2. 中国水利水电科学研究院 水资源研究所,北京 100038
2. Department of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
可持续发展是国际社会的关注重点,提高资源的回收利用率愈加受到人们重视.汽车行业的飞速发展产生了大量的废旧橡胶轮胎,焚烧及填埋处理会污染空气及土地资源,合理利用废旧轮胎材料可以减轻环境负担[1].
废旧轮胎回收加工后产生大量的钢纤维、橡胶颗粒和聚合物纤维(recycled tyre polymer fiber,RTPF).相关研究表明,将从废旧轮胎中回收的钢纤维加入混凝土,能够大大增强混凝土的韧性[2],橡胶颗粒可以改善混凝土的耐久性[3];Baricevic等[4]将RTPF加入混凝土中,结果表明RTPF增强了混凝土的抗冻融能力.另外,RTPF可以降低混凝土的毛细吸水性,同时并不会明显影响混凝土的可泵性和抗压以及抗折强度[5].在混凝土材料中,RTPF吸收的水分不会在水化过程中全部释放出来,可以减小混凝土自身收缩[6].承受动态冲击荷载时,掺量为2.4 kg/m3的RTPF混凝土表现出最好的能量吸收作用[7].目前,RTPF对混凝土拌合物及基本力学性能的影响缺少系统的试验研究,并且RTPF在混凝土中的作用机理需要进行科学分析.
国内外研究表明聚丙烯纤维(polypropylene fiber,PPF)能够有效抑制混凝土的塑性收缩、减少裂纹、增强抗折和抗拉强度[8-10].有机合成纤维的生产过程对环境污染较大,使用废旧纤维可有效缓解环境压力,RTPF混凝土与PPF混凝土基本力学性能的差别需要系统的试验分析.本文设计素混凝土(F0)、4种掺量RTPF混凝土和1种掺量PPF混凝土,通过拌合物性能测试、基本力学性能试验和微观损伤机理分析,研究RTPF对混凝土基本力学性能的影响和作用机理.
1 试验概况 1.1 原材料及配合比水泥采用P.Ⅰ.42.5硅酸盐水泥;细骨料为细度模数2.56的河砂,最大粒径为4.75 mm;粗骨料为5~20 mm的碎石;减水剂为减水率38%的聚羧酸高效减水剂.RTPF和PPF如图 1所示.RTPF的直径、强度和弹性模量由上海新纤仪器有限公司生产的纤维直径分析仪(SGD-1A)和工程纤维强度伸度仪(XG-1A)检验,RTPF和PPF物理及力学性能见表 1.
素混凝土(F0)配合比为:水泥550 kg,砂560 kg,石子1 128 kg,水154 kg,减水剂5.5 kg;RTPF掺量分别为1.2, 2.4, 4.8和9.6 kg(体积掺量分别约为0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.8%),材料编号分别为RTPF12, RTPF24, RTPF48和RTPF96;PPF掺量为0.9 kg(体积掺量约为0.1%),材料编号为PPF09.
1.2 试件制备及试验方法按照配合比将水泥和骨料放入搅拌机中干拌,然后加入称量好的水和减水剂搅拌不小于120 s,最后加入纤维搅拌至纤维分散均匀.将混凝土拌合物浇入模具并振捣密实,24 h后脱模并放入标准养护室(温度(20±2)℃,相对湿度在95%以上).
按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[11]测试混凝土的坍落度和含气量;按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]测试混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度;使用扫描电子显微镜(Ultra-plus SEM)观察试件破坏后的纤维形貌,测试前在试件表面进行喷金处理,加速电压为15 kV.
2 试验结果及讨论 2.1 混凝土拌合物性能 2.1.1 含气量混凝土拌合物含气量如图 2所示.F0含气量为1.88%.RTPF12, RTPF24, RTPF48, RTPF96和PPF09的含气量分别比F0增加了11.2%, 17.6%, 27.1%, 47.9%和28.2%.含气量随RTPF掺量增加而递增,原因是纤维与浆体之间存在薄弱界面,为气体进入提供更多通道,另外RTPF上附有橡胶颗粒,橡胶颗粒表面粗糙,很容易在搅拌过程中引入空气[13].PPF09的含气量与RTPF48相近,相同体积掺量(0.1%)下,PPF的引气能力远大于RTPF,这是由于PPF具有较强疏水性[14],而RTPF为尼龙帘子布粉碎后的纤维,遇水后具有一定亲水性[6].
混凝土的坍落度如图 3所示.F0坍落度为185 mm,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的坍落度分别比F0降低8.1%,18.9%,35.1%,62.2%和14.6%.PPF09的坍落度介于RTPF12和RTPF24之间,RTPF的掺量越大,混凝土拌合物的坍落度越低,这主要是因为RTPF和橡胶颗粒吸收了混凝土拌合物中的水分[7],导致坍落度降低.
