基于正交試驗法的橡膠- 玄武巖纖維改性混凝土性能研究

李發揚 鄒 林 郝星瑤 趙紅霞

(吉林大學交通學院,吉林 長春130000)

隨著交通的高速發展,2012-2020 年我國的廢橡膠輪胎產量從1000 萬噸增加至2000萬噸,而如此大數量的廢橡膠輪胎只有15%左右可以有效地降解和翻新。因此,對廢橡膠進行回收利用是一個新興的問題[1-2]。研究發現將廢輪胎生產的橡膠顆粒加入普通混凝土來制備橡膠混凝土,既可以提高混凝土的韌性[3]和抗凍性[4],減少動荷載、沖擊荷載對混凝土的影響,又能解決廢輪胎的環境污染問題。但廢棄橡膠混凝土存在強度低的缺點,其內部組分間界面區域薄弱是造成其強度低的主要因素[5]。橡膠的摻入使混凝土中界面結構復雜化,界面種類變多,薄弱區域也隨之增多[6]。

玄武巖纖維是一種天然礦石纖維。由于其突出的力學、物理性能和理想的性價比,其在混凝土施工工程中的研究和應用具有重要意義[7]。目前研究表明,纖維能夠提高混凝土抗裂能力、降低其脆性系數,有效改善混凝土各項力學性能[8-9]。

目前,國內外對于在纖維輕骨料混凝土中摻入橡膠顆粒的研究較少。本試驗圍繞抗壓強度、抗彎強度和坍落度對橡膠-玄武巖纖維混凝土進行研究,重點分析了玄武巖纖維長度、直徑和橡膠顆粒粒徑對混凝土力學性能及坍落度的影響規律。以期找到合理的科學規律,為工程實踐提供參考依據。

1 試驗方法與試驗方案

1.1 試驗方法

本試驗采用正交試驗法對測試結果進行分析。試驗選用L9(3×3)正交表進行正交試驗設計。結合文獻與試驗研究的經驗[10-12],得出正交試驗各工藝參數的取值范圍,從而確定本試驗的影響因素和水平,如表1 所示。

1.2 試驗方案

本試驗配置的改性混凝土水膠比為0.39,玄武巖纖維摻量為4.56kg/m3,橡膠摻量為10%[13]；根據表1 選取橡膠骨料及玄武巖纖維的具體參數。采用P.O42.5 硅酸鹽水泥。粗骨料采用連續級配為5-25mm 的天然骨料,其中粒徑在4.75-9.5mm、9.5-16mm 和16-26.5mm 范圍內的粗骨料百分比分別為20%、70%和10%；細骨料選用粒徑范圍為0.1-4.75mm、細度模數為2.8 的天然河砂。減水劑采用減水率為25%的HRWR-Q8011 聚羧酸減水劑,摻量為1%。試驗用水為自來水。試驗采用水泥裹石法制備改性混凝土:先將全部骨料、橡膠顆粒和玄武巖纖維加入攪拌機拌合,再加水泥拌合,然后加入50%的水及減水劑拌合均勻,最后加入剩余的水和減水劑,其流程如圖1 所示。

表1 正交試驗因素與水平

圖1 試件制備流程圖

將改性混凝土拌合物分別倒入100mm×100mm×100mm 和100mm×100mm×400mm 模具內,振蕩、抹平,24 小時后脫模。所有試件在相對濕度95%,溫度20±2℃的標準養護環境中養護28天,混凝土配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

1.2.1 坍落度試驗

混凝土拌和后立即進行坍落度試驗。按GB/T50080-2016[14]中的要求,必須在150s 內完成?；炷涟韬衔镌嚇臃秩龑泳鶆蜓b入坍落度桶內。每層拌合物用搗固棒從邊緣向中心均勻螺旋插入25 次。搗固后,每層拌合物試樣的高度約為桶高的三分之一。

1.2.2 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗按GB/T50081-2002[15]中的規定進行。每組配合比各做3 個尺寸大小為100mm×100mm×100mm 的試件。加載速度為0.5MPa/s,直至試樣斷裂。取三個實驗的平均值作為最終抗壓強度。

1.2.3 抗彎強度試驗

抗彎強度試驗采用 GB/T50081-2002[15]規定的四點彎曲加載法進行。每組配合比各做3 個100mm×100mm×400mm 試件。加載速度為0.05MPa/s,直至試樣斷裂。彎曲強度是三次測量的平均值。

2 數據計算處理

在本實驗數據處理階段,采用正交實驗設計的極差分析法:對某一檢驗指標,確定各因素不同水平下指標檢驗結果的算術平均值,記為k；計算各因素下的極差R,R 值越大,說明該因素對性能指標的影響越大,反之亦然。

3 計算結果與比較

根據試驗結果,記錄試驗數據如表3 所示。

表3 實驗數據記錄表

3.1 抗彎強度分析

改性混凝土抗彎強度極差分析結果如表4 所示,由表可知:改性混凝土抗彎強度的影響因素的主次順序為:玄武巖纖維長度＞橡膠顆粒粒徑＞玄武巖纖維直徑。其中玄武巖纖維長度與橡膠顆粒粒徑對應的極差相近且大于玄武巖纖維直徑的極差,說明玄武巖纖維長度與橡膠顆粒粒徑對抗彎強度具有顯著影響。改性混凝土的抗彎強度越大越好,故選擇各因素中k 值最大的水平為最優水平,即影響抗彎強度最優組合為:玄武巖纖維長度6mm,玄武巖纖維直徑17μm,橡膠顆粒粒徑10 目。

