納米SiO2+鋼纖維協同改性橡膠混凝土試驗研究

袁芙蓉

（楊凌職業技術學院，陜西楊凌 712100）

廢舊橡膠輪胎因為其強度高、耐磨和耐老化性能高的特點，導致其難以自然降解。因此，廢舊橡膠輪胎的處理問題成了目前較為重要的研究課題。眾多學者研究發現，將輪胎橡膠打碎摻入混凝土中，能有效提升混凝土的抗沖擊性能和變形能力。但摻入橡膠后，混凝土力學性能大幅度下降，難以滿足當前建筑的強度標準。因此，提升橡膠混凝土強度是目前較為重要的課題。對此，我國很多學者做了很多研究，如：趙秋紅［1］嘗試在橡膠混凝土中摻入一定體積率的鋼纖維，并證實鋼纖維的橋聯作用及其與橡膠顆粒的協同作用可顯著改善混凝土的抗剪性能，提升橡膠混凝土韌性；胡艷麗［2］則從橡膠顆粒的取代率出發，對5種橡膠取代率的橡膠混凝土進行單軸受壓,單軸劈拉和純剪試驗，證實橡膠取代率與橡膠混凝土呈負相關，隨取代率的提高，橡膠混凝土力學性能隨之降低。以上研究為橡膠混凝土力學性能的提升提供了參考，但橡膠混凝土力學性能還是達不到相關標準要求。基于此，本文參考趙秋紅研究思路，嘗試用納米SiO2和鋼纖維對橡膠混凝土，以進一步提升其力學性能，為橡膠混凝土性能提升提供理論基礎。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：水泥（ 鄭州盾泥建材有限公司，P.O 42.5 ）、碎石（靈壽縣萬運礦產品有限公司，粒徑為 5~20 mm ）、砂子（靈壽縣玖順礦產品有限公司，中砂）、納米SiO2（上海肖晃納米科技有限公司，平均粒徑 30nm）、萘系減水劑（山東翔昭新型材料有限公司，cp）、橡膠顆粒（天津藝航體育設施有限公司，粒徑1~2 mm）、鋼纖維（泰安浩華工程材料有限公司，長度35mm）。

本試驗主要設備：強制式攪拌機（滄州冀言試驗儀器有限公司，HJW-60）、振動臺（華恒機械設備，ZDP）、微機電液伺服壓力試驗機（滄州筑龍工程儀器有限公司，HYE-3000BD型）、X射線衍射分析儀（XRD，津工儀器科技(蘇州)有限公司，BTX III）、電子掃描顯微鏡（SEM，鈞一檢測技術(上海)有限公司，Lynx EVO） 。

1.2 配合比設計

本文配合比設計主要以納米SiO2摻量、鋼纖維體積率和橡膠混凝土基體強度為變量［3］。基礎組為含有5%橡膠顆粒，強度等級為C35的橡膠混凝土。研究了鋼纖維體積率和納米SiO2摻量對混凝土力學性能的影響。具體配合比見表1。表1中編號規格為：SF后數字表示鋼纖維體積率，NS后數字表示納米SiO2摻量，組別中，C35、C45表示混凝土強度，CR表示橡膠摻量。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.3 試驗步驟

（1）提前將HJW-60型強制式攪拌機潤濕，然后依次放入粗、細骨料進行攪拌，攪拌時間90s。待粗細骨料混合均勻后，將鋼纖維持續均勻的放入，繼續攪拌，攪拌時間為180s。