立方体抗压强度(fcu)试验采用150mm× 150 mm×150 mm试件,不同材料在7 d和28 d的立方体抗压强度如图 4所示.当养护龄期为7 d时,F0的立方体抗压强度为42.1 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的立方体抗压强度分别比F0降低3.6%,3.8%,8.3%,18.0%和2.1%.当养护龄期为28 d时,F0的立方体抗压强度为67.3 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的立方体抗压强度较F0分别降低2.2%,3.6%,4.3%,17.7%和5.8%,RTPF混凝土7 d和28 d的立方体抗压强度随纤维掺量增大而降低,这与文献[4]和[5]的试验结果趋势一致;当RTPF掺量达到0.8%时,强度降低明显,这主要是因为RTPF96含气量较大,坍落度较小.同时,RTPF中含有的橡胶颗粒弹性模量较小,在压应力作用下相对于混凝土变形大,会降低混凝土的立方体抗压强度,文献[3]和[13]的研究表明,混凝土立方体和轴心抗压强度随橡胶颗粒掺量增大而降低.PPF09在28 d的立方体抗压强度介于RTPF24和RTPF48之间,相同体积掺量(0.1%)下RTPF相比PPF对混凝土的抗压强度影响较小.
轴心抗压强度(fck)试验采用150 mm×150 mm×300 mm的试件,试验结果如图 4所示.F0的轴心抗压强度为58.5 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分别比F0降低1.9%,2.6%,8.4%,12.6%和1.0%,相同体积掺量(0.1%)的RTPF和PPF对轴心抗压强度的影响相差不大.F0的强度比(轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值)为0.87,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09的强度比分别为0.87,0.88,0.83,0.92和0.91,两种纤维混凝土的强度比与F0相差不大.
2.3 劈裂抗拉强度劈裂抗拉试验采150 mm×150 mm×150 mm试件,试验结果如图 5所示.F0劈裂抗拉强度为4.83 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分别比F0提高3.3%,7.6%,7.0%,6.2%和4.7%.这是由于RTPF和PPF可以抑制混凝土的早期收缩,减少微裂纹的产生及扩展,并在混凝土中呈三维乱向分布,发挥桥接作用[4-6, 15],从而提高劈裂抗拉强度.但是随RTPF掺量增加,混凝土内部薄弱界面增多,拌合物工作性能变差,混凝土的劈裂抗拉强度降低.
拉压比为劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比.F0拉压比为7.17%,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分别比F0提高了5.72%,11.71%,11.74%,29.15%和11.29%,拉压比随RTPF掺量增大而增大,可见RTPF和PPF均可有效改善混凝土的脆性.
2.4 抗折强度抗折试验采用100 mm×100 mm×400 mm试件,试验结果如图 6所示.F0抗折强度为4.79 MPa,RTPF12,RTPF24,RTPF48,RTPF96和PPF09分别比F0提高了3.5%,9.6%,7.3%,5.6%和8.7%,RTPF混凝土抗折强度出现先升高后降低的趋势.RTPF掺量超过2.4 kg/m3时混凝土抗折强度下降,这是由于拌合物含气量较大,坍落度较小,同时橡胶颗粒与混凝土之间的黏结界面抗拉性能较差,这与文献[3]和[8]的研究结果相似.文献[6]和[8]的试验结果表明PPF对混凝土抗折强度具有增强作用.PPF比RTPF更长,能够有效提高纤维的锚固长度[16],故在相同体积掺量(0.1%)下,PPF提高混凝土抗折强度更为明显.
图 7为原始RTPF和混凝土破坏后扫描电子显微镜测试图.图 7a中原始PPF端口整齐,图 7b中在混凝土破坏后PPF端口呈尖锥形,这表明纤维在混凝土破坏时被拉断,同时部分纤维表面出现划痕,表明纤维在破坏过程中被拔出基体发挥了桥连作用.图 7c为混凝土破坏后RTPF形貌,部分纤维表面有划痕或破坏端口呈锥状斜茬.RTPF表面的粗糙度比PPF大,可以有效提供与基体之间的黏结力,抑制混凝土的收缩并在断裂过程中发挥桥连作用.
1) RTPF和PPF混凝土含气量均高于F0,含气量随RTPF掺量增大而递增,在相同体积掺量(0.1%)下,PPF的引气能力大于RTPF;混凝土坍落度随RTPF掺量升高而降低,体积掺量在0.1%~0.8%的RTPF混凝土坍落度比F0降低了8.1%~62.2%,PPF09坍落度介于RTPF12和RTPF24之间.
2) RTPF和PPF混凝土抗压强度均低于F0且抗压强度随RTPF掺量增大而降低;RTPF体积掺量在0.4%范围内对立方体抗压强度影响不大;体积掺量在0.1%~0.8%的RTPF混凝土轴心抗压强度比F0降低了1.9%~12.6%,相同纤维体积掺量(0.1%)的RTPF和PPF对轴心抗压强度的影响相差不大.
3) RTPF和PPF混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度均高于F0,劈裂抗拉强度和抗折强度随RTPF掺量均出现先升高后降低的趋势,RTPF体积掺量0.2%为最优纤维掺量,其劈裂抗拉强度和抗折强度分别比F0提高7.6%和9.6%.
4) 混凝土破坏后RTPF形貌出现表面划痕和端口拉断,表明纤维从混凝土基体中拔出或发生受拉破坏,纤维与混凝土基体存在有效黏结力并发挥桥连作用.
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