橡膠粉改性聚乙烯纖維增強水泥基復合材料的靜力和抗沖擊性能

中圖分類號： TU599； TB332 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.093

摘要

為研究橡膠粉改性聚乙烯纖維增強水泥基復合材料（PE-ECC）的物理力學性能，對摻入不同粒徑橡膠粉的PE-ECC進行靜力和抗沖擊性能試驗。通過分析橡膠粉PE-ECC的彈性模量、泊松比、立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和軸心抗拉強度，探討不同橡膠粉粒徑對PE-ECC基本力學性能的影響；利用分離式霍普金森壓力桿進行橡膠粉PE-ECC的抗沖擊性能試驗，基于不同應變率下的動態應力-應變曲線，分析應變率對橡膠粉PE-ECC動態增長因子（DIF）、動態壓縮強度和動態峰值應變的影響。結果表明：隨著橡膠粉的加入，PE-ECC的各項物理力學性能均有一定程度下降；橡膠粉粒徑為0.20～0.90 mm時，體積摻量為10%、橡膠粉粒徑為0.30 mm的PE-ECC各項力學性能降幅最小，其立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量和動態抗壓強度相對無橡膠粉PE-ECC分別減小了8.9%、15.6%、10.8%和23.4%；與無橡膠粉PE-ECC類似，橡膠粉PE-ECC的受拉應變硬化特征明顯，摻入不同粒徑（0.20～0.90 mm）橡膠粉的PE-ECC極限拉應變均穩定在4.6%左右。此外，橡膠粉粒徑對PE-ECC動態峰值應變影響很小，隨著沖擊應變率的提高，橡膠粉PE-ECC的動態增長因子DIF和動態壓縮強度呈逐漸增大趨勢。

關鍵詞

聚乙烯纖維; 水泥基復合材料; 橡膠粉; 靜力性能; 抗沖擊性能

隨著汽車成為現代交通工具的重要組成部分，中國生產和報廢的汽車輪胎數量逐年遞增，僅2020年生產的輪胎數量就超過8億條[1]，傳統廢舊輪胎處理帶來的環境污染問題不容忽視。探尋更為合理有效的廢舊輪胎再生循環利用途徑，對推動綠色交通發展、實現“雙碳”目標意義重大[2]。

利用廢舊輪胎回收得到的橡膠顆粒替代部分細骨料制成橡膠混凝土，不僅能節約天然礦石資源，減少廢舊輪胎帶來的環境污染，還可以改善混凝土抗裂、抗沖擊及降噪性能[3-4]。目前，已有不少學者對橡膠混凝土的物理力學性能展開研究。薛剛等[5]在混凝土中摻入橡膠粉，發現橡膠混凝土的彈性模量略有降低，但其在裂縫失穩擴展前的穩定擴展階段更長。屠艷平等[6]發現橡膠粉會增大混凝土內部含氣量，削弱其抗壓強度、劈裂抗拉強度和密實度。郭永昌等[7]對橡膠混凝土的抗沖擊性能進行了試驗研究，發現其抗沖擊性能明顯優于普通混凝土。Xiao等[8]對再生混凝土沖擊性能的研究發現，再生骨料的添加會增加試件的峰值應變和DIF值。龍廣成等[9]進行的橡膠混凝土研究顯示，隨著橡膠摻量增加，水泥砂漿的動彈性模量和固有頻率逐漸下降，但降噪性能提升明顯。纖維增強水泥基復合材料（engineered cementitious composites， ECC）是一種具有超高韌性、應變硬化及多縫開裂特性的新型建筑材料，在土木工程領域應用前景廣闊[10]。以往有關橡膠改性ECC的研究成果表明：在ECC中摻入橡膠粉可顯著增強壓縮韌性，并改善其吸能能力。Huang等[11]基于試驗結果分析發現，由于基體內部孔隙率增加，橡膠粉ECC的抗裂性能削弱明顯。夏葉飛等[12]研究了橡膠粉摻量對ECC抗壓性能的影響，發現橡膠摻量低于10%時，其壓縮韌性提升顯著。馬昆林等[13]和李艷等[14]進行的ECC抗沖擊性能研究表明，橡膠粉ECC具有較強的應變率效應，其動態峰值應力、峰值應變和韌性均隨應變率增加逐漸提高。目前，對橡膠粉ECC基本力學性能的研究正逐步展開，對沖擊荷載作用下其動力性能的研究尚處于起步階段。

