橡膠纖維水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

引言我國正在大力倡導(dǎo)生態(tài)節(jié)能及資源綜合利用的建筑材料的應(yīng)用與研發(fā)，其中，綠色環(huán)保且物理力學(xué)性能良好的廢舊橡膠纖維混凝土備受關(guān)注[1]。盡管橡膠及纖維的摻入會(huì)使混凝土的強(qiáng)度有所降低，但可以顯著改善混凝土的脆性，使混凝土在外荷載作用下表現(xiàn)出明顯的延性，同時(shí)可以提升混凝土的抗沖擊、抗?jié)B等性能。纖維對(duì)混凝土具有阻裂、增強(qiáng)增韌的作用，將兩者按一定比例摻入，能夠揚(yáng)長避短，綜合發(fā)揮各自在增強(qiáng)混凝土性能方面的優(yōu)勢(shì)。此外，在當(dāng)前天然骨料資源嚴(yán)重短缺的情況下，橡膠的摻入替代了一部分天然砂，在很大程度上減少了對(duì)天然骨料的依賴。橡膠纖維在改善混凝土性能的同時(shí)，有效解決了廢舊橡膠處理的難題，減輕了資源和環(huán)境壓力，起到了資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的雙重作用，已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2-4]。水工混凝土中適量摻入橡膠和纖維有利于提高其韌性和抗沖磨性能。橡膠纖維水工混凝土是一種多組分復(fù)合體，各組成成分及配量的不同均會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生較大影響，其作用機(jī)理較為復(fù)雜，而現(xiàn)有的相關(guān)研究成果甚少，因此，當(dāng)前對(duì)于橡膠纖維水工混凝土配合比設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能有待于進(jìn)一步研究[5]。鑒于此，本文采用正交試驗(yàn)方法，通過一系列模型試驗(yàn)，深入研究橡膠纖維水工混凝土的基本力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)等，并分析影響橡膠纖維水工混凝土力學(xué)性能的主要因素及影響規(guī)律，最終確定橡膠纖維水工混凝土的最佳配合比。研究成果可為橡膠纖維水工混凝土理論設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供有益的參考。

1、試驗(yàn)部分

1.1原材料水泥：海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1水泥性能指標(biāo)粗骨料：石灰質(zhì)碎石，5~40mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2720kg/m3。細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.55，表觀密度2650kg/m3。粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)見表2。

表2粉煤灰性能指標(biāo)外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%。橡膠顆粒：10目（表觀密度1140kg/m3）、20目（表觀密度1120kg/m3）、40目（表觀密度1130kg/m3）。聚丙烯纖維：?jiǎn)问汤w，12mm。1.2配合比設(shè)計(jì)依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[6-8]，首先以C40強(qiáng)度等級(jí)普通水工混凝土的配合比為基礎(chǔ)，確定每立方米混凝土中各組成材料的質(zhì)量，然后將橡膠集料以等體積替代部分細(xì)骨料的方式摻入混凝土中，并以外摻的方式摻入聚丙烯纖維。采用L9(33)正交試驗(yàn)方案，對(duì)每一種影響因素各取3個(gè)水平進(jìn)行配合比優(yōu)化試驗(yàn)，尋求最佳水平組合。各因素水平見表3。表3中，聚丙烯纖維摻量、橡膠摻量和橡膠粒徑這3個(gè)因素的3個(gè)水平分別用A1、A2、A3，B1、B2、B3和C1、C2、C3表示。以水灰比為0.4、砂率為42%、坍落度為100～120mm配制的C40基準(zhǔn)水工混凝土的配合比和采用L9(33)正交試驗(yàn)方案得到的9組橡膠纖維水工混凝土的配合比，見表4。

