基于正交試驗(yàn)法的橡膠- 玄武巖纖維改性混凝土性能研究

李發(fā)揚(yáng) 鄒 林 郝星瑤 趙紅霞

(吉林大學(xué)交通學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130000)

隨著交通的高速發(fā)展,2012-2020 年我國的廢橡膠輪胎產(chǎn)量從1000 萬噸增加至2000萬噸,而如此大數(shù)量的廢橡膠輪胎只有15%左右可以有效地降解和翻新。因此,對(duì)廢橡膠進(jìn)行回收利用是一個(gè)新興的問題[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)將廢輪胎生產(chǎn)的橡膠顆粒加入普通混凝土來制備橡膠混凝土,既可以提高混凝土的韌性[3]和抗凍性[4],減少動(dòng)荷載、沖擊荷載對(duì)混凝土的影響,又能解決廢輪胎的環(huán)境污染問題。但廢棄橡膠混凝土存在強(qiáng)度低的缺點(diǎn),其內(nèi)部組分間界面區(qū)域薄弱是造成其強(qiáng)度低的主要因素[5]。橡膠的摻入使混凝土中界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,界面種類變多,薄弱區(qū)域也隨之增多[6]。

玄武巖纖維是一種天然礦石纖維。由于其突出的力學(xué)、物理性能和理想的性價(jià)比,其在混凝土施工工程中的研究和應(yīng)用具有重要意義[7]。目前研究表明,纖維能夠提高混凝土抗裂能力、降低其脆性系數(shù),有效改善混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能[8-9]。

目前,國內(nèi)外對(duì)于在纖維輕骨料混凝土中摻入橡膠顆粒的研究較少。本試驗(yàn)圍繞抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和坍落度對(duì)橡膠-玄武巖纖維混凝土進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析了玄武巖纖維長(zhǎng)度、直徑和橡膠顆粒粒徑對(duì)混凝土力學(xué)性能及坍落度的影響規(guī)律。以期找到合理的科學(xué)規(guī)律,為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)選用L9(3×3)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)合文獻(xiàn)與試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)[10-12],得出正交試驗(yàn)各工藝參數(shù)的取值范圍,從而確定本試驗(yàn)的影響因素和水平,如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)配置的改性混凝土水膠比為0.39,玄武巖纖維摻量為4.56kg/m3,橡膠摻量為10%[13]；根據(jù)表1 選取橡膠骨料及玄武巖纖維的具體參數(shù)。采用P.O42.5 硅酸鹽水泥。粗骨料采用連續(xù)級(jí)配為5-25mm 的天然骨料,其中粒徑在4.75-9.5mm、9.5-16mm 和16-26.5mm 范圍內(nèi)的粗骨料百分比分別為20%、70%和10%；細(xì)骨料選用粒徑范圍為0.1-4.75mm、細(xì)度模數(shù)為2.8 的天然河砂。減水劑采用減水率為25%的HRWR-Q8011 聚羧酸減水劑,摻量為1%。試驗(yàn)用水為自來水。試驗(yàn)采用水泥裹石法制備改性混凝土:先將全部骨料、橡膠顆粒和玄武巖纖維加入攪拌機(jī)拌合,再加水泥拌合,然后加入50%的水及減水劑拌合均勻,最后加入剩余的水和減水劑,其流程如圖1 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

圖1 試件制備流程圖

將改性混凝土拌合物分別倒入100mm×100mm×100mm 和100mm×100mm×400mm 模具內(nèi),振蕩、抹平,24 小時(shí)后脫模。所有試件在相對(duì)濕度95%,溫度20±2℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天,混凝土配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

1.2.1 坍落度試驗(yàn)

混凝土拌和后立即進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。按GB/T50080-2016[14]中的要求,必須在150s 內(nèi)完成?；炷涟韬衔镌嚇臃秩龑泳鶆蜓b入坍落度桶內(nèi)。每層拌合物用搗固棒從邊緣向中心均勻螺旋插入25 次。搗固后,每層拌合物試樣的高度約為桶高的三分之一。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T50081-2002[15]中的規(guī)定進(jìn)行。每組配合比各做3 個(gè)尺寸大小為100mm×100mm×100mm 的試件。加載速度為0.5MPa/s,直至試樣斷裂。取三個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)采用 GB/T50081-2002[15]規(guī)定的四點(diǎn)彎曲加載法進(jìn)行。每組配合比各做3 個(gè)100mm×100mm×400mm 試件。加載速度為0.05MPa/s,直至試樣斷裂。彎曲強(qiáng)度是三次測(cè)量的平均值。

