基于正交试验法的橡胶- 玄武岩纤维改性混凝土性能研究

李发扬 邹 林 郝星瑶 赵红霞

(吉林大学交通学院,吉林 长春130000)

随着交通的高速发展,2012-2020 年我国的废橡胶轮胎产量从1000 万吨增加至2000万吨,而如此大数量的废橡胶轮胎只有15%左右可以有效地降解和翻新。因此,对废橡胶进行回收利用是一个新兴的问题[1-2]。研究发现将废轮胎生产的橡胶颗粒加入普通混凝土来制备橡胶混凝土,既可以提高混凝土的韧性[3]和抗冻性[4],减少动荷载、冲击荷载对混凝土的影响,又能解决废轮胎的环境污染问题。但废弃橡胶混凝土存在强度低的缺点,其内部组分间界面区域薄弱是造成其强度低的主要因素[5]。橡胶的掺入使混凝土中界面结构复杂化,界面种类变多,薄弱区域也随之增多[6]。

玄武岩纤维是一种天然矿石纤维。由于其突出的力学、物理性能和理想的性价比,其在混凝土施工工程中的研究和应用具有重要意义[7]。目前研究表明,纤维能够提高混凝土抗裂能力、降低其脆性系数,有效改善混凝土各项力学性能[8-9]。

目前,国内外对于在纤维轻骨料混凝土中掺入橡胶颗粒的研究较少。本试验围绕抗压强度、抗弯强度和坍落度对橡胶-玄武岩纤维混凝土进行研究,重点分析了玄武岩纤维长度、直径和橡胶颗粒粒径对混凝土力学性能及坍落度的影响规律。以期找到合理的科学规律,为工程实践提供参考依据。

1 试验方法与试验方案

1.1 试验方法

本试验采用正交试验法对测试结果进行分析。试验选用L9(3×3)正交表进行正交试验设计。结合文献与试验研究的经验[10-12],得出正交试验各工艺参数的取值范围,从而确定本试验的影响因素和水平,如表1 所示。

1.2 试验方案

本试验配置的改性混凝土水胶比为0.39,玄武岩纤维掺量为4.56kg/m3,橡胶掺量为10%[13]；根据表1 选取橡胶骨料及玄武岩纤维的具体参数。采用P.O42.5 硅酸盐水泥。粗骨料采用连续级配为5-25mm 的天然骨料,其中粒径在4.75-9.5mm、9.5-16mm 和16-26.5mm 范围内的粗骨料百分比分别为20%、70%和10%；细骨料选用粒径范围为0.1-4.75mm、细度模数为2.8 的天然河砂。减水剂采用减水率为25%的HRWR-Q8011 聚羧酸减水剂,掺量为1%。试验用水为自来水。试验采用水泥裹石法制备改性混凝土:先将全部骨料、橡胶颗粒和玄武岩纤维加入搅拌机拌合,再加水泥拌合,然后加入50%的水及减水剂拌合均匀,最后加入剩余的水和减水剂,其流程如图1 所示。

表1 正交试验因素与水平

图1 试件制备流程图

将改性混凝土拌合物分别倒入100mm×100mm×100mm 和100mm×100mm×400mm 模具内,振荡、抹平,24 小时后脱模。所有试件在相对湿度95%,温度20±2℃的标准养护环境中养护28天,混凝土配合比见表2。

表2 混凝土试件配合比

1.2.1 坍落度试验

混凝土拌和后立即进行坍落度试验。按GB/T50080-2016[14]中的要求,必须在150s 内完成。混凝土拌合物试样分三层均匀装入坍落度桶内。每层拌合物用捣固棒从边缘向中心均匀螺旋插入25 次。捣固后,每层拌合物试样的高度约为桶高的三分之一。

1.2.2 抗压强度试验

抗压强度试验按GB/T50081-2002[15]中的规定进行。每组配合比各做3 个尺寸大小为100mm×100mm×100mm 的试件。加载速度为0.5MPa/s,直至试样断裂。取三个实验的平均值作为最终抗压强度。

1.2.3 抗弯强度试验

抗弯强度试验采用 GB/T50081-2002[15]规定的四点弯曲加载法进行。每组配合比各做3 个100mm×100mm×400mm 试件。加载速度为0.05MPa/s,直至试样断裂。弯曲强度是三次测量的平均值。

2 数据计算处理

在本实验数据处理阶段,采用正交实验设计的极差分析法:对某一检验指标,确定各因素不同水平下指标检验结果的算术平均值,记为k；计算各因素下的极差R,R 值越大,说明该因素对性能指标的影响越大,反之亦然。

3 计算结果与比较

根据试验结果,记录试验数据如表3 所示。

表3 实验数据记录表

3.1 抗弯强度分析

改性混凝土抗弯强度极差分析结果如表4 所示,由表可知:改性混凝土抗弯强度的影响因素的主次顺序为:玄武岩纤维长度＞橡胶颗粒粒径＞玄武岩纤维直径。其中玄武岩纤维长度与橡胶颗粒粒径对应的极差相近且大于玄武岩纤维直径的极差,说明玄武岩纤维长度与橡胶颗粒粒径对抗弯强度具有显著影响。改性混凝土的抗弯强度越大越好,故选择各因素中k 值最大的水平为最优水平,即影响抗弯强度最优组合为:玄武岩纤维长度6mm,玄武岩纤维直径17μm,橡胶颗粒粒径10 目。

