水工混凝土中橡膠纖維的應用研究

謝 芳

(葫蘆島市水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125000)

中國越來越注重生態節能型建筑材料的研發和綜合利用，其中廢舊橡膠纖維等力學性能優良且綠色環保型材料逐漸引起人們的關注[1-2]。雖然，在混凝土中摻入橡膠纖維會降低其強度，但能夠有效改善混凝土的脆性，在外荷載作用下保證混凝土具有良好的延展性，增強其抗滲、抗沖擊等性能。纖維具有增強韌性、阻裂的明顯優勢，摻入適量的纖維可揚長避短，充分發揮各自的優勢。此外，采用橡膠替代部分天然砂摻入混凝土，可以在一定程度上降低對天然骨料的依賴，有效緩解天然骨料資金短缺的局面。橡膠纖維既解決了廢舊橡膠難處理的問題，減輕了環境污染和資源短缺的壓力，發揮保護環境和節約資源的雙重作用，還可以明顯改善混凝土性能，并逐漸成為工程領域研究的熱點之一[3-6]。

將適量纖維和橡膠摻入水工混凝土中可以有效改善其抗沖磨性及韌性，但橡膠纖維摻量及其組成成分不同，對混凝土性能的影響也明顯不同，并且針對橡膠纖維作用機理的研究也較少，故有必要深入探討橡膠纖維水工混凝土的最優配合比[7]。文章利用正交試驗法深入探討了橡膠纖維水工混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度和抗壓強度，進一步揭示了力學性能變化規律及其影響因素，最終提出最優配合比，可為水利工程中橡膠纖維的推廣應用及水工混凝土配合比設計提供一定數據參考。

1 試驗研究

1.1 原材料性能

1)水泥。考慮到水工混凝土早期水化熱聚集可能造成的開裂問題，試驗選用低水化熱渾河P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，經實驗室檢測，水泥樣品的各性能指標均符合線性規范要求，水泥的性能指標，見表1。

表1 水泥的性能指標

2)粉煤灰。采用高質量粉煤灰替代部分水泥既可以減緩水化反應速度，還能夠保證后期強度，在一定程度上改善混凝土抗裂性，故試驗選用綏中電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，經實驗室檢測，粉煤灰樣品的各性能指標均符合標準要求，粉煤灰的性能指標，見表2。

表2 粉煤灰的性能指標

3)粗、細骨料。結合現行規范和試驗目標，選用5～30mm連續級配的石灰質碎石，其石粉含量忽略不計，表觀密度2740kg/m3，針片狀含量6%，經實驗室檢測，各性能指標均符合標準要求。細骨料選用細骨料選用天然河砂，表觀密度2650kg/m3，細度模數2.60。

4)外加劑。外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，摻量取膠凝材料用量的1.0%～2.0%，減水率20%。

5)橡膠和纖維。試驗選用10目、20目、40目三種橡膠顆粒，所對應的表觀密度分別為1150kg/m3、1130kg/m3和1140kg/m3，試驗選用束狀單絲聚丙烯纖維，摻量1kg/m3，纖維長度12mm。

1.2 配合比設計

以C40混凝土為基準，依據《水工混凝土試驗規程》合理確定基準混凝土原材料用量，然后按照等體積的方式摻入橡膠集料替代部分細骨料，將聚丙烯纖維以外摻的方式加入拌合物中。為確定最佳組合，本試驗按3個水平優化設計每種因素的配合比，設計3個水平的正交試驗，見表3。

表3 設計3個水平的正交試驗

試驗采用X1～X3、Y1～Y3、Z1～Z3分別代表纖維摻量、橡膠摻量和橡膠粒徑的3個水平，然后以L9正交試驗確定9組橡膠纖維水工混凝土配合比和坍落度100～120mm、砂率42%、水灰比0.4配制的C40基準混凝土配合比，配合比設計，見表4。

