羅小虎,宗 翔，王 佳

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著汽車的普及和汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，來自世界各個領(lǐng)域的廢舊輪胎橡膠在業(yè)內(nèi)被稱為“黑色污染”。為解決廢舊輪胎帶來的生態(tài)環(huán)境問題，眾多學(xué)者對廢橡膠的再利用進(jìn)行了研究，如將廢橡膠加工成橡膠顆粒或橡膠粉，以部分替換骨料的方式制作成橡膠混凝土[1]。這種方法不僅能夠緩解污染問題，而且能有效提高混凝土的諸多性能，如抗?jié)B性[2]、抗凍性[3-5]、韌性[6]、阻尼性能[7]、抗沖擊性[8]、降噪性[9]等。但大量研究表明隨著相關(guān)橡膠摻量的增加混凝土強度也隨之降低[10]。

以某些纖維作為增強混凝土材料的研究已引起廣泛重視。田穎[11]等人將0.6%的芳綸纖維和10%的粉煤灰摻入普通混凝土中，提高了抗彎強度、抗壓強度和抗?jié)B性。賀玲鳳[12]等利用芳綸纖維布對已損混凝土構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)加固，使其承載力恢復(fù)到略高于原構(gòu)件的承載力水平。馮紅衛(wèi)[13]等研究了模擬高溫情況下芳綸纖維混凝土的力學(xué)性能，將芳綸纖維摻量為5%的纖維混凝土分別放置于低溫、中高溫、高溫環(huán)境中2 h后，測試抗壓強度，得出芳綸纖維的摻入提高了混凝土的耐火性能的結(jié)論。

目前水泥混凝土廣泛應(yīng)用于橋梁公路、機(jī)場道面等，其必然經(jīng)常承受動態(tài)荷載的作用，如汽車荷載和飛機(jī)起落產(chǎn)生的荷載。由于混凝土自身脆性較大，使其面臨耐久性的考驗。為了改善混凝土脆性大的缺點，本文通過固定配合比只改變芳綸纖維摻量的方式，進(jìn)行平板開裂試驗和落錘試驗，測試了混凝土的抗沖擊性能和抗裂等級，以韌性評價指標(biāo)和早期抗裂性能評價指標(biāo)，對芳綸纖維橡膠混凝土的抗裂性和韌性進(jìn)行研究，為今后橡膠混凝土在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗原料與試驗方案

1.1 試驗原料

水泥：安徽淮南海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：5～16 mm連續(xù)級配碎石，密度2.63 g/cm3；砂：細(xì)度模數(shù)為2.13的中砂，密度2.43 g/cm3；水：淮南自來水；橡膠：40目橡膠粉，密度1 050 kg/m3；纖維：中芳特纖公司生產(chǎn)的24 mm長的短切芳綸(規(guī)格見表1)；粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰；減水劑：FDN-C萘系減水劑，減水率為18%～28%?；炷猎嚰嗀RC-0、ARC-0.1、ARC-0.3、ARC-0.5、ARC-0.7的28 d立方體抗壓強度分別為32.7 MPa、31.9 MPa、33.2 MPa、34.5 MPa、33.6 MPa。

表1 芳綸纖維規(guī)格及性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計

混凝土設(shè)計強度等級為C30、水膠比0.60、砂率36%、減水劑0.8%，為了更好地探究芳綸纖維橡膠混凝土的各項性能，避免混凝土因其材料本身造成試驗結(jié)果的偏差較大，試驗均采用同一批次的原材料?；炷恋呐浜媳炔话l(fā)生改變，采用固定配合比，砂、石子、水泥、水的質(zhì)量比為11.700.510.28，只在纖維摻量上做出區(qū)分，纖維以體積外摻的方式摻入。