2 數(shù)據(jù)計(jì)算處理

在本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段,采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析法:對(duì)某一檢驗(yàn)指標(biāo),確定各因素不同水平下指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值,記為k；計(jì)算各因素下的極差R,R 值越大,說明該因素對(duì)性能指標(biāo)的影響越大,反之亦然。

3 計(jì)算結(jié)果與比較

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3.1 抗彎強(qiáng)度分析

改性混凝土抗彎強(qiáng)度極差分析結(jié)果如表4 所示,由表可知:改性混凝土抗彎強(qiáng)度的影響因素的主次順序?yàn)?玄武巖纖維長(zhǎng)度＞橡膠顆粒粒徑＞玄武巖纖維直徑。其中玄武巖纖維長(zhǎng)度與橡膠顆粒粒徑對(duì)應(yīng)的極差相近且大于玄武巖纖維直徑的極差,說明玄武巖纖維長(zhǎng)度與橡膠顆粒粒徑對(duì)抗彎強(qiáng)度具有顯著影響。改性混凝土的抗彎強(qiáng)度越大越好,故選擇各因素中k 值最大的水平為最優(yōu)水平,即影響抗彎強(qiáng)度最優(yōu)組合為:玄武巖纖維長(zhǎng)度6mm,玄武巖纖維直徑17μm,橡膠顆粒粒徑10 目。

表4 抗彎強(qiáng)度極差分析結(jié)果

圖2 表明:(1)隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增大,改性混凝土抗彎強(qiáng)度先減小后增大。這是由于在混凝土內(nèi)部微觀處,長(zhǎng)度較短的玄武巖纖維均勻分布,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率和孔隙體積,而混凝土強(qiáng)度遵循與孔隙體積成反比的關(guān)系,從而混凝土強(qiáng)度較高；隨著長(zhǎng)度增加,纖維又阻隔了集料間的接觸與嵌擠,使得集料黏結(jié)作用和內(nèi)摩擦力大大降低,從而混凝土強(qiáng)度降低；而隨著纖維長(zhǎng)度繼續(xù)增大,由于其對(duì)混凝土基體的摩擦、粘結(jié)與拉拔作用表現(xiàn)出來,使得抗彎強(qiáng)度小幅度增加。(2)改性混凝土抗彎強(qiáng)度隨著橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大。這是因?yàn)樾×降南鹉z顆粒作為細(xì)集料可以填充大部分孔隙,從而混凝土強(qiáng)度較高；隨著粒徑增大,橡膠顆粒屬于憎水性合成有機(jī)材料,其密度較小且顆粒內(nèi)部含有空氣,故橡膠顆粒表面與無機(jī)膠凝材料和集料之間的粘結(jié)面薄弱,且在水中易上浮,在混凝土內(nèi)部形成軟弱點(diǎn),從而混凝土強(qiáng)度大大降低；粒徑繼續(xù)增大時(shí),橡膠顆粒自身彈性性能有所表現(xiàn),從而抗彎強(qiáng)度小幅度升高。(3)改性混凝土抗彎強(qiáng)度隨著玄武巖纖維直徑的增大先減小后增大,但總體變化不大,說明其影響作用微弱。