（2）待鋼纖維在混合中完全分散后，加入人工拌和的水泥、橡膠和SiO2混合物。繼續攪拌90s后，加入溶有減水劑的所有用水，充分攪拌。

（3）將攪拌均勻的混凝土倒入尺寸為150mm×150mm×150mm的塑料模具中澆筑成型。并置于ZDP混凝土振動臺將混凝土振動密實。

（4）將振實后混凝土置于干燥通風處靜置24h拆模，然后在標準養護室養護至指定齡期。養護溫度和相對濕度分別為20℃和95%。

參照普通混凝土力學性能試驗方法標準（GB/T 50081-2002）［4］對混凝土試件基本力學性能進行測定。

1.4 性能測試

1.4.1 抗壓性能

（1）將混凝土試件從標準養護室取出后，擦干試件表面水分，置于HYE-3000BD型微機電液伺服壓力試驗機上。

（2）將試件中心與壓力機上壓板中心對齊，然后打開壓力試驗機。 以0.5MPa/s的速率對試件施加荷載，直至試件破壞，記錄試件破壞時荷載，計算試件抗壓強度。每組試驗進行三次，取其平均值為最終結果。

1.4.2 劈裂抗拉性能

（1）取出試件后并擦干試件表面水分。用夾具將試件固定于HYE-3000BD型微機電液伺服壓力試驗機。

（2）打開壓力試驗機，以0.05MPa/s的加載速率對試件施加荷載，試件破壞后停止施壓，記錄試件破壞時荷載。每組試驗進行三次，取其平均值為最終結果。

1.5 微觀形貌

選擇C35CR5中納米SiO2摻量不同的三組混凝土試件進行微觀形貌觀察［5］。

1.5.1 SEM分析

（1）取尺寸為10mm×10mm×3mm 的混凝土試樣，用砂紙將其表面磨平。

（2）在樣本表面噴涂一層金，確保其具有良好的導電性。

（3）用導電膠將經過噴金的樣品固定在試樣臺上，采用Lynx EVO型電子掃描顯微鏡觀察其微觀結構變化。

1.5.2 XRD分析

（1）從冷卻后基體中提取砂漿試樣，置于瑪瑙研缽中磨碎，然后用200目篩子進行提取。

（2）將提取的砂漿粉末置于玻璃凹槽中，采用BTX III型X射線衍射分析儀進行物相分析［6］。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

表2為混凝土試件養護齡期為28d時抗壓強度試驗結果。由表2可知，經過鋼纖維改性后，三種強度混凝土抗壓強度皆得到明顯提高，但繼續增加鋼纖維體積，抗壓強度反而有所下降。這是因為鋼纖維體積率過高時，纖維在混凝土中難以分散均勻，出現結團現象。當鋼纖維體積率為1%時，三組試件混凝土抗壓強度皆相對較高。因此，鋼纖維的最佳體積率為1%。

表2 抗壓強度試驗結果Table 2 Compressive strength test results

當鋼纖維體積率為1%時，經過SiO2改性的混凝土抗壓強度明顯高于未經SiO2改性的混凝土。且SiO2摻量為1%的試件對混凝土抗壓性能的優化明顯高于SiO2摻量為2%的試件。在C35CR5、C45CR5組中，復摻1%鋼纖維和1% SiO2的混凝土試件比只含有1%鋼纖維的混凝土試件抗壓強度提高了2.9MPa和2.4MPa這就說明納米SiO2能夠進一步提升混凝土抗壓性能。且納米SiO2最佳摻量為1%。

在C45CR10組中，SiO2摻量對混凝土抗壓強度的提升效果不明顯。這主要是因為當橡膠含量較高，混凝土工作性能隨之下降［7］。因此在制作橡膠混凝土時，橡膠含量為5%較為適宜。

綜上所述，當鋼纖維體積率為1%，納米SiO 摻量為1%，橡膠含量為5%時，混凝土抗壓性能最佳。此時C35CR5、C45CR5組28d抗壓強度分別為48.5MPa和55.9MPa。