表4 抗弯强度极差分析结果

图2 表明:(1)随着玄武岩纤维长度的增大,改性混凝土抗弯强度先减小后增大。这是由于在混凝土内部微观处,长度较短的玄武岩纤维均匀分布,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率和孔隙体积,而混凝土强度遵循与孔隙体积成反比的关系,从而混凝土强度较高；随着长度增加,纤维又阻隔了集料间的接触与嵌挤,使得集料黏结作用和内摩擦力大大降低,从而混凝土强度降低；而随着纤维长度继续增大,由于其对混凝土基体的摩擦、粘结与拉拔作用表现出来,使得抗弯强度小幅度增加。(2)改性混凝土抗弯强度随着橡胶颗粒粒径的增大先减小后增大。这是因为小粒径的橡胶颗粒作为细集料可以填充大部分孔隙,从而混凝土强度较高；随着粒径增大,橡胶颗粒属于憎水性合成有机材料,其密度较小且颗粒内部含有空气,故橡胶颗粒表面与无机胶凝材料和集料之间的粘结面薄弱,且在水中易上浮,在混凝土内部形成软弱点,从而混凝土强度大大降低；粒径继续增大时,橡胶颗粒自身弹性性能有所表现,从而抗弯强度小幅度升高。(3)改性混凝土抗弯强度随着玄武岩纤维直径的增大先减小后增大,但总体变化不大,说明其影响作用微弱。

图2 改性混凝土抗弯强度效应曲线

3.2 抗压强度分析

改性混凝土抗压强度极差分析结果如表5 所示,由表可知:改性混凝土抗压强度的影响因素的主次顺序为:橡胶颗粒粒径＞玄武岩纤维长度＞玄武岩纤维直径。其中橡胶颗粒粒径与玄武岩纤维长度的极差远大于玄武岩纤维直径的极差,说明二者对改性混凝土抗压强度的影响起主导性作用。混凝土抗压强度越大越好,故选取各因素中k 值最大的水平为最优水平,即最优水平为:玄武岩纤维长度6mm,玄武岩纤维直径13μm,橡胶颗粒粒径10 目。图3 表明:(1)改性混凝土抗压强度随着玄武岩纤维长度的增大而显著减小。这是因为长度较短的玄武岩纤维在混凝土内部分布均匀,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率及孔隙体积,而混凝土强度遵循与孔隙体积成反比的关系,从而混凝土强度较高；随着长度增加,纤维又阻隔了集料间的接触与嵌挤,使得集料黏结作用和内摩擦力大大降低,从而混凝土强度大大降低。(2)改性混凝土抗压强度随着玄武岩纤维直径的增大而减小。这是因为小直径纤维对于集料间的接触与嵌挤作用影响较小,但随着直径的增大,玄武岩纤维对于集料胶结与嵌挤摩擦作用的阻隔大大增加,使得抗压强度显著降低。(3)改性混凝土的抗压强度随着橡胶颗粒粒径的增大先减小后增大,总体呈下降趋势。与对抗弯强度的影响作用相同,橡胶颗粒作为部分细集料通过影响改性混凝土内部的胶结作用即胶结点的数量来影响抗压强度,橡胶颗粒粒径越大,胶结点数量就越少,其抗压强度就越低。

表5 抗压强度极差分析结果

图3 改性混凝土抗压强度效应曲线

3.3 坍落度分析

改性混凝土坍落度极差分析结果如表6 所示,由表可知:改性混凝土坍落度的影响因素的主次顺序为:玄武岩纤维长度＞玄武岩纤维直径＞橡胶颗粒粒径。其中玄武岩纤维长度的极差远大于另外两个影响因素,故其是影响坍落度的主导因素。由于坍落度的大小对混凝土强度没有直接关系,故不做最优水平讨论。

表6 坍落度极差分析结果

图4 表明:(1)随着玄武岩纤维长度的增大,坍落度先减小后增大,总体上呈上升趋势,变化较大,表明其为坍落度的主导因素。这是因为玄武岩纤维作为外掺材料位于粗骨料之间,与包裹粗骨料的砂浆效果相似,细长的纤维使得集料间的摩擦阻力减小,从而骨料之间的润滑作用增加, 有利于坍落度的发展。(2)随着玄武岩纤维直径的增大,坍落度先增大后降低,总体上呈下降趋势,但变化较小,表明其为坍落度的次要因素。这是因为玄武岩纤维作为外掺材料,直径越大时,纤维长细比减小,拌合时必定需要一部分砂浆进行包裹,导致起润滑作用的浆体层减少,从而不利于坍落度的发展。(3)随着橡胶颗粒粒径的增大,坍落度先减小后增大,总体上变化不大,表明其对坍落度的影响不大。

图4 改性混凝土坍落度效应曲线

4 结论

4.1 综合考虑抗压强度与抗弯强度最佳水平的选择后,改性混凝土力学性能的最优水平可确定为:玄武岩纤维长度为6mm,玄武岩纤维直径13μm,橡胶粒径10 目。

4.2 橡胶颗粒粒径与玄武岩纤维长度是影响抗弯强度的重要因素,抗弯强度随着玄武岩纤维长度与橡胶颗粒粒径的增加先减小后增大。

4.3 影响抗压强度的重要因素是橡胶颗粒粒径与玄武岩纤维长度,其中玄武岩纤维长度与抗压强度成反比,抗压强度随橡胶颗粒粒径的增大先减小后增大。

4.4 影响坍落度的主导因素为玄武岩纤维长度,坍落度随着玄武岩纤维长度的增加先减小后增大。