1.3 試驗方案

落錘試驗采用?150 mm×65 mm的圓柱體試塊；抗裂試驗采用平板模具，如圖1所示，試件尺寸600 mm×600 mm×63 mm，試件模具采用槽鋼打造，并用螺栓固定。邊框上有固定間距為60 mm的雙排螺釘，螺釘長度為100 mm，用以約束混凝土。本試驗參考ACI-544推薦的沖擊試驗方法，使用自制的落錘機(jī)(詳見圖2)進(jìn)行試驗，落錘質(zhì)量為4.5 kg，自由落體高度為457 mm。試驗中需要記錄：通過反復(fù)沖擊，試件表面出現(xiàn)第一條裂紋時的沖擊次數(shù)N1為初裂沖擊次數(shù)；主裂縫貫穿試件上下面時的沖擊次數(shù)Nc為破壞沖擊次數(shù)。為使橡膠粉和芳綸纖維均勻分散在混凝土中，試件制作應(yīng)遵循以下工藝：第一步將石子、砂和橡膠粉倒入攪拌機(jī)干拌2 min；第二步倒入水泥和粉煤灰攪拌1 min；第三步均勻地將纖維撒入攪拌機(jī)攪拌2 min；第四步先加水后加減水劑，攪拌4 min。試驗證明，這樣的工藝可以使橡膠粉和纖維分散均勻，避免纖維的離析和結(jié)塊現(xiàn)象。最后出料，將混凝土混合物倒入涂油的模具中振搗成型后覆蓋薄膜，在相對濕度大于50%、20 ℃±5 ℃溫度下靜置1 d后拆模、標(biāo)號，之后在溫度為20 ℃±2 ℃的不流動氫氧化鈣飽和溶液中養(yǎng)護(hù)至28 d。

圖1 平板試驗?zāi)＞邎D

圖2 落錘試驗裝置示意圖

1.4 評價指標(biāo)

1.4.1 韌性評價指標(biāo)

胡金生[14]將材料在沖擊荷載下破壞所吸收能量的能力表示為材料的韌性，采用抗沖擊韌性比對混凝土的韌性進(jìn)行評價，計算公式為：

W=mgh

(1)

C=Wi/W0

(2)

其中：W為沖擊功；N為沖擊次數(shù)；m為落錘質(zhì)量，4.5 kg；g為重力加速度，9.81 m/s2；h為落錘高度，457 mm；C為抗沖擊韌性比；Wi為芳綸纖維橡膠混凝土破壞時的沖擊功；W0為橡膠混凝土破壞時的沖擊功。

1.4.2 抗裂性能評價指標(biāo)

為了比較芳綸纖維橡膠混凝土的早齡期開裂性能優(yōu)異，利用試驗中所得到的裂縫數(shù)量、長度和寬度進(jìn)行計算：

(3)

(4)

c=a×b

(5)

Acr=∑WiLi

(6)

(7)

其中:a是裂縫的平均裂開面積；b是單位面積的開裂裂縫數(shù)目；c是單位面積上的總裂開面積；N是裂縫總數(shù)；A是試件的上表面積；Acr是試件裂縫的名義總面積；Afcr表示摻加芳綸纖維的試件裂縫的名義總面積；Amcr表示不摻芳綸纖維的試件裂縫的名義總面積；Wi是第i條裂縫的最大寬度；Li是第i條裂縫的長度；ηcr是裂縫的降低系數(shù)。

根據(jù)《CCES01-2004混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》附錄 A2 中介紹的方法[15]，評估混凝土早齡期抗裂性能的標(biāo)準(zhǔn)有4個：(1)只有很細(xì)的裂縫；(2)a<10 mm2；(3)b<10/m2；(4)c<100 mm2/m2。

滿足以上4條準(zhǔn)則早齡期抗裂等級為Ⅰ，滿足其中3條則等級為Ⅱ，以此類推，均不滿足則等級為Ⅴ。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗沖擊性

動態(tài)荷載下，對5組試件進(jìn)行落錘沖擊試驗分別得出混凝土抗沖擊性能，可反映混凝土吸收動能的能力，主要參數(shù)見表2。

由表2可以看出：隨著芳綸纖維的摻入，各組的初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)、初裂時沖擊功和破壞時沖擊功均得到不同程度的提升,芳綸纖維橡膠混凝土的韌性不斷提高；在芳綸纖維摻量為0.7%時，試件的抗沖擊韌性比達(dá)到最大值4.125，比橡膠混凝土增加了大約3倍。

