠顆粒協同作用進一步阻礙了拌合物的流動性,從而降低坍落度。但隨著廢舊鋼纖維摻量的增加,C50混凝土的坍落度并沒有繼續明顯下降,這是由于較大摻量的廢舊鋼纖維加入高強度等級混凝土中,使鋼纖維之間偶有交錯,已不能形成較好的三維空間網狀結構,無法產生顯著的橋聯作用。

圖1 不同強度混凝土坍落度隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢

2.2 力學性能

圖2顯示了不同強度混凝土在28 d的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、四點抗折強度及強度比隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢。

圖2 不同強度混凝土28 d的力學強度及強度比隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢

從圖2(a)、(c)、(e)可以看出,在PC中加入10%的橡膠顆粒后,RC的各力學強度都發生了不同程度的下降,C30的抗壓、抗拉、抗折強度下降幅度都在10%左右,C40在14%左右,C50在21%左右,這說明橡膠的加入對相同基體強度混凝土的各力學強度影響相當,當基體強度不同時橡膠對強度高的混凝土力學性能影響更大。出現這一結果可歸因于橡膠本身的結構軟弱性使得橡膠在受力時無法與水泥石產生協同變形而導致強度下降,以及在加入經堿洗的橡膠顆粒后橡膠本身的疏水性使得橡膠顆粒與水泥石的界面過渡區仍然無法完全有效結合,有研究表明,橡膠與砂漿的界面區域強度僅有砂漿強度的35%[24],且堿洗處理并不能將橡膠顆粒表面完全轉化為親水性[25]。橡膠顆粒的疏水性使水分子無法接觸到橡膠表面,從而抑制了水泥在橡膠表面的水化,導致RC中主要強度來源的水化產物水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠減少,力學強度降低。

2.2.1 立方體抗壓強度

從圖2(a)、(b)可觀察到,SSFRC的立方體抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增加呈先增加后下降的趨勢,且在鋼纖維摻量為1.0%時達到峰值。C30、C40 SSFRC的峰值抗壓強度分別達到41.71、50.79 MPa,較RC分別增長了23%、26%,較PC分別增長了11%、7%,強度比分別達到1.11、1.07;C50 SSFRC的峰值抗壓強度達到52.82 MPa,較RC增長了22%,但僅達到PC的93%,強度比僅有0.93。鋼纖維由于自身的3D螺旋結構,可在三維空間上阻止各個方向裂縫的發展,在一定摻量(1.0%)時有效抵消了橡膠帶來的削弱作用,起到增強RC抗壓強度的效果;超過這一摻量后,鋼纖維相互搭接,基體軟弱點增多,增強作用減弱。根據C50的抗壓強度數據可以發現鋼纖維對強度高的混凝土立方體抗壓強度的提升效果有限。

2.2.2 劈裂抗拉強度

從圖2(c)、(d)可觀察到,SSFRC的劈裂抗拉強度隨著鋼纖維摻量的增加呈先增加后下降的趨勢,且在鋼纖維摻量為1.5%時達到峰值,C30、C40、C50 SSFRC的峰值抗拉強度分別達到4.08、4.92、5.12 MPa,較RC分別增長了45%、50%、57%,較PC分別增長了32%、29%、24%,強度比分別達到1.32、1.28、1.24。SSFRC受到拉力時,沿受力方向的鋼纖維在三維空間各個方向上發揮橋聯作用,限制多個方向裂縫和細紋的產生與發展,3D螺旋結構的鋼纖維與基體緊密結合,大大提升了抗拉強度;當摻量超過1.5%時,纖維出現搭接,增強作用減弱。鋼纖維對RC的劈裂抗拉強度提升效果明顯,對C30的抗拉強度增強作用最佳。

