廢舊鋼纖維增強(qiáng)橡膠混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

彭 蔓,高涌濤,韓 楊,陳秀麗,寇雄俊

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059)

0 引 言

隨著全球汽車數(shù)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(dāng)處理帶來的環(huán)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(yuǎn)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(qiáng)混凝土遭到破壞時(shí)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(huán)荷載下的疲勞性能明顯優(yōu)于普通混凝土[6]。但橡膠的低強(qiáng)度和低彈性模量會(huì)使混凝土的力學(xué)性能等有所降低。

在橡膠混凝土中摻加鋼纖維是增加其強(qiáng)度的方法之一,研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的加入對(duì)橡膠混凝土的抗拉強(qiáng)度有明顯改善作用[7-8],在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件也有同樣的發(fā)現(xiàn)[9],且在長(zhǎng)期酸性條件下,抗拉強(qiáng)度的提升也十分明顯[10]。鋼纖維對(duì)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(qiáng)橡膠混凝土更適用于路面以及海工方面的建設(shè)[12]。拉伸強(qiáng)度的提升來自鋼纖維的橋聯(lián)作用,且這種橋聯(lián)作用同樣對(duì)橡膠混凝土的抗彎與抗剪強(qiáng)度有積極影響[13-14]。研究證明鋼纖維與橡膠顆粒的結(jié)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(duì)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(qiáng)橡膠混凝土力學(xué)性能的鋼纖維多為工業(yè)鋼纖維,為減少建材消耗以達(dá)到固廢利用的目的,本次試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度損失,研究各廢舊鋼纖維增強(qiáng)橡膠混凝土(scrap steel fiber reinforced rubber concrete, SSFRC)在28 d的力學(xué)強(qiáng)度變化,引入拉壓比、折壓比和韌性指數(shù)對(duì)SSFRC的韌性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)合宏觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)與SEM對(duì)SSFRC的增強(qiáng)增韌機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(guān)性能指標(biāo)見表1;粗骨料為粒徑小于20 mm的碎石;細(xì)骨料為表觀密度為2.65 g/cm3的中砂,中砂為普通河砂,細(xì)度模數(shù)為2.7;混凝土采用自來水拌和;廢舊鋼纖維為車床機(jī)械加工產(chǎn)生的廢舊邊角料,外形呈3D螺旋狀,平均長(zhǎng)度為20～40 mm,厚度小于0.5 mm,平均抗拉強(qiáng)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(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液堿洗至pH=7。

表1 水泥的性能指標(biāo)

1.2 試件制作

根據(jù)參考文獻(xiàn)[22-23]與前期試驗(yàn)研究結(jié)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(qiáng)度為C30、C40、C50。各強(qiáng)度等級(jí)試件配合比參考《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38—2004)和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011),因所有混凝土試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度均在C30～C50,故各類試驗(yàn)均采用非標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸,具體見表2。

表2 各試驗(yàn)試件尺寸

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 工作性能測(cè)試

SSFRC的工作性能采用坍落度試驗(yàn)來評(píng)估,相關(guān)試驗(yàn)均按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行操作。

1.3.2 基本力學(xué)性能測(cè)試

立方體抗壓強(qiáng)度采用最大量程為1 000 kN的WHY-1000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試;劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用CSS-555000型微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī),配合鋼制劈裂抗拉夾具共同進(jìn)行測(cè)試;四點(diǎn)抗折強(qiáng)度采用YA-500微機(jī)液壓壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試;單軸軸心抗壓強(qiáng)度采用CSS-MAM600DL電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。相關(guān)試驗(yàn)操作及強(qiáng)度計(jì)算均按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009)執(zhí)行。

1.3.3 SEM測(cè)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(guī)則的顆粒備用,觀察界面過渡區(qū)時(shí)選擇橡膠-基體結(jié)合良好的部分,分析改性橡膠顆粒、橡膠-水泥漿界面過渡區(qū)、廢舊鋼纖維、廢舊鋼纖維-水泥漿界面過渡區(qū)和骨料-水泥漿界面過渡區(qū)形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度

圖1顯示了不同強(qiáng)度混凝土坍落度隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢(shì)。由圖1可知,橡膠顆粒和鋼纖維的加入會(huì)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(qiáng)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(guī)則,使得橡膠表面吸水能力增強(qiáng),拌合物內(nèi)部流動(dòng)的摩擦力增大,從而降低拌合物的流動(dòng)性;試驗(yàn)采用的廢舊鋼纖維具有3D螺旋結(jié)構(gòu),有良好的空間特性,隨著鋼纖維摻量的增加,各基體強(qiáng)度的SSFRC中鋼纖維相互搭接點(diǎn)變多,增大了混凝土拌合物內(nèi)部流動(dòng)的摩擦力,與橡膠顆粒協(xié)同作用進(jìn)一步阻礙了拌合物的流動(dòng)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(xù)明顯下降,這是由于較大摻量的廢舊鋼纖維加入高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中,使鋼纖維之間偶有交錯(cuò),已不能形成較好的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),無法產(chǎn)生顯著的橋聯(lián)作用。