為研究橡膠粉PE-ECC的靜力性能和抗沖擊性能，筆者設計了1組無橡膠粉PE-ECC和4組以橡膠粉粒徑為基本參數的橡膠粉PE-ECC，對其立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量、泊松比、劈裂抗拉強度、軸向拉伸性能、動態抗壓強度等進行試驗研究，分析不同應變率下橡膠粉PE-ECC的動態壓縮性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥。高爐礦渣：細粒化高爐礦渣粉S105級。粉煤灰：F類I級粉煤灰。石英砂：粒徑為0.15～0.25 mm。聚乙烯纖維：高強高模聚乙烯纖維，性能參數見表1。橡膠粉：廢舊輪胎橡膠粉，如圖1所示，粒徑分0.20、0.30、0.45、0.90 mm。外加劑：濃度為40%的聚羧酸高效減水劑，其減水率為30%。

1.2 配合比與試件制備

以往研究表明[12]，ECC中橡膠粉摻量為10%時各項性能最佳。如表2所示，在對照組A基礎上，利用橡膠粉按10%等體積替代細骨料石英砂。根據橡膠粉粒徑大小，橡膠粉PE-ECC包括粒徑為0.20 mm（與被替換的石英砂粒徑接近）的B組、0.30 mm的C組、0.45 mm的D組和0.90 mm的E組。為確保攪拌過程中束狀PE纖維分散均勻，采用空氣壓縮機預先分散PE纖維。首先，將膠凝材料、橡膠粉和石英砂混合干拌；然后，加入部分水和減水劑的混合溶液，攪拌2 min后倒入剩余混合溶液，快速攪拌至出漿；最后，加入預先分散好的PE纖維并攪拌均勻。將攪拌好的PE-ECC裝入試模，置于振搗臺上振搗2 min，靜置24 h后脫模，然后在20 ℃、RH95%的標準條件下養護28 d，測試其靜力和抗沖擊性能。

1.3 靜力性能測試

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）[15]，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均采用邊長為100 mm的立方體試件，通過DYE-3000型壓力試驗機進行加載。軸心抗壓強度試驗采用直徑100 mm、高200 mm的圓柱體試件，通過MATSET材料壓縮試驗機進行加載。彈性模量和泊松比按ASTM-C469規范[16]測試。抗拉強度試驗采用JSCE CES82[17]推薦的330 mm×60 mm×13 mm狗骨頭試件，其中部受拉區尺寸為80 mm×30 mm×13 mm，通過STS-100微機控制電子萬能試驗機測試其拉伸性能。

1.4 SHPB沖擊性能測試

如圖2所示，動態壓縮性能試驗通過分離式霍普金森壓力桿（SHPB）和直徑100 mm、高50 mm的試件進行。SHPB由撞擊桿、入射桿、透射桿、能量吸收桿和數據采集系統組成。當撞擊桿撞擊入射桿時，入射桿上的應變片記錄入射脈沖εi（t）。由于入射桿和沖擊試件的波阻抗不同，部分脈沖透過試件傳遞至透射桿，并由透射桿上的應變片記錄透射脈沖εt（t）。沿入射脈沖原路徑反射回入射桿的剩余脈沖，則通過入射桿上的應變片記錄反射脈沖εr（t）。撞擊桿、入射桿和透射桿的長度分別為1 000、5 500、3 500 mm，桿直徑、彈性模量和密度分別為100 mm、206 GPa和7 710 kg/m3。控制氣壓為0.6、0.7、0.8 MPa，不同沖擊速度對應的應變率為37、53、66 s-1。應力σs（t）

