龐建勇，楊春春，姚韋靖，占佳佳

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

近年來，伴隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)污染也隨之加劇。由于汽車的增加，全世界每年生產(chǎn)的輪胎數(shù)量也在不斷增加，我國每年的報廢輪胎達到了2 000萬噸。如果這些廢舊輪胎得不到妥善處理，則會對環(huán)境造成很大的污染。目前廢舊輪胎造成的“黑色污染”已經(jīng)成為全球的一大難題，治理廢舊輪胎所帶來的“黑色污染”刻不容緩。

橡膠混凝土是指將橡膠集料作為水泥混凝土組成材料混合而成的新型混凝土，使用橡膠顆粒代替天然河砂，既可以減少自然資源的消耗又能解決廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染。20世紀90年代，文獻[1]首次提出將廢舊輪胎制成顆粒，代替部分混凝土細骨料制成橡膠混凝土，從而對橡膠混凝土的力學性能展開深入研究。文獻[2-3]研究發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒含量的增加，混凝土的抗壓強度出現(xiàn)逐漸下降趨勢。為了抵消摻入橡膠顆粒所產(chǎn)生的負面效果，文獻[4]發(fā)現(xiàn)纖維的摻入對提高混凝土力學性能有積極的影響。文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入可以改變基體內(nèi)部裂縫擴展的途徑，增加裂縫的曲折性，提高混凝土的韌性。文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)混凝土28d時的強度隨著硅灰摻量的增加先升高后降低。文獻[7]研究發(fā)現(xiàn)，硅灰具有填充水泥顆粒之間縫隙的作用，能促使混凝土更加密實，從而提高其強度。文獻[8]試驗表明，硅灰與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，可提高結(jié)構(gòu)緊密性。文獻[9]研究證實了摻入聚丙烯纖維可以改善橡膠混凝土沖擊力學性能，從而提高試件的延性和韌性。文獻[10]的研究也證實了納米SiO2改性橡膠混凝土能有效提高其沖擊強度。目前研究關(guān)注橡膠混凝土的靜力學方面較多，動力學性能研究較少，且研究較為單一，沒有系統(tǒng)性研究其靜力學與動力學特性，對橡膠混凝土及其改性試件的靜態(tài)和動態(tài)性能進行比較方面的試驗仍亟待研究。

因此，為了系統(tǒng)性研究橡膠混凝土及其改性試件的靜態(tài)和動態(tài)力學性能，本文采用復摻硅灰和聚丙烯纖維對橡膠混凝土進行改性試驗，分析橡膠混凝土靜力學下的抗壓強度、抗折強度以及在沖擊荷載下的抗壓強度、破壞形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，以期為生產(chǎn)出高強度、高韌性、防震防爆的橡膠混凝土提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥選用普通P·O42.5級復合硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑5～15mm連續(xù)級配碎石；細骨料選用細度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 410kg/m3淮河中砂河砂；拌和用水選用實驗室清潔自來水；減水劑選用聚羧酸高效減水劑；聚丙烯纖維選用長度12mm、密度為910kg/m3的聚丙烯纖維；橡膠顆粒選用粒徑為20目，表觀密度為950kg/m3；硅灰選用含量98%的白色硅灰。

1.2 配合比設(shè)計

參照(JGJ55—2011)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，強度等級為C40，以20目橡膠等體積取代20%砂子，在硅灰等質(zhì)量取代(0，10%)水泥情況下，按0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的體積分數(shù)分別摻入聚丙烯纖維，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試件制備

制作試件時，先將石子、砂子、橡膠顆粒干拌30s，再加入分散的聚丙烯纖維、水泥、硅灰干拌60s，最后均勻加入水和減水劑繼續(xù)攪拌120s，將攪拌好的混凝土裝入模具并放在振動臺上進行振動密實。將試件在室溫下放置24h后脫模，轉(zhuǎn)至標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28d后進行力學測試。