表4 抗彎強度極差分析結果

圖2 表明:(1)隨著玄武巖纖維長度的增大,改性混凝土抗彎強度先減小后增大。這是由于在混凝土內部微觀處,長度較短的玄武巖纖維均勻分布,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率和孔隙體積,而混凝土強度遵循與孔隙體積成反比的關系,從而混凝土強度較高；隨著長度增加,纖維又阻隔了集料間的接觸與嵌擠,使得集料黏結作用和內摩擦力大大降低,從而混凝土強度降低；而隨著纖維長度繼續增大,由于其對混凝土基體的摩擦、粘結與拉拔作用表現出來,使得抗彎強度小幅度增加。(2)改性混凝土抗彎強度隨著橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大。這是因為小粒徑的橡膠顆粒作為細集料可以填充大部分孔隙,從而混凝土強度較高；隨著粒徑增大,橡膠顆粒屬于憎水性合成有機材料,其密度較小且顆粒內部含有空氣,故橡膠顆粒表面與無機膠凝材料和集料之間的粘結面薄弱,且在水中易上浮,在混凝土內部形成軟弱點,從而混凝土強度大大降低；粒徑繼續增大時,橡膠顆粒自身彈性性能有所表現,從而抗彎強度小幅度升高。(3)改性混凝土抗彎強度隨著玄武巖纖維直徑的增大先減小后增大,但總體變化不大,說明其影響作用微弱。

圖2 改性混凝土抗彎強度效應曲線

3.2 抗壓強度分析

改性混凝土抗壓強度極差分析結果如表5 所示,由表可知:改性混凝土抗壓強度的影響因素的主次順序為:橡膠顆粒粒徑＞玄武巖纖維長度＞玄武巖纖維直徑。其中橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長度的極差遠大于玄武巖纖維直徑的極差,說明二者對改性混凝土抗壓強度的影響起主導性作用。混凝土抗壓強度越大越好,故選取各因素中k 值最大的水平為最優水平,即最優水平為:玄武巖纖維長度6mm,玄武巖纖維直徑13μm,橡膠顆粒粒徑10 目。圖3 表明:(1)改性混凝土抗壓強度隨著玄武巖纖維長度的增大而顯著減小。這是因為長度較短的玄武巖纖維在混凝土內部分布均勻,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率及孔隙體積,而混凝土強度遵循與孔隙體積成反比的關系,從而混凝土強度較高；隨著長度增加,纖維又阻隔了集料間的接觸與嵌擠,使得集料黏結作用和內摩擦力大大降低,從而混凝土強度大大降低。(2)改性混凝土抗壓強度隨著玄武巖纖維直徑的增大而減小。這是因為小直徑纖維對于集料間的接觸與嵌擠作用影響較小,但隨著直徑的增大,玄武巖纖維對于集料膠結與嵌擠摩擦作用的阻隔大大增加,使得抗壓強度顯著降低。(3)改性混凝土的抗壓強度隨著橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大,總體呈下降趨勢。與對抗彎強度的影響作用相同,橡膠顆粒作為部分細集料通過影響改性混凝土內部的膠結作用即膠結點的數量來影響抗壓強度,橡膠顆粒粒徑越大,膠結點數量就越少,其抗壓強度就越低。

表5 抗壓強度極差分析結果

圖3 改性混凝土抗壓強度效應曲線

3.3 坍落度分析

改性混凝土坍落度極差分析結果如表6 所示,由表可知:改性混凝土坍落度的影響因素的主次順序為:玄武巖纖維長度＞玄武巖纖維直徑＞橡膠顆粒粒徑。其中玄武巖纖維長度的極差遠大于另外兩個影響因素,故其是影響坍落度的主導因素。由于坍落度的大小對混凝土強度沒有直接關系,故不做最優水平討論。

表6 坍落度極差分析結果

圖4 表明:(1)隨著玄武巖纖維長度的增大,坍落度先減小后增大,總體上呈上升趨勢,變化較大,表明其為坍落度的主導因素。這是因為玄武巖纖維作為外摻材料位于粗骨料之間,與包裹粗骨料的砂漿效果相似,細長的纖維使得集料間的摩擦阻力減小,從而骨料之間的潤滑作用增加, 有利于坍落度的發展。(2)隨著玄武巖纖維直徑的增大,坍落度先增大后降低,總體上呈下降趨勢,但變化較小,表明其為坍落度的次要因素。這是因為玄武巖纖維作為外摻材料,直徑越大時,纖維長細比減小,拌合時必定需要一部分砂漿進行包裹,導致起潤滑作用的漿體層減少,從而不利于坍落度的發展。(3)隨著橡膠顆粒粒徑的增大,坍落度先減小后增大,總體上變化不大,表明其對坍落度的影響不大。

圖4 改性混凝土坍落度效應曲線

4 結論

4.1 綜合考慮抗壓強度與抗彎強度最佳水平的選擇后,改性混凝土力學性能的最優水平可確定為:玄武巖纖維長度為6mm,玄武巖纖維直徑13μm,橡膠粒徑10 目。

4.2 橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長度是影響抗彎強度的重要因素,抗彎強度隨著玄武巖纖維長度與橡膠顆粒粒徑的增加先減小后增大。

4.3 影響抗壓強度的重要因素是橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長度,其中玄武巖纖維長度與抗壓強度成反比,抗壓強度隨橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大。

4.4 影響坍落度的主導因素為玄武巖纖維長度,坍落度隨著玄武巖纖維長度的增加先減小后增大。