表4 配合比設計

1.3 試驗方法

為了減少工作量，對橡膠纖維水工混凝土利用正交試驗方法測試其力學性能，主要包括28d抗折強度、劈裂抗拉強度和抗壓強度等，通過分析其關鍵影響因素合理確定最優配合比。根據表4中的各組配合比和《纖維混凝土試驗方法標準》，配制橡膠纖維水工混凝土和C40基準混凝土兩組試樣，為保證試驗精準度每組3個石塊。采用100mm×100mm×400mm長方柱和150mm×150mm×150mm立方體石塊測定混凝土抗折強度、劈裂抗拉強度及其抗壓強度。

首先，將預先稱量好的各項原材料倒入強制式攪拌機拌合，設定攪拌時間180s，攪拌均勻后倒入試模，抹平表面多余混合料后放置到振動臺振實成型；然后，在室內靜置24h后拆模，標記好編號并放入標養室養護28d，標養環境中的濕度≥95%、溫度20℃±2℃；最后，將養護到規定齡期的試件取出，按試驗規范依次測定各組試件的力學性能。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗測定各組混凝土試件的28d劈裂抗拉強度、抗折和抗壓強度，在此基礎上計算出拉壓比和折壓比，試驗檢測混凝土力學性能，見表5。

表5 試驗檢測混凝土力學性能

由表5可知，橡膠纖維水工混凝土與基準混凝土相比，其28d劈拉、抗折和抗壓強度有所下降，但折壓比和拉壓比明顯增加，橡膠纖維的摻入增強了混凝土的抗裂性和韌性[8]。

2.2 對比分析

極差分析水工混凝土正交試驗數據，極差分析，見表6。從表6可以看出，從低到高橡膠粒徑Z、橡膠摻量Y和聚丙烯纖維摻量X對混凝土強度的影響主次排序為：X

表6 極差分析

方差分析水工混凝土正交試驗數據，方差分析，見表7。從表7可以看出，Y因素對抗壓強度的影響高度顯著，而X、Z因素對抗壓強度不具備顯著性；Y因素對抗折強度的影響高度顯著，Z因素對抗折強度的影響顯著，X因素對抗折強度不具備顯著性；Y因素對劈裂抗拉強度的影響極度顯著，Z因素對劈裂抗壓強度的影響高度顯著，而X因素對劈裂抗拉強度不具備顯著性。因此，對于水工混凝土力學性能，其主要影響因素是橡膠摻量Y、其次為橡膠粒徑Z，聚丙烯纖維摻量X的影響均不顯著。X、Y因素對折壓比的影響均高度顯著，屬于主要因素，3個因素對拉壓比的影響均不具備顯著性。因此，方差分析與極差分析確定的各因素主次順序保持一致。

表7 方差分析

通過以上極差、方差以及各性能指標交叉試驗數據分析結果可知：對于折壓比纖維摻量X的影響高度顯著，并且摻量X2性能最優，對其它指標均不具備顯著性；對于28d抗拉、抗折和抗壓強度三個指標，橡膠摻量Y的影響為極度和高度顯著，并且摻量Y1性能最優；對于28d抗拉和抗折強度，橡膠粒徑Z的影響顯著，并且摻量Z1的性能最優，對其它指標均不具備顯著性。綜上分析，可以確定橡膠纖維水工混凝土最優配合比為X2Y1Z1組。

3 結 論

文章利用正交試驗探討了橡膠粒徑、橡膠和聚丙烯纖維摻量3個因素對水工混凝土力的影響，通過極差和方差分析各組正交試驗數據提出橡膠纖維混凝土最優配合比，主要結論如下：

1)橡膠纖維水工混凝土的28d劈裂、抗折和抗壓強度，較基準混凝土而言均有一定的下降，但抗折比和抗拉比明顯提高，摻橡膠纖維明顯增強了混凝土的抗裂性和韌性。

2)通過設計配合比和制作混凝土試件，利用正交試驗法揭示了3個因素對混凝土力學性能的影響，并得出了相應的結論。然而，受人力、時間和試驗條件限制，本試驗僅探討了基本的力學性能，未來仍需進一步研究橡膠纖維水工混凝土的耐久性能。