、應變εs

和應變率ε˙s

分別按式（1）～式（3）計算[18]。

σs（t）=AE0Asεt（t）

（1）

εs=?2c0l0∫t0εrdt

（2）

ε˙s=?2c0l0εr

（3）

式中：A、E0和c0分別為桿的橫截面積、彈性模量和波速；As和l0分別為試件的橫截面積和長度；t為時間。

2 靜力試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

圖3為立方體抗壓試件的典型破壞形態。與其他學者觀察到的PE-ECC破壞形態相似[19]，橡膠粉PE-ECC受壓破壞后，其立方體側面豎向開裂明顯，但未發生明顯的外鼓或剝落。這是由于PE纖維的橋連作用有效阻止了水泥基體中微裂紋的擴展，立方體受壓破壞后仍保持了良好的完整性。

表3為測得的橡膠粉PE-ECC立方體抗壓強度和軸心抗壓強度。可以看出，隨著橡膠粉的加入，PE-ECC的抗壓強度降低明顯。橡膠粉粒徑為0.20 mm時（粒徑與等體積替換的細砂一致），橡膠粉PE-ECC的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度相對A組（無橡膠粉對照組）降低了17.3%和20.0%。對于試驗選用的0.20～0.90 mm粒徑橡膠粉，當粒徑為0.30 mm時，橡膠粉PE-ECC的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度均較高，表明該粒徑的橡膠粉對其抗壓強度削弱較小。橡膠粉作為一種惰性材料，難以與水直接反應形成水化產物，僅能起到填充內部空隙的作用。同一摻量下，橡膠粉粒徑越小，其總比表面積越大，膠凝材料與石英砂的結合面被削弱得越嚴重[20]。總體而言，在本試驗選用的橡膠粉粒徑范圍內，橡膠粉PE-ECC的抗壓強度隨橡膠粉粒徑增大呈增長趨勢。

根據《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）[21]，普通混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度換算公式為fck=0.7fcu。采用該公式計算試驗橡膠粉PE-ECC的軸心抗壓強度，得到其與實測強度的比值為0.89～0.94。在此基礎上，給出修正后的橡膠粉PE-ECC抗壓強度換算關系式為

f'ck=0.77f'cu

（4）

式中：f'ck

、f'cu

分別為橡膠粉PE-ECC的軸心抗壓強度和立方體抗壓強度。

由式（4）計算得到的橡膠粉PE-ECC抗壓強度回歸系數R2=0.86，皮爾遜相關系數為0.93，表明二者相關性較好。

2.2 彈性模量與泊松比

根據ASTM-C469[16]，橡膠粉PE-ECC的彈性模量和泊松比參考式（5）、式（6）取值。

E=S2?S1ε2?0.000 050

（5）

λ=εt2?εt1ε2?0.000 050

（6）

式中：S2

為峰值應力的40%；ε2

為S2

對應的縱向應變；S1

為縱向應變為0.000 050對應的應力；εt2

為40%峰值應力對應的橫向應變；εt1

為縱向應變為0.000 050對應的橫向應變。

表4為橡膠粉PE-ECC的彈性模量和泊松比。可以看出，隨著橡膠粉的加入，PE-ECC的彈性模量有所降低，而泊松比整體增大。橡膠粉粒徑為0.20 mm時，B組PE-ECC的彈性模量相對A組降低了15.1%，泊松比則增大了15.2%。這是由于橡膠粉的彈性模量遠低于石英砂，且其與膠凝材料的黏結界面也相對更弱，受壓更易變形。此外，橡膠粉的加入會削弱水泥基體對PE纖維的錨固作用，導致PE纖維的裂紋橋聯作用消退，受壓時的橫向變形增大，因而橡膠粉PE-ECC的泊松比更大。隨著粒徑由0.20 mm增大至0.90 mm，橡膠粉PE-ECC的彈性模量和泊松比波動明顯，且橡膠粉粒徑為0.45 mm時的泊松比最大，表明該粒徑橡膠顆粒對纖維的裂紋橋聯作用削弱最嚴重。

2.3 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度試驗參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行。由于纖維橋聯作用能抑制裂縫擴展，劈裂荷載作用下，PE-ECC未發生劇烈的脆性破壞。加載過程中，裂縫兩側的PE纖維不斷被拔出或拉斷，纖維橋聯作用逐漸失效，最終導致沿主裂縫緩慢劈裂破壞。

