纖維增強橡膠砂漿抗沖擊性能研究*

顏 巖，孔 昱，王迎斌，白應華

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院， 武漢 430068)

0 引 言

再生骨料應用到建筑材料，實現固體廢棄材料再利用。不同再生材料與混凝土混摻使用時，再生材料自身性能差異及加工性能損傷、水化結合過程受阻等原因，都導致再生混凝土強度大幅度下降，可能不能滿足工程使用標準，阻礙再生材料在不同工程領域的實際應用。參考纖維增強水泥基復合材料(ECC)中不同種類的纖維被用以改變水泥基材料的性能，達到增韌增強的效果，將摻入纖維作為增加再生混凝土沖擊韌性的一種新嘗試，對不同纖維和再生材料在水泥基材料中的組合和利用，提供了新的思路來解決再生資源在更多領域的推廣使用。除此之外，對再生材料進行改性處理，經過化學或物理的方式使其獲得新的性能，也是眾多學者正在探究和摸索的解決方式，目前許多學者已經對再生骨料水泥基的性能陸續開展研究。

董偉等[1]使用玄武巖混凝土改善風積沙混凝土韌性，7 d齡期的試件沖擊延性和韌性指數都高于28 d。周聰[2]、王磊[3]等使用單一的纖維對再生材料進行增強、增韌。周聰[2]將不同鋼纖維摻量和類型摻入到再生骨料替代的混凝土中，發現端鉤狀的鋼纖維對再生混凝土的延性改進效果明顯，對試件抗沖擊韌性增韌效果更佳。王磊[3]探究碳纖維對不同水灰比的珊瑚混凝土增強效果，碳纖維在水泥基體內分散均勻，試件的抗沖擊韌性明顯提高。Gupta[4]對不同摻量的橡膠和硅灰在不同水灰比下進行組合，發現硅灰的摻入可以改善試件的力學性能和抗沖擊性能，且這些性能同硅灰的摻量呈現線性關系。馬士賓[5]、聞洋[6]、 Siddique[7]等使用單一的再生骨料，如橡膠、陶瓷，改變其摻量、種類和替代比例，通過落錘沖擊試驗來探究不同變量對水泥基材料的性能影響。薛創[8]、Alwesabi[9]等都使用組合纖維的方式來探究不同種類的纖維共同使用時對水泥基材料的抗沖擊韌性的變化規律，發現組合使用不同種類的纖維對水泥基材料的抗沖擊性能增強效果顯著。

本文使用橡膠粉替代10%的細集料摻入到砂漿中，摻入9、12、18 mm的PVA纖維，通過0.05%、0.10%、0.15%、0.20%體積摻量來探究PVA纖維摻量對橡膠砂漿的抗壓強度、抗折強度和抗沖擊韌性的作用效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料及配合比

水泥采用武漢市華新堡壘P·O 42.5水泥；橡膠顆粒為成都市四通橡塑有限公司出品的40目輪胎橡膠粉，取代10%體積分數的細集料；纖維為上海楷源化工有限公司出品的長度為9、10、12 mm的PVA纖維，9 mm纖維按照水泥體積摻量的0.05%、0.10%、0.15%、0.20%摻入，10、12 mm纖維按水泥體積摻量的0.10%摻入。纖維和橡膠粉表征如圖1所示，纖維的性能參數見表1。采用的細集料為級配良好的天然河砂，含泥量2.67%，密度1.50 g/cm3，細度模數為2.58；試驗用水為武漢市生活自來水；外加劑為聚羥酸系高效減水劑，主要成分為聚丙烯酸酯共聚物。試驗配合比見表2，其中R10代表橡膠的摻量為10%，P后數值代表PVA纖維的摻量和纖維長度。

表1 PVA纖維性能參數

圖1 實驗材料

表2 實驗配合比(kg/m3)

1.2 實驗方法

(1)拌合方式：試驗采用濕拌法，將細集料和水泥依次倒進攪拌機中后，進行2 min左右的慢速拌合，待拌合均勻后倒入混合減水劑的水，慢速攪拌2 min左右攪拌至所有集料均勻，放入手動分散的PVA纖維，慢速攪拌2 min至纖維分布均勻，再進行2 min快速攪拌。

(2)力學試驗：抗壓強度試驗試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，抗折試驗使用試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，各項試驗每個摻量各準備3個試件，澆筑后的試件在標準環境下養護28 d后進行試驗。根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70-2009)進行纖維增強橡膠水泥基材料的抗壓、抗折強度試驗。抗折、抗壓試驗試件如圖2所示。

圖2 抗折、抗壓試驗試件

(3)落錘沖擊試驗：落錘沖擊試驗所用試塊為圓餅形，使用自制的模具，直徑為150 mm，厚度為60 mm。落錘沖擊試驗根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13-2009)進行，使用的落錘重量為4.5 kg，下落高度為50 cm，記錄經歷落錘沖擊后不同的試件出現初條裂縫的落錘次數N1、出現破壞的落錘次數N2，根據(1)式計算落錘沖擊能量W。