2.2.3 四點抗折強度

從圖2(e)、(f)可觀察到,SSFRC的抗折強度隨著鋼纖維摻量的增加呈先增加后下降的趨勢,且在鋼纖維摻量為1.5%時達到峰值,C30、C40、C50 SSFRC的峰值抗折強度分別達到6.06、6.84、7.30 MPa,較RC分別增長了29%、31%、38%,較PC分別增長了17%、14%、9%,強度比分別達到1.17、1.14、1.09。受力時,鋼纖維在三維空間各個方向上發揮橋聯作用并與基體緊密結合,產生較大摩擦力;當摻量超過1.5%時,纖維相互搭接、重疊,增強作用減弱。鋼纖維對RC的抗折強度提升效果較明顯。

2.3 韌性評價

圖3顯示了不同強度的PC、RC、SSFRC在軸向壓力作用下的應力應變曲線,圖4顯示了SSFRC的拉壓比和折壓比變化趨勢,表3顯示了不同鋼纖維體積摻量下不同強度SSFRC的韌性指數。由圖3可以看出,曲線分為上升段(初裂點以前的線性上升階段和初裂點到峰值應力的非線性上升階段)和下降段(峰值應力后的試件破壞階段)。除了PC由于脆性破壞無法獲取應力應變曲線后半段,RC、SSFRC均可獲得全過程曲線。橡膠的加入使PC的峰值應力出現下降,這是由于橡膠使PC的強度降低,與前文所述強度降低原因一樣。加入鋼纖維后,峰值應力先上升后下降,這是由于鋼纖維摻量達到一定值后,鋼纖維摻量繼續增加會使鋼纖維之間互相搭接而增加基體中的軟弱點,從而增強作用減弱。橡膠的加入使PC的峰值應變增加,說明橡膠可提高PC的變形能力,使其延性增加。加入鋼纖維后,不同強度的SSFRC的峰值應變較RC在整體上出現增加,應力應變面積相比于RC都有一定的增加,說明鋼纖維對不同強度的RC阻裂均有積極影響,C30最為顯著。隨著鋼纖維摻量的增加,SSFRC的峰值后曲線下降趨勢較RC明顯變緩,SSFRC的抗壓韌性進一步得到提升。

圖3 不同強度混凝土應力應變曲線隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢

圖4 不同強度混凝土拉壓比與折壓比隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢

表3 不同鋼纖維體積摻量下不同強度SSFRC的韌性指數

從圖4可以看出,隨著鋼纖維摻量的增加,SSFRC的拉壓比與折壓比整體上呈先增加后輕微下降的趨勢,拉壓比和折壓比在鋼纖維摻量為1.5%時達到峰值,之后有輕微下降,但仍明顯高于PC和RC,C30、C40、C50 SSFRC的拉壓比較RC分別增加29%、25%、38%,折壓比較RC分別最大提升15%、13%、22%。C50較其他兩組混凝土拉壓比和折壓比數據增幅更加明顯,這說明鋼纖維可以在一定摻量上與橡膠顆粒協同作用增加RC的韌性,且對高強度等級混凝土的增韌效果更明顯。從表3各混凝土韌性指數的變化可以看出,各混凝土的韌性指數隨著鋼纖維摻量的增加整體上呈增長的趨勢,C30、C40、C50 SSFRC峰值韌性指數較該組RC分別提高35%、49%、20%。

綜上,結合各混凝土在軸向壓力作用下的應力應變曲線與拉壓比、折壓比和韌性指數的綜合分析,一定摻量的鋼纖維與橡膠顆粒協同作用進一步增加橡膠混凝土的韌性,可有效改善PC脆性大的缺陷。

2.4 廢舊鋼纖維增強橡膠混凝土增強增韌機理

圖5為鋼纖維阻裂作用示意圖,圖6為SSFRC的微觀結構圖。在RC中加入廢舊鋼纖維后產生新的界面區域——水泥漿與橡膠顆粒的界面過渡區。從圖6(a)可看出,當骨料-水泥過渡界面被掃描放大到1 500倍時,單摻橡膠顆粒的RC在界面過渡區存在大量的孔結構,整體結構松散,孔洞之間相互貫通;從圖6(b)可看出,在C30的RC中加入體積摻量為1.5%的鋼纖維后,其基體密實程度明顯改善,與RC與PC相比松散結構明顯減少。