由于橡膠粉增加了PE-ECC內部的初始缺陷，劈裂荷載下，缺陷處的應力集中效應更明顯[22]，圖4顯示不同粒徑的橡膠粉PE-ECC劈裂抗拉強度相對無橡膠粉對照組均有不同程度的下降。橡膠粉粒徑為0.20 mm時，橡膠粉PE-ECC的劈裂抗拉強度相較A組降低了22.2%。粒徑由0.20 mm增大至0.90 mm，橡膠粉PE-ECC的劈裂抗拉強度穩定在4.6 MPa左右，橡膠粉粒徑對PE-ECC劈裂抗拉強度的影響可忽略不計。

2.4 軸向拉伸性能

圖5為測得的橡膠粉PE-ECC軸向拉伸應力-應變曲線，軸心抗拉強度見表5。軸向拉伸加載時，橡膠粉PE-ECC呈現典型的多縫開裂特征。多縫開裂是由纖維的最大橋接應力大于基體開裂強度所致[23]，而橡膠粉的加入大幅削弱了PE纖維與水泥基體的界面黏結作用，加速主裂縫的形成，導致極限狀態下橡膠粉PE-ECC的裂縫數量明顯比無橡膠粉對照組更少。

結合圖5，各組PE-ECC的軸向拉伸應力-應變早期均保持線性增長，在裂縫出現后，拉伸應力短暫下降，而后波動回升并進入平臺段，最后隨主裂縫出現喪失承載能力。與無橡膠粉PE-ECC相比，粒徑為0.20 mm的橡膠粉PE-ECC初裂抗拉強度、極限抗拉強度和極限拉應變分別減小了5.2%、30.2%和33.9%。與此同時，粒徑由0.20 mm增大至0.90 mm，橡膠粉PE-ECC的初裂抗拉強度進一步降低了18.8%。結合表5，粒徑為0.30 mm的橡膠粉PE-ECC極限抗拉強度和極限拉應變相對其他橡膠粉PE-ECC均更高，表明該粒徑橡膠粉對PE纖維與水泥基體的錨固及拉伸性能影響相對較小。

3 沖擊試驗結果與分析

3.1 破壞形態

圖6為沖擊加載后的PE-ECC破壞形態。可以看出，隨著沖擊應變率提高，試塊的破碎程度越劇烈。不同于普通混凝土的完全碎裂破壞，試驗觀察到PE-ECC的大部分碎塊被纖維連接在一起，且破碎面附近的纖維呈亂向分布。同一沖擊應變率下，橡膠粉PE-ECC的破壞程度相對無橡膠粉對照組更劇烈。這是由于橡膠粉增加了PE-ECC內部的初始缺陷，沖擊荷載作用下橫向變形增大，致使破碎更嚴重。此外，不同粒徑橡膠粉PE-ECC的沖擊破壞形態相似，橡膠粉粒徑對PE-ECC的沖擊破壞形態影響較小。

3.2 動態應力-應變曲線

圖7為不同應變率下無橡膠粉PE-ECC（A組）和0.20 mm粒徑橡膠粉PE-ECC（B組）的動態應力-應變曲線。可以看出，由于橡膠顆粒具有更強的消能能力，沖擊荷載作用下，B組橡膠粉PE-ECC吸收了更多的沖擊動能，其動態應力-應變曲線的下降段也相對更緩和。應變率由37 s-1增大至66 s-1，A組和B組的動態抗壓強度也分別提高了7.9%和24.7%，其動態應力-應變曲線包絡面積也逐漸增大。顯然，橡膠粉PE-ECC的動態壓縮性能受應變率影響更明顯。這是由于應變率越大，沖擊能量越高，根據功能原理，橡膠粉PE-ECC在沿多條裂縫擴展的同時，只能提高自身應力抵消外部能量[13]。結合表6，隨著橡膠粉的加入，B組的動態抗壓強度相對A組降低了21.2%。這是由于PE-ECC的動態抗壓強度受纖維增韌作用影響較大[24]，橡膠粉削弱了PE纖維與膠凝材料的界面錨固作用，導致動態抗壓強度降低。