圖1 不同強(qiáng)度混凝土坍落度隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢(shì)

2.2 力學(xué)性能

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

圖2 不同強(qiáng)度混凝土28 d的力學(xué)強(qiáng)度及強(qiáng)度比隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢(shì)

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(xué)強(qiáng)度都發(fā)生了不同程度的下降,C30的抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)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(duì)相同基體強(qiáng)度混凝土的各力學(xué)強(qiáng)度影響相當(dāng),當(dāng)基體強(qiáng)度不同時(shí)橡膠對(duì)強(qiáng)度高的混凝土力學(xué)性能影響更大。出現(xiàn)這一結(jié)果可歸因于橡膠本身的結(jié)構(gòu)軟弱性使得橡膠在受力時(shí)無法與水泥石產(chǎn)生協(xié)同變形而導(dǎo)致強(qiáng)度下降,以及在加入經(jīng)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(qū)仍然無法完全有效結(jié)合,有研究表明,橡膠與砂漿的界面區(qū)域強(qiáng)度僅有砂漿強(qiáng)度的35%[24],且堿洗處理并不能將橡膠顆粒表面完全轉(zhuǎn)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(dǎo)致RC中主要強(qiáng)度來源的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠減少,力學(xué)強(qiáng)度降低。

2.2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

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

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

從圖2(c)、(d)可觀察到,SSFRC的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì),且在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)達(dá)到峰值,C30、C40、C50 SSFRC的峰值抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到4.08、4.92、5.12 MPa,較RC分別增長(zhǎng)了45%、50%、57%,較PC分別增長(zhǎng)了32%、29%、24%,強(qiáng)度比分別達(dá)到1.32、1.28、1.24。SSFRC受到拉力時(shí),沿受力方向的鋼纖維在三維空間各個(gè)方向上發(fā)揮橋聯(lián)作用,限制多個(gè)方向裂縫和細(xì)紋的產(chǎn)生與發(fā)展,3D螺旋結(jié)構(gòu)的鋼纖維與基體緊密結(jié)合,大大提升了抗拉強(qiáng)度;當(dāng)摻量超過1.5%時(shí),纖維出現(xiàn)搭接,增強(qiáng)作用減弱。鋼纖維對(duì)RC的劈裂抗拉強(qiáng)度提升效果明顯,對(duì)C30的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)作用最佳。

2.2.3 四點(diǎn)抗折強(qiáng)度

從圖2(e)、(f)可觀察到,SSFRC的抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì),且在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)達(dá)到峰值,C30、C40、C50 SSFRC的峰值抗折強(qiáng)度分別達(dá)到6.06、6.84、7.30 MPa,較RC分別增長(zhǎng)了29%、31%、38%,較PC分別增長(zhǎng)了17%、14%、9%,強(qiáng)度比分別達(dá)到1.17、1.14、1.09。受力時(shí),鋼纖維在三維空間各個(gè)方向上發(fā)揮橋聯(lián)作用并與基體緊密結(jié)合,產(chǎn)生較大摩擦力;當(dāng)摻量超過1.5%時(shí),纖維相互搭接、重疊,增強(qiáng)作用減弱。鋼纖維對(duì)RC的抗折強(qiáng)度提升效果較明顯。

2.3 韌性評(píng)價(jià)

圖3顯示了不同強(qiáng)度的PC、RC、SSFRC在軸向壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖4顯示了SSFRC的拉壓比和折壓比變化趨勢(shì),表3顯示了不同鋼纖維體積摻量下不同強(qiáng)度SSFRC的韌性指數(shù)。由圖3可以看出,曲線分為上升段(初裂點(diǎn)以前的線性上升階段和初裂點(diǎn)到峰值應(yīng)力的非線性上升階段)和下降段(峰值應(yīng)力后的試件破壞階段)。除了PC由于脆性破壞無法獲取應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)下降,這是由于橡膠使PC的強(qiáng)度降低,與前文所述強(qiáng)度降低原因一樣。加入鋼纖維后,峰值應(yīng)力先上升后下降,這是由于鋼纖維摻量達(dá)到一定值后,鋼纖維摻量繼續(xù)增加會(huì)使鋼纖維之間互相搭接而增加基體中的軟弱點(diǎn),從而增強(qiáng)作用減弱。橡膠的加入使PC的峰值應(yīng)變?cè)黾?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(qiáng)度的SSFRC的峰值應(yīng)變較RC在整體上出現(xiàn)增加,應(yīng)力應(yīng)變面積相比于RC都有一定的增加,說明鋼纖維對(duì)不同強(qiáng)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(shì)較RC明顯變緩,SSFRC的抗壓韌性進(jìn)一步得到提升。