W=Nmgh

(1)

式中：W為落錘沖擊功，J；N為落錘次數；h為落錘高度，m；m為落錘質量，kg；g為重力加速度9.80 m/s2。

2 結果分析

2.1 纖維增強橡膠水泥基材料抗壓強度

纖維增強橡膠砂漿試件抗壓強度試驗結果如圖3所示。

圖3 纖維增強橡膠砂漿試計抗壓強度試驗結果

從圖3可以看出，隨著纖維摻量從0.05%到0.20%變化，試件的抗壓強度出現先增高后降低的趨向，在PVA纖維摻量為0.10%時出現最高抗壓強度值。纖維長度從9 mm到18 mm變化時，抗壓強度在不斷的下降。在摻入纖維之后，試件的破壞形式變為延性破壞，試件在受到外部荷載過程中，也在不斷受到內部橡膠和纖維的相互作用，阻止試件裂縫的拓展和延伸。摻入不同摻量的纖維，試件破壞后不會出現表面剝落、內部裂縫貫穿、部分斷裂的情況，在達到荷載峰值后仍能承受一定的壓力，在試件外部表現為豎向裂縫的拓展和延伸，直至發展為主要裂縫達到破壞。這一現象隨著纖維摻量的增加，試件內纖維含量越多，破壞后的試件愈發完整，試件斷裂面的纖維連接也越發緊密。

由于橡膠和纖維的摻入改變了水泥基材料的變形性能，試件在受到荷載后，經由基體內部的橡膠變形吸收能量、纖維改變荷載傳遞路徑，到達基體內的部分能量被抵消。但橡膠和纖維的摻入會引入部分空氣，導致基體內孔隙增多[10]。在摻入更多的纖維情況下，橡膠顆粒本身已經造成試件抗壓強度不斷損失，纖維又引入的含氣量導致基體內的缺陷不斷增多，橡膠同越來越多的纖維相互團結，擴大了缺陷，在砂漿內的應力集中問題成為阻礙強度發展的關鍵。纖維對試件的增強效果并不能同橡膠、纖維造成的缺陷影響相互抵消，纖維摻入的變化對于橡膠砂漿試件抗壓強度的影響較小，在纖維摻量、長度增加的情況下甚至會出現負面影響[11]。

2.2 纖維增強橡膠水泥基材料抗折強度

纖維增強橡膠砂漿試件抗折強度試驗結果見圖4所示。

圖4 纖維增強橡膠砂漿試件抗折強度試驗結果

從圖4可以看出，PVA纖維摻量從0.05%到0.20%增長，橡膠水泥基材料試件的抗折強度呈現先增高后下降的趨勢，在PVA纖維摻量為0.10%時出現最高的抗折強度值，纖維長度從9 mm到18 mm變化時，抗折強度在不斷的下降。在砂漿試件中，纖維在砂漿中需要承擔更多的骨料間的裂縫粘結作用，纖維在基體內呈現三維網狀的結構，承載著細骨料的重量，粘結不同骨料之間出現的裂縫，阻止其發展。0.05%摻量的纖維總量較小，在砂漿中無法增強橡膠水泥基材料，本試驗中使用表面未涂油的PVA纖維在橡膠水泥基材料中同橡膠粉表面的水膜出現過渡水化結合。膠凝材料水化產生的C-S-H凝膠包裹在纖維周圍，纖維在斷面上只能多數以拔出的形式出現，而不是以承受荷載后拔斷的形式，導致一部分纖維無法起到增強抗折強度的效果。當纖維長度增加時，接觸基體內的表面積增加，纖維同基體過渡水化結合面積增加，出現抗折強度低于對照組的現象[12]。增加纖維的摻量之后，一部分纖維的摻入可以承接內部的抗折荷載，滿足增強需求，所以在0.10%摻量時出現強度峰值，而0.15%、0.20%的纖維摻入就會出現纖維團聚的情況，試件的內部會出現更多的缺陷，改變了水泥基材料試件內的應力分布狀態，導致的應力集中問題使整體試件的強度又出現下降。