圖8為沖擊應變率為66 s-1時的橡膠粉PE-ECC動態應力-應變曲線。可以發現，曲線上升段最大斜率出現在橡膠粉粒徑為0.45 mm的D組，而粒徑為0.30 mm的C組其動態應力-應變曲線相對其他橡膠粉PE-ECC更為飽滿。結合表6，橡膠粉粒徑由0.20 mm增大至0.90 mm， PE-ECC的動態抗壓強度穩定在105 MPa左右，其中 C組（粒徑為0.30 mm）的動態抗壓強度相對最高，與橡膠粉PE-ECC的靜態抗壓強度分布特征一致。

3.3 動態增長因子DIF

動態抗壓強度增長因子DIF是指動態抗壓強度與靜態抗壓強度的比值，可以較好地反映動態壓縮荷載下材料強度的增幅[25]。圖9給出了沖擊應變率對PE-ECC的DIF值的影響。可以看出，PE-ECC應變率增強效應明顯，隨著沖擊應變率的提高，PE-ECC的DIF值逐漸增大，對應的動態抗壓強度也越大，抗沖擊性能也更好。應變率由37 s-1增大至66 s-1，A組和B組的DIF值分別增長了7.9%和24.7%。顯然，橡膠粉作為彈性體增強了PE-ECC的應變率敏感性，并改善了其抗沖擊性能。同一應變率下，橡膠粉粒徑介于0.20～0.90 mm時，橡膠粉PE-ECC的DIF隨橡膠粉粒徑增大整體呈減小趨勢。

3.4 動態峰值應變分析

圖10為不同沖擊應變率下PE-ECC的動態峰值應變情況。可以看出，相同應變率下，橡膠粉PE-ECC的動態峰值應變均高于無橡膠粉對照組，其動態峰值應變的應變率增強效應也更明顯。這是由于橡膠粉PE-ECC更多的內部孔隙提供了相對更大的沖擊壓縮變形空間[26]。

與無橡膠粉PE-ECC相比，橡膠粉PE-ECC動態峰值應變的應變率增強效應更明顯。應變率由37 s-1增大至66 s-1，A組和B組的動態峰值應變分別提高了20.9%和29.8%。同一應變率下，橡膠粉粒徑對PE-ECC動態峰值應變的影響很小。沖擊應變率為66 s-1時，各橡膠粉PE-ECC的動態峰值應變穩定在4.8%左右。

4 結論與展望

對摻入不同粒徑橡膠粉的PE-ECC進行了靜力性能和抗沖擊性能試驗，探討了其基本物理力學性能隨橡膠粉粒徑的變化規律，得到了不同應變率下橡膠粉PE-ECC的動態增長因子DIF、動態抗壓強度和動態峰值應變，主要結論如下：

1）隨著橡膠粉的加入，PE-ECC的靜力抗壓強度降低明顯，橡膠粉粒徑為0.30 mm、體積摻量為10%的PE-ECC抗壓強度降幅較小，其立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量相比無橡膠粉PE-ECC分別減小了8.9%、15.6%和10.8%。在橡膠粉粒徑在0.20～0.9 mm之間時，PE-ECC的抗壓強度隨橡膠粉粒徑增大呈增長趨勢。

2）橡膠粉PE-ECC的劈裂抗拉強度相對無橡膠粉PE-ECC有所減小，且受橡膠粉粒徑影響很小，不同粒徑橡膠粉PE-ECC受拉多縫開裂特征明顯，極限拉應變均接近4.6%，橡膠粉PE-ECC受拉延性良好。

3）橡膠粉的摻入有利于PE-ECC吸收更多的沖擊動能，其動態應力-應變曲線下降段相比無橡膠粉對照組更平緩。隨著沖擊應變率的提高，橡膠粉PE-ECC的動態增長因子DIF和動態壓縮強度逐漸增大，橡膠粉PE-ECC的抗沖擊性能良好。

4）沖擊荷載作用下，橡膠粉PE-ECC動態峰值應變的應變率增強效應明顯，相同沖擊應變率下，其動態峰值應變均高于無橡膠粉對照組，且橡膠粉粒徑對動態峰值應變影響較小。應變率為66 s-1時，各組橡膠粉PE-ECC的動態峰值應變均接近4.8%。

橡膠粉PE-ECC作為一種低彈模、抗沖擊性能好的新型材料，有關其本構模型的研究目前還較少，不利環境等因素對其物理力學性能的研究也尚不成熟，圍繞上述問題后續仍需開展更多的研究。

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