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纖維橡膠混凝土力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

2022-11-09 06:00:26占佳佳龐建勇姚韋靖
關(guān)鍵詞:常溫橡膠低溫

占佳佳 龐建勇,2 姚韋靖

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001)

0 前 言

全球范圍內(nèi),每年都有大量廢舊輪胎被隨意丟棄、掩埋、焚燒,這將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi),土壤、大氣和水源等也將受到不同程度的破壞。將廢舊輪胎制成橡膠混凝土不僅能有效減少“黑色污染”,還可對混凝土的性能進(jìn)行改良[1]。

馮文賢等人通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量橡膠粉后,其使用壽命延長,韌性和變形性能也均有所提高[2]。何兆芳等人發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入橡膠后,能有效緩解混凝土收縮受到約束時(shí)應(yīng)力的發(fā)展[3]。史英豪等人發(fā)現(xiàn)橡膠摻量對混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響[4]。以上研究表明,在混凝土中摻入橡膠后,其韌性、抗沖擊、抗疲勞、隔熱等性能得到有效提高,但其力學(xué)強(qiáng)度降低,阻礙了橡膠混凝土(rubber concrete,RC)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[5]。楊晨晨等人研究了玄武巖纖維(BF)對RC力學(xué)強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明摻入適量的纖維能提高RC的抗壓強(qiáng)度[6]。Aslani等人發(fā)現(xiàn)在RC中摻入聚丙烯纖維(PPF),能提高其劈裂抗拉強(qiáng)度[7]。梁海軍等人在實(shí)驗(yàn)中將不同比例的鋼纖維(SF)與PPF混合摻入RC中,結(jié)果表明摻入0.1% PPF+0.9% SF能顯著提高RC的力學(xué)強(qiáng)度[8]。

RC的力學(xué)性能在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生改變,但目前有關(guān)纖維對RC影響的研究主要集中于常溫條件,鮮有涉及低溫條件。本次研究將3種不同纖維摻入RC中,分別測試RC試件在常溫(20 ℃)與低溫(-20 ℃)條件下的力學(xué)性能,分析低溫條件以及不同纖維對RC力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料有:水泥,P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;砂子,淮河中砂;石子,連續(xù)級配碎石,粒徑為5~20 mm;水,自來水;減水劑,聚羧酸高性能減水劑,減水率為25%;橡膠粉顆粒,粒徑約為0.25 mm;纖維包括SF、BF、PPF,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維主要性能指標(biāo)

橡膠粉顆粒以5%的體積替代率替代混凝土中的細(xì)骨料,制備水膠比為0.4、砂率為40%的RC,其配合比如表2所示。采用體積摻入法在RC中摻入不同類型不同摻量的纖維:鋼纖維橡膠混凝土(steel fiber rubber concrete,簡稱SFRC)中SF的體積摻量為0.5%、1%、1.5%,分別定義為SFRC1、SFRC2、SFRC3;玄武巖纖維橡膠混凝土(basalt fiber rubber concrete,簡稱BFRC)中BF的體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%,分別定義為BFRC1、BFRC2、BFRC3;聚丙烯纖維橡膠混凝土(polypropylene fiber rubber concrete,簡稱PFRC)中PPF的體積摻量為0.05%、0.10%、0.15%,分別定義為PFRC1、PFRC2、PFRC3。分別測試每組試件在常溫(20 ℃)與低溫(-20 ℃)條件下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

表2 RC材料配合比 單位:kg/m3

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081 — 2002)和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13 — 2019),制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的RC標(biāo)準(zhǔn)試件,將試件在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù) 28 d。所有試件分為2組:一組用于測試試件在常溫條件下的力學(xué)性能;另一組用于測試試件在低溫條件下的力學(xué)性能。

本次研究中,混凝土低溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)是將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試件放入工業(yè)冰箱中(溫度為-20 ℃),恒溫冷凍72 h,以確?;炷猎嚰?nèi)部溫度達(dá)到-20 ℃。取出試件后,立即在常溫下對其力學(xué)性能進(jìn)行測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 破壞形態(tài)

在低溫條件下,各組試件受壓后的破壞形態(tài)如圖1所示。RC試件的裂縫最長最深,并伴有大塊狀物脫落,試件的完整性遭到嚴(yán)重破壞。相比之下,纖維橡膠混凝土試件的破壞形態(tài)則有明顯改善。BFRC試件的裂縫減小,試件邊緣雖然被壓碎,但無塊狀物脫落,試件基本完整。PFRC試件表面有多處長短不一的細(xì)淺裂紋,裂紋間布滿淡白色細(xì)絲狀纖維,大量絲狀纖維與基體間的咬合使裂縫沒有繼續(xù)加寬加深,較好地保持了試件的完整性。SFRC試件無明顯壓碎痕跡,表面有些微表層剝落,剝落處可見裸露的鋼纖維,試件幾乎完整。從總體外觀來看,加入纖維后,試件在常溫和低溫下的受壓破壞形態(tài)均得到有效改善,其中鋼纖維的效果最佳。