試驗過程主要參考國家標準GB/T50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。制備試件尺寸為100mm×100mm×100mm立方體試塊，用于抗壓強度測試；試件尺寸為100mm×100mm×400mm長方體試塊，用于抗折強度測試；試件尺寸為φ50mm×100mm圓柱試塊，切割打磨成φ50mm×25mm，用于沖擊性能測試。每組各3個試塊，共10組。使用WAW-1000電液伺服萬能試驗機和分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置進行上述力學性能測試。

2 靜態(tài)力學試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓試驗

1)抗壓強度 不同纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。由圖1可知，纖維的摻入可以增加混凝土的抗壓強度，隨著纖維摻量的增大，混凝土抗壓強度先增加后降低。纖維摻量為0%時，PRC-1的抗壓強度為32.59MPa； 當纖維摻量為0.05%、0.10%、0.15%和0.20%時，試件抗壓強度分別提升了7.00%、10.98%、9.91%和7.58%。相比PRC，同等纖維摻量下，復摻硅灰及纖維混凝土(SPRC)抗壓強度均有顯著提高，尤其纖維摻量為0.10%時，試件抗壓強度最高提升13.99%。

圖1 混凝土抗壓強度

2)抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線 不同纖維摻量混凝土的抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知，從荷載開始加載到第一個反彎點出現(xiàn)，該過程中應(yīng)力緩慢上升；反彎點的出現(xiàn)是因為荷載達到一定值時，孔隙和缺陷被壓實，骨料開始承受荷載。當荷載繼續(xù)加載至峰值應(yīng)變40%左右時，試件處于彈性應(yīng)力階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化，其斜率為試件初始彈性模量。當應(yīng)力為峰值應(yīng)力的40%～80%時，該段應(yīng)力上升幅度大于應(yīng)變上升幅度，曲線呈現(xiàn)上“凸”特征，此時試件內(nèi)部初始裂紋開始擴展，橫跨裂紋的纖維開始發(fā)揮作用，阻礙了裂紋的擴展，提高了試件承載能力，增強了混凝土韌性[11]。當應(yīng)力超過峰值應(yīng)力80%以后，由于纖維的作用，試件的承載力和變形能力顯著提高，達到峰值應(yīng)力后承載力開始緩慢下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線到達頂峰，試件表面開始出現(xiàn)一條約平行于應(yīng)力方向的宏觀裂紋。隨著變形繼續(xù)增大，纖維的橋接功能得到充分發(fā)揮，直到纖維被拉伸或拉斷。隨后試件出現(xiàn)貫穿性裂紋，應(yīng)力迅速下降，最終試件被破壞。與PRC-1相比，纖維的摻入使得混凝土峰值強度和彈性模量都有所提高；隨著纖維體積摻量的增大，其峰值強度和彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；尤其纖維體積摻量0.1%時，提升最為明顯。與PRC相比，相同纖維體積摻量下，SPRC試件峰值強度更高、彈性模量更大。

圖2 混凝土抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 抗折試驗

1)抗折強度 圖3為不同纖維摻量對混凝土抗折強度的影響。由圖3可知，PRC-1的抗折強度為4.49MPa；單摻纖維后，混凝土抗折強度較PRC-1均有所增長；相比PRC-1，試件PRC-2、PRC-3、PRC-4和PRC-5抗折強度分別提高了12.35%、19.35%、16.08%和13.29%。將硅灰和纖維復摻后，混凝土抗折強度增幅明顯，相比PRC，同等纖維摻量下，試件SPRC-1、SPRC-2、SPRC-3、SPRC-4和SPRC-5抗折強度分別提高了13.05%、16.39%、16.60%、13.86%和13.79%。在單摻硅灰的條件下，試件SPRC-1相對于PRC-1抗壓強度增加約11%、抗折強度增加約12%；試驗結(jié)果高于文獻[12]相同硅灰摻量下對混凝土力學性能的提升，其主要原因是橡膠摻量對混凝土力學性能的影響。