表2 混凝土28 d齡期的抗沖擊性能參數(shù)表

在落錘試驗中發(fā)現(xiàn)ARC-0的ΔN為2，試件初裂與破壞間隔的沖擊次數(shù)較少，說明ARC-0呈現(xiàn)脆性特點，試件在出現(xiàn)第一條裂縫后，繼續(xù)沖擊試件會迅速出現(xiàn)貫通試件上下表面的主裂縫。相比于橡膠混凝土ARC-0，芳綸纖維摻量為0.1%時，試件初裂與破壞間隔的沖擊次數(shù)雖然沒有增加，但抗沖擊韌性比略有提升。隨著芳綸纖維摻量的增加，ARC-0.5和ARC-0.7出現(xiàn)第一條裂縫時的沖擊次數(shù)明顯增多，先出現(xiàn)一些微裂縫，隨著沖擊次數(shù)的增多，微裂縫逐漸向前發(fā)展延長并變寬直到貫穿混凝土試件內(nèi)部成為破壞試件的主裂縫。其中ARC-0.7的ΔN為13，相比橡膠混凝土ARC-0有較大提升，試件在出現(xiàn)第一條裂縫后仍然能吸收大量沖擊能量，表現(xiàn)出較好的韌性。綜上分析，在沖擊荷載下，芳綸纖維通過自身與混凝土的黏結(jié)性、高抗拉強度和伸長率可以抑制裂縫發(fā)展，通過自身的變形，吸收了部分能量，減少了沖擊造成的損傷，增強了橡膠混凝土的抗沖擊性能。芳綸纖維在沖擊破壞中發(fā)揮著阻止開裂并消耗能量的作用，在工程中有廣泛的應(yīng)用價值。

2.2 抗裂性

芳綸纖維橡膠混凝土的早齡期抗裂試驗的裂縫分布和擴(kuò)展呈現(xiàn)出不規(guī)則且模糊的特征，試驗結(jié)果如圖3所示，裂縫已用黑線標(biāo)記。

圖3 混凝土裂縫開展情況

試件ARC-0初裂時間最短，6 h時出現(xiàn)了第一條裂縫，24 h之內(nèi)裂縫迅速擴(kuò)展，且裂縫的數(shù)量、長度和寬度都明顯大于其他試件。而試件ARC-0.1在11 h出現(xiàn)第一條裂縫且至24 h未出現(xiàn)新增裂縫，其裂縫相較于ARC-0更短更細(xì)。而其他三組試件ARC-0.3、ARC-0.5、ARC-0.7均未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。

試件裂縫名義單位面積上的總裂開面積隨時間的變化如圖4所示。從圖4中可以看出試件ARC-0表面裂縫總面積增長量和增長速度明顯大于ARC-0.1，且增長趨勢呈先快速增長后減緩的特點。

圖4 試件裂開面積

試驗結(jié)果檢測的數(shù)據(jù)和抗裂等級評價見表3。

由表3可以看出：不加芳綸纖維的混凝土初裂時間最短，6 h就出現(xiàn)了第一條裂縫；摻加0.1%芳綸纖維對混凝土抗裂性能有明顯改善，11 h出現(xiàn)第一條裂縫，并且24 h試驗結(jié)束時未新增裂縫，提高了混凝土早期的抗裂等級；當(dāng)摻量達(dá)到0.3%、0.5%、0.7%時，24 h未出現(xiàn)肉眼可見裂縫，對混凝土早齡期抗裂性能有極大提升。由此可見，不加纖維的混凝土早齡期抗裂性最差，隨著芳綸纖維摻量的增加，初裂時間明顯變長，裂縫寬度明顯減小，裂縫數(shù)目明顯變少。

表3 芳綸纖維橡膠混凝土開裂統(tǒng)計結(jié)果

綜合芳綸纖維橡膠混凝土試件表面觀測情況和裂縫評價，隨著芳綸纖維摻量的增加，早期抗開裂效果顯著提升，主要原因有：

(1)纖維長徑比大、尺寸小，能有效增強與混凝土的黏結(jié)力，防止裂縫的擴(kuò)大；

(2)纖維在混凝土中均勻分散,形成亂向支撐體系，從而減緩微裂紋端部的應(yīng)力集中，避免微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，減少裂縫的數(shù)量，大大降低裂縫名義單位面積；

(3)隨著纖維摻量的增加，裂縫數(shù)目、裂縫寬度和裂縫長度逐漸減小，能夠有效降低外界物質(zhì)，如空氣中的二氧化碳和水等進(jìn)入，從而避免裂縫的深入開展。

3 結(jié)論

(1)隨著芳綸纖維的摻入，各組試件的初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)、初裂時沖擊功和破壞時沖擊功均得到不同程度的提升,芳綸纖維橡膠混凝土的韌性不斷提高；在芳綸纖維摻量為0.7%時，試件的抗沖擊韌性比達(dá)到最大值4.125，比橡膠混凝土增加了大約3倍。

(2)不加纖維的混凝土早齡期抗裂性最差，添加纖維后的混凝土早期的抗裂等級明顯提高。隨著芳綸纖維摻量的增加，初裂時間明顯變長，裂縫寬度明顯減小，裂縫數(shù)目明顯變少。