2.1.2 抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

在低溫條件下,纖維橡膠混凝土試件的抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線(見圖2)。第1個(gè)階段為壓密階段,此階段曲線呈微上凹趨勢。這是由于纖維橡膠混凝土內(nèi)部存在孔隙,當(dāng)其受到外界應(yīng)力作用后,孔隙發(fā)生閉合,表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變的增長而緩慢增長。第2個(gè)階段為彈性變形階段,此階段曲線呈直線上升趨勢。這是由于混凝土內(nèi)部孔隙大大減少,試件結(jié)構(gòu)更加密實(shí),混凝土骨架在短時(shí)間內(nèi)均勻受壓,應(yīng)力應(yīng)變之間存在線性關(guān)系[9]。第3個(gè)階段為塑性變形階段,此階段曲線呈非線性增長,且逐漸達(dá)到峰值。這是由于混凝土骨架開始發(fā)生破壞,受力分布不均勻,應(yīng)力與應(yīng)變的線性關(guān)系消失。第4個(gè)階段為破壞階段,此階段曲線在達(dá)到峰值后迅速降低,存在明顯的峰值點(diǎn)。這是由于外界壓應(yīng)力超過了破壞應(yīng)力,試件的整體結(jié)構(gòu)被破壞。超過峰值應(yīng)力后,相比基準(zhǔn)RC試件,纖維橡膠混凝土試件的曲線下降段更長且更平緩,這說明纖維的加入抑制了RC的破壞進(jìn)程,有效改善了RC的脆性,其中BF的改善效果最為明顯。

圖1 試件受壓后的破壞形態(tài)

圖2 低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的抗壓應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

2.1.3 抗壓強(qiáng)度

在常溫、低溫條件下,纖維橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度變化如圖3所示。當(dāng)SF的體積摻量為0~0.5%時(shí),SFRC試件的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增大,最大增幅達(dá)到了22.3%。當(dāng)BF的體積摻量為0~0.1%時(shí),BFRC試件的抗壓強(qiáng)度變化不明顯;當(dāng)BF的體積摻量為0.1%~0.2%時(shí),BFRC試件的抗壓強(qiáng)度明顯增大,當(dāng)BF的體積摻量為0.3%時(shí),BFRC試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)負(fù)增長。當(dāng)PPF的體積摻量為0~0.10%時(shí),PFRC試件的抗壓強(qiáng)度隨PPF摻量的增加而穩(wěn)定增長,最大增幅為18.4%,當(dāng)PPF的體積摻量為0.15%時(shí),PFRC試件的抗壓強(qiáng)度急劇減小,PPF的最優(yōu)體積摻量不宜超過0.10%。

纖維的加入在一定程度上彌補(bǔ)了因橡膠所致的混凝土強(qiáng)度減損,提高了RC的抗壓承載能力。在合理的摻量范圍內(nèi),混凝土內(nèi)部均勻分散的纖維與基體互相咬合、黏結(jié),產(chǎn)生了牽拉作用,因此呈現(xiàn)良好的增強(qiáng)、阻裂效果,且摻量越大效果越明顯。當(dāng)超出一定范圍后,過多的纖維無法在基體中均勻分散而聚團(tuán),從而使混凝土內(nèi)部缺陷增多[10-12]。過量的纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐步減弱,甚至使其出現(xiàn)負(fù)增長。

圖3 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度

由圖3可知,纖維橡膠混凝土在低溫與常溫條件下,抗壓強(qiáng)度的變化趨勢基本一致,且在低溫條件下的抗壓強(qiáng)度普遍高于常溫。這是因?yàn)橄鹉z顆粒具有彈性,當(dāng)溫度從常溫降至低溫的過程中,橡膠顆粒會(huì)發(fā)生收縮,使其硬度增大,同時(shí)混凝土內(nèi)部的游離水會(huì)凍結(jié)成冰晶,這2種變化的耦合作用使得混凝土內(nèi)部應(yīng)力重新分布[13],宏觀上表現(xiàn)為纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度提高。

2.2 抗拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 破壞形態(tài)

試件受拉后的破壞形態(tài)如圖4所示。RC試件首先在中部出現(xiàn)多處微小裂縫。隨著荷載的持續(xù)加載,裂縫逐漸變寬變深,最終試件迅速劈斷,一分為二。RC試件破壞時(shí)伴有較大劈裂響聲,且在常溫條件下的破壞響聲更為明顯,破壞更加快速、徹底。而加入纖維后的RC試件遭到破壞時(shí)仍保持良好的完整性,未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,無法直接用手將其剝開。這說明試件仍保留一定的殘余強(qiáng)度,出現(xiàn)了延性破壞[11]。

由此可見,在RC中摻入纖維,能有效改善其受拉后的破壞形態(tài),使其結(jié)構(gòu)可靠度得到提高。摻入SF對RC抗拉力學(xué)性能增強(qiáng)效果最好,SFRC試件受拉后的破壞形態(tài)最佳,試件整體性保存最完好。

圖4 試件受拉后的破壞形態(tài)