圖5 鋼纖維阻裂作用示意圖

圖6 SSFRC的微觀結構

從圖6(c)可看出,廢舊鋼纖維表面被放大250倍時,廢舊鋼纖維的3D螺旋結構可鎖住水泥石,阻止橫向裂縫發展。亂向分布的廢舊鋼纖維在一定摻量下形成空間網狀結構,可有效抑制SSFRC在塑性階段的骨料沉降作用和離析程度,還可以承擔水泥基體干縮作用產生的部分拉應力,發揮阻裂作用,改善基體微觀形貌。如圖5所示,在裂縫產生后,沿受力方向分布的螺旋狀鋼纖維開始發揮橋聯作用,阻止三維空間中各個方向裂縫進一步發展。鋼纖維與基體緊密錨固還可以在SSFRC硬化階段進一步阻止微裂縫發展。

將廢舊鋼纖維-基體界面過渡區放大500倍,由圖6(d)可見,在廢舊鋼纖維和水泥漿的界面過渡區,水泥漿嚴密包裹鋼纖維,兩者粘接較為緊密。放大到1 000倍時,由圖6(e)可看到,廢舊鋼纖維局部富有凹凸不平的結構,橫紋間被水泥水化產物(C-S-H凝膠)填滿,表明廢舊鋼纖維表面肋間都發生了水泥水化作用。廢舊鋼纖維表面被放大5 000倍時,從圖6(f)可觀察到,C-S-H凝膠填充了空隙,這種交互作用進一步提高了SSFRC的密實度。放大到10 000倍時,從圖6(g)可見,密集的水化產物(C-S-H凝膠)和鈣礬石(AFt)交錯分布形成密實的結構,其中細長的樹枝形態鈣礬石晶體互相穿插增強了鋼纖維與基體的機械咬合力,也具有一定的抑制裂縫開展的效果,使SSFRC成為一個密實牢固的整體,這些產物對鋼纖維阻裂增強發揮了巨大的作用。

3 結 論

1)橡膠顆粒和不同體積摻量的廢舊鋼纖維會在一定程度上降低混凝土的坍落度,鋼纖維摻量越高,坍落度降低越多;混凝土強度越高,坍落度越低。但高鋼纖維摻量下的坍落度并不會持續明顯下降。

2)橡膠顆粒的加入對相同基體強度的混凝土的不同力學性能影響相當,當基體強度不同時,對高強度混凝土的力學性能影響更大。廢舊鋼纖維對RC的抗拉及抗折強度提升效果比抗壓強度明顯;鋼纖維摻量為1.0%時對不同基體強度的RC的抗壓強度提升效果最好,鋼纖維摻量為1.5%時對抗拉和抗折強度提升效果最好,但對高強混凝土的強度提升效果有限。

3)不同摻量的鋼纖維對不同基體強度的RC的韌性又有進一步的提升。在鋼纖維摻量為1.5%時,SSFRC折壓比和拉壓比達到峰值,韌性指數隨著鋼纖維摻量的增加整體上呈增長趨勢。在橡膠摻量為10%且鋼纖維摻量為1.5%時,混凝土的各力學性能及抗壓韌性提升效果最好。

4)鋼纖維的加入可改變RC松散多孔的結構,其3D螺旋結構在混凝土拌合物內形成空間網狀結構,有效抑制SSFRC在塑形階段的骨料沉降作用和離析程度,在硬化階段與基體緊密錨固進一步阻止微裂縫發展。廢舊鋼纖維表面凹凸不平的結構使其表面發生了更多的水化反應,產生了更多的水化產物(C-S-H凝膠)與鈣礬石,從而使得廢舊鋼纖維與基體的結合更加牢固。