表3正交試驗(yàn)方案表4基準(zhǔn)混凝土和橡膠纖維水工混凝土的配合比2、力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法為縮減試驗(yàn)工作量，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行橡膠纖維水工混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)，分析影響橡膠纖維水工混凝土力學(xué)性能的主要因素，并確定橡膠纖維水工混凝土的最佳配合比?；炷粱玖W(xué)性能試驗(yàn)只考慮混凝土試塊的28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。按照GB/T50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和CECS13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，根據(jù)表4所列各組配合比，分別制作用于上述強(qiáng)度測(cè)試的C40基準(zhǔn)混凝土和橡膠纖維水工混凝土試塊各一組，每組3個(gè)試塊?；炷量箟汉团芽估瓘?qiáng)度測(cè)試均采用150mm×150mm×150mm的立方體試塊，抗折強(qiáng)度測(cè)試采用100mm×100mm×400mm的長方柱試塊。試塊制作采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合混凝土，混凝土入模后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)成型，然后在室內(nèi)靜置24h拆模并做好編號(hào)標(biāo)記，隨即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d，到規(guī)定齡期后按照相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行混凝土基本力學(xué)性能測(cè)試?；炷亮W(xué)性能測(cè)試如圖1、圖2所示。

圖1試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試圖2試塊抗折強(qiáng)度測(cè)試2.2結(jié)果與分析按表4中各組配合比制作試件的28d抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果以及折壓比、拉壓比見表5。由表5可以看出，與基準(zhǔn)混凝土相比，橡膠纖維水工混凝土的28d抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度均有不同程度下降，但拉壓比、折壓比明顯增大，其韌性和抗裂性能增強(qiáng)。對(duì)表5中的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，結(jié)果見表6、表7。

表5正交試驗(yàn)結(jié)果表6正交試驗(yàn)極差分析

由表6可知，在聚丙烯纖維摻量（A）、橡膠摻量（B）和橡膠粒徑（C）這三個(gè)影響因素中，對(duì)于混凝土強(qiáng)度，各影響因素主次順序?yàn)椋築>C>A；對(duì)于折壓比和拉壓比，各影響因素主次順序?yàn)椋篈>B>C；對(duì)于28d抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度和折壓比、拉壓比，利用極差分析結(jié)果，得出的最優(yōu)配比分別為：A1B1C1、A2B1C1、A1B1C1、A2B3C3和A2B3C3?？梢?，各試驗(yàn)因素針對(duì)不同性能指標(biāo)得出的最優(yōu)配比不同，因此，各因素的主次影響順序也不同，需要進(jìn)一步利用方差分析法分析各因素對(duì)不同性能指標(biāo)的主次影響順序和影響的顯著性。表7正交試驗(yàn)方差分析由表7可知，對(duì)于抗壓強(qiáng)度，B因素的影響高度顯著，其他兩因素則不存在顯著性；對(duì)于抗折強(qiáng)度，B因素高度顯著，C因素影響顯著，A因素不存在顯著性；對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，B因素存在極度顯著性，C因素存在高度顯著性，A因素不存在顯著性。即對(duì)于混凝土28d的各種強(qiáng)度，B因素為主要影響因素，C因素次之，A因素影響均不顯著。對(duì)于折壓比，A、B因素都存在高度顯著性，均為主要影響因素；對(duì)于拉壓比，各因素均不存在顯著性。方差分析得到的各因素影響的主次順序與極差分析的結(jié)果是一致的。根據(jù)上述混凝土各性能指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及極差與方差綜合分析結(jié)果可知：纖維摻量A只對(duì)折壓比影響高度顯著，且取A2時(shí)最好，而對(duì)其余各指標(biāo)均不存在顯著性；橡膠摻量B對(duì)混凝土28d抗壓、抗折和抗拉強(qiáng)度這三個(gè)重要指標(biāo)的影響為高度和極度顯著，且取B1時(shí)均最好；橡膠粒徑C對(duì)28d抗折和抗拉強(qiáng)度的影響顯著，且取C1時(shí)最好，而對(duì)其余各指標(biāo)均不存在顯著性。綜合分析得到的橡膠纖維水工混凝土的最優(yōu)配比為A2B1C1。結(jié)論

（1）采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行橡膠纖維水工混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)，深入研究了聚丙烯纖維摻量、橡膠顆粒摻量、橡膠粒徑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，基于正交極差與方差分析結(jié)果，得出了橡膠纖維水工混凝土的最佳配合比。（2）正交試驗(yàn)分析結(jié)果表明，橡膠纖維水工混凝土的28d抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土有不同程度的下降，但其拉壓比、折壓比有明顯增