2.2.2 抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

在低溫條件下,纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線如圖5所示。與RC試件的不同,在達(dá)到峰值應(yīng)力后,纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線沒有持續(xù)下降,而是經(jīng)歷小段下降后在拐點(diǎn)處繼續(xù)上升,直至達(dá)到第2次峰值后平緩下降。這是因?yàn)楫?dāng)纖維橡膠混凝土應(yīng)力第1次達(dá)到峰值時(shí),混凝土骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了纖維從基體中拔出斷裂的過程,此過程中抗拉強(qiáng)度仍有微弱提升,表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化現(xiàn)象[14]。這說明摻入纖維不僅可以提高RC的受拉應(yīng)力峰值,還能延長其破壞過程,使其延性更好,抵抗破壞變形的能力更強(qiáng)。

2.2.3 抗拉強(qiáng)度

在常溫、低溫條件下,纖維橡膠混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖6所示,纖維橡膠混凝土的抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后減小。這是由于加入纖維后,RC試件的界面特性發(fā)生改變,其內(nèi)部形成了良好的纖維網(wǎng)格,有效抑制了裂紋的初步產(chǎn)生,阻止了微觀裂紋向宏觀裂縫的發(fā)展,同時(shí)纖維能抵抗部分外部荷載[15],使RC試件基體的劈裂抗拉強(qiáng)度提高。隨著纖維摻量的不斷增大,過多的纖維不能和骨料較好結(jié)合,RC的和易性和流動(dòng)性受到影響,形成了多個(gè)薄弱面,纖維的增強(qiáng)作用逐漸無法抵消薄弱面的減弱作用,最終在宏觀上表現(xiàn)為RC試件的抗拉強(qiáng)度降低。當(dāng)SF的體積摻量為0~0.5%時(shí),SFRC試件的抗拉強(qiáng)度增幅最大,當(dāng)SF的體積摻量為0.5%~1.0%時(shí),SFRC試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,SF的最大體積摻量應(yīng)低于1.0%。當(dāng)BF的體積摻量為0.2%時(shí),BFRC試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,增幅高達(dá)24.8%。當(dāng)PPF的體積摻量為0~0.10%時(shí),PFRC試件的抗拉強(qiáng)度近乎呈線性增長,當(dāng)PPF的體積摻量超過0.10%時(shí),PFRC試件的抗拉強(qiáng)度隨著PPF體積摻量的增加而減小,PPF的最優(yōu)體積摻量為0.10%。

圖5 低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的抗拉應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線

圖6 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖6可知,纖維橡膠混凝土在低溫條件下的抗拉強(qiáng)度總體上略高。從微觀層面分析,RC中含有較多微孔,在低溫條件下微孔中大量的自由水和毛細(xì)水會(huì)凝結(jié)成冰,使RC中的微裂縫、微空洞等被填充,從而使基體密實(shí)度增加[14],抵抗外部荷載的能力提高。

2.4 拉壓比分析

混凝土拉壓比為其抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比,是評價(jià)混凝土脆性的主要指標(biāo)。拉壓比越大,表示混凝土脆性越小,韌性越好[16]。通過實(shí)驗(yàn)得到各組纖維橡膠混凝土試件的拉壓比,如圖7所示??梢钥闯?,不同纖維可使RC試件的拉壓比得到不同程度的提高。當(dāng)SF的體積摻量為0~0.5%時(shí),RC試件的拉壓比提高幅度較小,當(dāng)SF的體積摻量超過0.5%時(shí),其提高作用增強(qiáng)。當(dāng)BF的體積摻量為0.1%~0.2%時(shí),RC試件的拉壓比增幅減小,結(jié)合強(qiáng)度對比分析,此摻量范圍內(nèi),BF對RC試件抗拉性能的影響更大。當(dāng)PPF的體積摻量為0.10%~0.15%時(shí),RC試件的拉壓比急劇增大,這是因?yàn)檫^量PPF使RC試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)負(fù)增長,但其抗拉強(qiáng)度仍處于不斷增長的狀態(tài)。

圖7 常溫、低溫條件下纖維橡膠混凝土試件的拉壓比

由圖7可知,纖維橡膠混凝土拉壓比隨著纖維摻量的增加而增大,但過量的纖維將對RC的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。在常溫和低溫條件下,纖維橡膠混凝土拉壓比的變化趨勢一致,低溫條件下的拉壓比略高。這說明在低溫條件下,纖維對RC脆性和韌性的改善效果更好。

3 結(jié) 語

摻入各種纖維對RC力學(xué)強(qiáng)度有不同程度的提高作用,SF的最優(yōu)體積摻量為0.5%,BF的最優(yōu)體積摻量為0.2%,PPF的最優(yōu)體積摻量為0.10%。在RC中摻入纖維后,其力學(xué)強(qiáng)度在低溫條件下的變化趨勢與在常溫條件下基本一致,低溫條件下纖維對橡膠混凝土的力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)效果更明顯。

SF、BF、PPF這3種纖維均能顯著改善RC試件的破壞形態(tài),提高其韌性與抗變形能力。由于BF彈性模量較高,在試件內(nèi)不僅可有效承重,又可強(qiáng)化水泥基體間的黏結(jié)力,因此對橡膠混凝土的力學(xué)特性改善效果最好。

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