圖3 混凝土抗折強度

2)抗折強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖4為不同纖維摻量混凝土抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知，試件PRC與SPRC應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，由上升段和下降段組成。上升段一般可分為3個階段：第一階段為受荷載后，曲線開始平緩上升，曲線斜率反映試件彈性模量情況；第二階段最為平緩，這是因為橡膠顆粒具有較好的韌性，在混凝土中摻加橡膠顆?？梢愿纳苹炷恋难有訹13]；第三階段迅速上升，斜率較大；當?shù)竭_峰值強度時，試件瞬間折斷，應(yīng)力直線下降。與PRC-1相比，纖維混凝土PRC具有較高的峰值強度、峰值應(yīng)變以及彈性模量；與PRC相比，在纖維體積摻量相同的情況下，SPRC試件峰值強度、峰值應(yīng)變和彈性模量都有所增加。

圖4 混凝土抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 折壓比

聚丙烯纖維不同摻量對混凝土折壓比變化曲線如圖5所示。折壓比是混凝土抗折強度與抗壓強度的比值，是反映混凝土材料延性和抗裂性的重要指標，試件折壓比越大，則脆性越小、韌性越好[14]。由圖5可知，隨纖維摻量的增大，試件折壓比先增大后減小。當纖維體積摻量為0%時，試件PRC折壓比為0.132，SPRC折壓比為0.134；當纖維體積摻量為0.1%時，PRC折壓比的最大值增加到0.142，比初始值高7.58%，SPRC折壓比的最大值增加到0.145，比初始值高8.21%。這說明聚丙烯纖維可以提高混凝土的延性和抗裂性[15]86；相同纖維摻量下，SPRC的折壓比均高于PRC。導致這一現(xiàn)象的原因是：在混凝土中摻入聚丙烯纖維，能夠減少其內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，增加其韌性以及抗拉強度[16]；而過量纖維的摻入會對混凝土強度產(chǎn)生不利影響，所以適當?shù)睦w維摻量能夠提高混凝土折壓比，這與文獻[15]86中聚丙烯纖維對橡膠混凝土力學性能影響規(guī)律及最優(yōu)摻量一致。

圖5 混凝土折壓比

3 沖擊試驗結(jié)果與分析

3.1 破壞形態(tài)分析

以恒定氣壓0.3MPa對橡膠混凝土試件進行沖擊試驗，得出各種破壞模式。試件在沖擊壓縮過程中，由于受到?jīng)_擊力導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊動能不斷釋放，裂紋發(fā)生擴展直到貫通，最終整體發(fā)生破壞。通過觀察試驗結(jié)果，可以將試件分為3種破壞形態(tài)：①粉碎性破裂，試件呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，裂紋貫穿整個試件，無法保持完整性，損傷最嚴重；②大塊破裂，試件中部分塊狀有一些大塊碎塊脫落并伴隨許多碎屑，有少量聚丙烯纖維脫黏，裂紋幾乎貫通于整個試件，試件具有一定的完整性；③小塊破裂，試件表面有許多裂縫并有少量碎塊脫落，大量聚丙烯纖維黏連在一起，裂紋無法貫穿于整個試件，試件具有良好的完整性。

3.2 動態(tài)抗壓強度

沖擊荷載作用下，不同纖維摻量對混凝土動態(tài)抗壓強度的影響如圖6所示。由圖6可知，隨纖維體積摻量增加，PRC和SPRC動態(tài)抗壓強度均先增大后減小。當纖維體積摻量為0.1%時，PRC動態(tài)抗壓強度達到最大值50.6MPa，比纖維體積摻量為0%時增加23.9%；同時，SPRC動態(tài)抗壓強度也達到最大值58.61MPa，比纖維體積摻量為0%時增加25.8%。纖維體積摻量相同時，SPRC動態(tài)抗壓強度均大于PRC，主要是因為硅灰可以填補和修復混凝土的縫隙和微裂紋，從而提高了界面過渡區(qū)性能[17]。