2.2 劈裂抗拉強度

表3為齡期為28d 試件的劈裂抗拉強度和拉壓比。由表3可知，隨鋼纖維體積率的增加，混凝土劈裂抗拉強度總體表現出上升的趨勢。由抗壓強度試驗結果可知，鋼纖維最佳體積率為1%。以該混凝土作為基礎，對比摻入SiO2后的混凝土試件發現，納米SiO2對橡膠摻量為5%的混凝土試件劈裂抗拉強度優化較為明顯。鋼纖維和納米SiO2摻入后，混凝土拉壓比有所增加。這說明經過鋼纖維和納米SiO2協同改性后，橡膠混凝土的韌性得到提高［8］。當鋼纖維體積率為1%，納米SiO2摻量為1%，橡膠含量為5%時，混凝土劈裂抗拉性能最佳。此時C35CR5、C45CR5組28d劈裂抗拉強度都為5.12MPa。

表3 劈裂抗拉強度和拉壓比Table3 Splitting tensile strength and tension compression ratio

2.3 SEM結果分析

圖1為不同納米SiO2摻量混凝土試件的微觀形貌圖。由圖1可知，未摻加納米SiO2的混凝土基體內部結構較為松散，且有板狀氫氧化鈣晶體存在。摻入1%的SiO2后，混凝土基體內部微觀結構相對較致密，有少部分強氧化鈣晶體存在。當SiO2摻量增加至2%時，混凝土基體內部微觀結構更為致密，幾乎找不到強氧化鈣晶體，同時C-S-H凝膠彼此搭接，得到結構致密的連續相。因為納米SiO2具備一定的小尺寸效應，因此在其表面具備較多的原子和不飽和健，使其具備較高表面能和化學活性。C-S-H凝膠以SiO2為核心形成空間網絡結構，對鋼纖維和基體的界面粘結性能起一定優化作用［9］。同時，納米SiO2的微集料效應對水泥基體空隙進而過渡區間隙起一定填補作用，導致混凝土結構更加致密，增強了混凝土的力學性能。

圖1 微觀形貌Fig. 1 Micro morphology

2.4 XRD結果分析

圖2為不同納米SiO2摻量混凝土試件的XRD圖譜，由圖2可知，隨納米SiO2摻量的增加，氫氧化鈣晶體衍射峰值在2θ=18°和 2θ=34°處明顯降低。這就說明了生成C-S-H凝膠過程中，氫氧化鈣晶體被大量消耗。在研磨過程中，基體砂漿中的沙子與樣品一起磨碎，因此2θ=26.5°處石英沙（SiO2）晶體最大衍射峰與納米SiO2摻量不存在直接關聯。C-S-H在XRD圖譜中不表現明顯衍射峰的原因在于C-S-H 凝膠不是晶體狀態［10］。綜合可知，加入納米SiO2后，混凝土微缺陷和空隙明顯減少，進一步增加了鋼纖維的抗裂性能，使得混凝土試件力學性能有所提高。

圖2 XRD圖譜Fig. 2 XRD pattern

3 結論

通過鋼纖維和納米SiO2對橡膠混凝土進行協同改性，考察了鋼纖維體積率、混凝土強度和納米SiO2摻量對橡膠混凝土力學性能的影響。

（1）抗壓試驗結果表明，鋼纖維和納米SiO2最佳摻量都為1%，橡膠最佳含量為5%。此時C35CR5、C45CR5組28d抗壓強度最高可達47.14MPa和54.94MPa。

（2）劈裂抗拉強度試驗結果表明，摻入鋼纖維和納米SiO2后，橡膠混凝土韌性得到提高。在最佳摻量條件下，C35CR5、C45CR5組28d劈裂抗拉強度都為5.12MPa。

（3）SEM結果表明，摻入納米SiO2后， C-S-H凝膠以SiO2為核心形成空間網絡結構，優化鋼纖維和基體的界面粘結性能，填補了混凝土微缺陷和空隙，提升了橡膠混凝土的力學性能。

（4）XRD結果表明，摻入SiO2后，減少了混凝土微缺陷和空隙，增加了鋼纖維的抗裂性能。