2.3 纖維增強橡膠水泥基材料抗沖擊性能

纖維增強橡膠砂漿試件落錘沖擊試驗結果見表3所示，纖維增強橡膠砂漿試件落錘沖擊功見圖5所示，纖維增強橡膠砂漿試件沖擊破壞形態見圖6。

圖5 纖維增強橡膠砂漿試件落錘沖擊功

圖6 試件沖擊破壞形態

表3 沖擊試驗落錘次數

從圖5、表3可知，隨著纖維摻量的變化，纖維增強橡膠水泥基材料的沖擊韌性先升高后降低，均高于對比試樣。在纖維摻量為0.10%時，出現橡膠水泥基材料的沖擊韌性峰值，其次為0.15%PVA摻量的試件，纖維長度從9 mm到18 mm變化時，試件的抗沖擊韌性不斷減小。不同配合比試件在出現初裂時落錘次數相差不大，試件破壞時落錘次數隨著纖維摻量的增長呈現先增加后減小的趨向。在纖維摻量為0.10%時，PVA纖維增強橡膠水泥基材料的沖擊韌性效果最為明顯，試件初裂后會吸收更多的能量，阻止裂縫的擴大、延遲試件的破壞。相比R10，加入0.10%PVA纖維后，試件破壞時的能量增加了87.5%，PVA纖維增韌橡膠水泥基材料效果顯著。纖維團聚、橡膠引氣水泥基內部的缺陷，這些空隙在抗沖擊韌性試驗中，起到緩沖效果，消耗沖擊帶來的部分能量。

從試件的破壞形態中可以看到，試件表面均出現放射狀的裂縫，分解試件整體，R10試件破壞時出現的裂縫數量和寬度都相對較多，纖維摻量在增加至0.10%時，試件破壞時的整體性較好，裂縫寬度和數量都有明顯減少，相同摻量下，纖維長度變化對試件破壞后的形態影響不大。PVA纖維摻量為0.05%時纖維含量較少，不能同水泥基中的材料產生足夠多的粘結強度，起到較好的增韌作用。但在0.15%、0.20%的PVA纖維摻量下，纖維的摻入會同橡膠粉粒產生纏繞和聚團情況，在纖維長度增加后，團聚情況仍然存在，PVA纖維表面的親水基團同橡膠粉表面吸附的水膜進行過度水化粘結，導致摻入的部分纖維無法參與到增韌的工作中。隨著纖維摻量和長度的增加，更多的纖維會同橡膠團聚，PVA纖維表面水化后形成更大的結團缺陷，纖維增強韌性的能力受到結團產生的內部缺陷影響，纖維增韌和結團缺陷兩種效果無法相互抵消，所以高摻量和長纖維摻入時，試件整體抗沖擊強度下降。

2.4 韋伯分布分析纖維增強橡膠水泥基材料抗沖擊性能

根據現有文獻研究，通過使用韋伯分布對試件疲勞性的描述可以運用到抗沖擊試驗分析中[13-14]，基于三參數的韋伯分布公式[15]，結合沖擊試驗次數變化，重新定義公式中的參數，使b=β,Na-N0=η，N0=γ，原式中T～W(β,η,γ)變為N～W(B,Na,N0)，考慮復合水泥基材料性能離散情況，為安全性能考慮，取最小沖擊次數N0=0，即可得到雙參數韋伯分布的表達式，其概率密度表達式：

(2)

累計失效概率表達式為：

(3)

存活率函數為：

(4)

對(4)兩側取對數，可得：

(5)

可得:

Y=bX+B

(6)

上式中b，Na分別為形狀參數、尺度參數。得到的線性方程表達式，結合試驗數據進行回歸分析求得各組相應的b，B和系數，通過擬合結果表達形式、R2是否大于0.9判斷沖擊次數N是否可使用威布爾分布進行描述。

在本試驗中試件的數量n=6，樣本數值較小，故本試驗采用的累計失效概率函數、存活函數[16]為：

(7)

R(N)=1-P(N)

(8)

式中i即為試驗各組沖擊次數N1、N2通過從小到大順序排列的序數，運用(7)、(8)式依次排列進行計算，得出各組相應的Y值，由各組的沖擊次數求導得出X值，對兩者進行擬合，所得表達式為直線形式，其各組回歸曲線如圖7所示，符合(6)的直線形式，即說明試驗的沖擊次數即運用韋伯分布進行描述。

各組線性回歸直線相關系數如表4所示。如圖7所示，X值可以均勻的分布在直線周圍，擬合曲線的相關系數R2均大于0.9，該雙參數韋伯分布可以描述沖擊次數變化，科學反映試驗規律[17]。

表4 各組線性回歸相關系數

圖7 各組試件韋伯分布回歸曲線圖

3 結 論

(1)在抗壓強度和抗折強度試驗中，纖維摻量增多，試件的抗折、抗壓強度值均為先增大后減小，在PVA纖維摻量在0.10%時出現最大的抗壓、抗折強度值。相同摻量下，纖維長度的變化對抗壓抗折強度影響不大，但總體呈現下降趨勢。

(2)在落錘沖擊試驗中，不同摻量的PVA纖維均提升了試件的抗沖擊韌性，在纖維摻量為0.10%時試件破壞時的沖擊功最多增加了87.50%。纖維長度變化對沖擊韌性影響不大，9 mm時增強效果最好。

(3)重新定義的雙參數韋伯分布可以用于描述沖擊試驗次數變化規律，各組擬合效果較好，可以清晰展示各變量同沖擊韌性效果之間聯系。試件使用0.10%摻量9 mm的PVA纖維增韌效果最好。