圖6 混凝土動態(tài)抗壓強度

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7給出了沖擊荷載作用下不同纖維體積摻量混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，各應(yīng)力-應(yīng)變曲形狀類似，隨著纖維體積摻量的提高，初始彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力隨之先增大后減小。當纖維體積摻量為0.1%時，試件初始彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力達到最大值。在纖維體積摻量相同的情況下，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的形狀基本相同，而下降段形狀具有明顯差異；硅灰的摻入使得SPRC初始彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變都大于PRC[18]，下降段更加平緩，說明硅灰對PRC的改性作用使SPRC獲得了較好的變形能力和延性性能。

圖7 混凝土動態(tài)抗壓應(yīng)力-變曲線

3.4 動態(tài)增長因子

動態(tài)增長因子(Dynamic increase factor，DIF)是混凝土的動態(tài)強度與靜態(tài)強度之比，是表征材料動態(tài)性能的基本參數(shù)之一[19]。圖8為DIF與不同纖維摻量的關(guān)系曲線。由圖8可知，隨著纖維摻量的提高，DIF呈先增大后減小的趨勢；纖維體積摻量為0.1%時DIF值最大，這可能與纖維摻量影響裂縫的發(fā)展路徑以及擴展程度有關(guān)。同一纖維摻量時，SPRC試件DIF值大于PRC，原因是硅灰的摻入改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時，隨著DIF的增加，沖擊試驗中試件破壞后的碎片尺寸變小，表明試件的沖擊破壞程度在數(shù)值上對應(yīng)于DIF。綜合考慮試件破壞形態(tài)及力學性能，橡膠摻量為20%時，聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.10%。

圖8 混凝土動力增長因子

4 SEM分析

材料微觀結(jié)構(gòu)本質(zhì)上決定其宏觀力學性能，本文通過掃描電鏡(SEM)對PRC、SPRC基體形貌、水化產(chǎn)物等微觀結(jié)構(gòu)進行研究。

圖9(a)、(b)為試件基體SEM照片。由圖9(a)～(b)可知，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較完整、密實，并伴隨連續(xù)塊狀水化產(chǎn)物，這是因為硅灰具有較小的粒徑，可以填充水泥漿液之間的孔隙，降低基體的孔隙率；同時，硅灰具有較強的火山灰活性，能與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，形成C-S-H凝膠，進一步修復粗骨料表面裂縫，提高界面黏結(jié)強度[20-21]。圖9(c)、(d)為聚丙烯纖維與試件基體粘結(jié)界面的SEM照片。從圖9(c)、(d)中可以看出，聚丙烯纖維與基體粘結(jié)緊密，界面區(qū)完整密實，原因是纖維在混凝土內(nèi)部亂向分布形成三維支撐網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠抑制基體內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，在試件壓縮破壞過程中，纖維通過與基體之間的粘結(jié)、滑動變形和拉伸吸收了大量能量[22]，進而提高了試件強度；同樣較大的摻量也會使纖維在內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生互相影響，造成“纖維結(jié)團”現(xiàn)象，從而削弱了基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度和黏結(jié)性，導致混凝土強度的降低。

(a)橡膠混凝土橡膠附近微觀結(jié)構(gòu) (b)橡膠混凝土水化聲物微觀結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論與展望

相同摻量下，SPRC與PRC相比具有更好的抗壓強度、抗折強度和動態(tài)抗壓強度，驗證了硅灰可以改善混凝土力學性能。聚丙烯纖維的摻入顯著提高了混凝土的力學強度，隨纖維摻量增加，混凝土的力學強度呈先增大后減小趨勢。通過SEM分析了復摻硅灰和聚丙烯纖維橡膠混凝土的微觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可為探究其最優(yōu)配合比提供理論依據(jù)。

本文不足之處在于，當橡膠摻量較大而摻入橡膠顆粒較小時，由于橡膠密度較小容易使得橡膠上浮處于材料上部，導致攪拌不均會影響橡膠混凝土的使用性能，所以混凝土制備時需嚴格控制震動時間。因此，為了進一步得出橡膠混凝土改性試件的最優(yōu)配比，應(yīng)細化硅灰摻量梯度，綜合得出硅灰在橡膠混凝土中的最優(yōu)摻量。