圖3 不同強(qiáng)度混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢(shì)

圖4 不同強(qiáng)度混凝土拉壓比與折壓比隨鋼纖維體積摻量的變化趨勢(shì)

表3 不同鋼纖維體積摻量下不同強(qiáng)度SSFRC的韌性指數(shù)

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(shì),拉壓比和折壓比在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)達(dá)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(shù)據(jù)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(xié)同作用增加RC的韌性,且對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的增韌效果更明顯。從表3各混凝土韌性指數(shù)的變化可以看出,各混凝土的韌性指數(shù)隨著鋼纖維摻量的增加整體上呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),C30、C40、C50 SSFRC峰值韌性指數(shù)較該組RC分別提高35%、49%、20%。

綜上,結(jié)合各混凝土在軸向壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線與拉壓比、折壓比和韌性指數(shù)的綜合分析,一定摻量的鋼纖維與橡膠顆粒協(xié)同作用進(jìn)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(qiáng)橡膠混凝土增強(qiáng)增韌機(jī)理

圖5為鋼纖維阻裂作用示意圖,圖6為SSFRC的微觀結(jié)構(gòu)圖。在RC中加入廢舊鋼纖維后產(chǎn)生新的界面區(qū)域——水泥漿與橡膠顆粒的界面過渡區(qū)。從圖6(a)可看出,當(dāng)骨料-水泥過渡界面被掃描放大到1 500倍時(shí),單摻橡膠顆粒的RC在界面過渡區(qū)存在大量的孔結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)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(shí)程度明顯改善,與RC與PC相比松散結(jié)構(gòu)明顯減少。

圖5 鋼纖維阻裂作用示意圖

圖6 SSFRC的微觀結(jié)構(gòu)

從圖6(c)可看出,廢舊鋼纖維表面被放大250倍時(shí),廢舊鋼纖維的3D螺旋結(jié)構(gòu)可鎖住水泥石,阻止橫向裂縫發(fā)展。亂向分布的廢舊鋼纖維在一定摻量下形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),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(dān)水泥基體干縮作用產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力,發(fā)揮阻裂作用,改善基體微觀形貌。如圖5所示,在裂縫產(chǎn)生后,沿受力方向分布的螺旋狀鋼纖維開始發(fā)揮橋聯(lián)作用,阻止三維空間中各個(gè)方向裂縫進(jìn)一步發(fā)展。鋼纖維與基體緊密錨固還可以在SSFRC硬化階段進(jìn)一步阻止微裂縫發(fā)展。

將廢舊鋼纖維-基體界面過渡區(qū)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(qū),水泥漿嚴(yán)密包裹鋼纖維,兩者粘接較為緊密。放大到1 000倍時(shí),由圖6(e)可看到,廢舊鋼纖維局部富有凹凸不平的結(jié)構(gòu),橫紋間被水泥水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠)填滿,表明廢舊鋼纖維表面肋間都發(fā)生了水泥水化作用。廢舊鋼纖維表面被放大5 000倍時(shí),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(jìn)一步提高了SSFRC的密實(shí)度。放大到10 000倍時(shí),從圖6(g)可見,密集的水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠)和鈣礬石(AFt)交錯(cuò)分布形成密實(shí)的結(jié)構(gòu),其中細(xì)長(zhǎng)的樹枝形態(tài)鈣礬石晶體互相穿插增強(qiáng)了鋼纖維與基體的機(jī)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(gè)密實(shí)牢固的整體,這些產(chǎn)物對(duì)鋼纖維阻裂增強(qiáng)發(fā)揮了巨大的作用。

3 結(jié) 論

1)橡膠顆粒和不同體積摻量的廢舊鋼纖維會(huì)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(qiáng)度越高,坍落度越低。但高鋼纖維摻量下的坍落度并不會(huì)持續(xù)明顯下降。

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

3)不同摻量的鋼纖維對(duì)不同基體強(qiáng)度的RC的韌性又有進(jìn)一步的提升。在鋼纖維摻量為1.5%時(shí),SSFRC折壓比和拉壓比達(dá)到峰值,韌性指數(shù)隨著鋼纖維摻量的增加整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。在橡膠摻量為10%且鋼纖維摻量為1.5%時(shí),混凝土的各力學(xué)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(jié)構(gòu),其3D螺旋結(jié)構(gòu)在混凝土拌合物內(nèi)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),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(jìn)一步阻止微裂縫發(fā)展。廢舊鋼纖維表面凹凸不平的結(jié)構(gòu)使其表面發(fā)生了更多的水化反應(yīng),產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠)與鈣礬石,從而使得廢舊鋼纖維與基體的結(jié)合更加牢固。