圖2 改性混凝土抗彎強(qiáng)度效應(yīng)曲線

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

改性混凝土抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果如表5 所示,由表可知:改性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素的主次順序?yàn)?橡膠顆粒粒徑＞玄武巖纖維長(zhǎng)度＞玄武巖纖維直徑。其中橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長(zhǎng)度的極差遠(yuǎn)大于玄武巖纖維直徑的極差,說明二者對(duì)改性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響起主導(dǎo)性作用?；炷量箟簭?qiáng)度越大越好,故選取各因素中k 值最大的水平為最優(yōu)水平,即最優(yōu)水平為:玄武巖纖維長(zhǎng)度6mm,玄武巖纖維直徑13μm,橡膠顆粒粒徑10 目。圖3 表明:(1)改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增大而顯著減小。這是因?yàn)殚L(zhǎng)度較短的玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部分布均勻,填充了大部分孔隙,降低了孔隙率及孔隙體積,而混凝土強(qiáng)度遵循與孔隙體積成反比的關(guān)系,從而混凝土強(qiáng)度較高；隨著長(zhǎng)度增加,纖維又阻隔了集料間的接觸與嵌擠,使得集料黏結(jié)作用和內(nèi)摩擦力大大降低,從而混凝土強(qiáng)度大大降低。(2)改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維直徑的增大而減小。這是因?yàn)樾≈睆嚼w維對(duì)于集料間的接觸與嵌擠作用影響較小,但隨著直徑的增大,玄武巖纖維對(duì)于集料膠結(jié)與嵌擠摩擦作用的阻隔大大增加,使得抗壓強(qiáng)度顯著降低。(3)改性混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大,總體呈下降趨勢(shì)。與對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響作用相同,橡膠顆粒作為部分細(xì)集料通過影響改性混凝土內(nèi)部的膠結(jié)作用即膠結(jié)點(diǎn)的數(shù)量來影響抗壓強(qiáng)度,橡膠顆粒粒徑越大,膠結(jié)點(diǎn)數(shù)量就越少,其抗壓強(qiáng)度就越低。

表5 抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

圖3 改性混凝土抗壓強(qiáng)度效應(yīng)曲線

3.3 坍落度分析

改性混凝土坍落度極差分析結(jié)果如表6 所示,由表可知:改性混凝土坍落度的影響因素的主次順序?yàn)?玄武巖纖維長(zhǎng)度＞玄武巖纖維直徑＞橡膠顆粒粒徑。其中玄武巖纖維長(zhǎng)度的極差遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)影響因素,故其是影響坍落度的主導(dǎo)因素。由于坍落度的大小對(duì)混凝土強(qiáng)度沒有直接關(guān)系,故不做最優(yōu)水平討論。

表6 坍落度極差分析結(jié)果

圖4 表明:(1)隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增大,坍落度先減小后增大,總體上呈上升趨勢(shì),變化較大,表明其為坍落度的主導(dǎo)因素。這是因?yàn)樾鋷r纖維作為外摻材料位于粗骨料之間,與包裹粗骨料的砂漿效果相似,細(xì)長(zhǎng)的纖維使得集料間的摩擦阻力減小,從而骨料之間的潤(rùn)滑作用增加, 有利于坍落度的發(fā)展。(2)隨著玄武巖纖維直徑的增大,坍落度先增大后降低,總體上呈下降趨勢(shì),但變化較小,表明其為坍落度的次要因素。這是因?yàn)樾鋷r纖維作為外摻材料,直徑越大時(shí),纖維長(zhǎng)細(xì)比減小,拌合時(shí)必定需要一部分砂漿進(jìn)行包裹,導(dǎo)致起潤(rùn)滑作用的漿體層減少,從而不利于坍落度的發(fā)展。(3)隨著橡膠顆粒粒徑的增大,坍落度先減小后增大,總體上變化不大,表明其對(duì)坍落度的影響不大。

圖4 改性混凝土坍落度效應(yīng)曲線

4 結(jié)論

4.1 綜合考慮抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度最佳水平的選擇后,改性混凝土力學(xué)性能的最優(yōu)水平可確定為:玄武巖纖維長(zhǎng)度為6mm,玄武巖纖維直徑13μm,橡膠粒徑10 目。

4.2 橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長(zhǎng)度是影響抗彎強(qiáng)度的重要因素,抗彎強(qiáng)度隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度與橡膠顆粒粒徑的增加先減小后增大。

4.3 影響抗壓強(qiáng)度的重要因素是橡膠顆粒粒徑與玄武巖纖維長(zhǎng)度,其中玄武巖纖維長(zhǎng)度與抗壓強(qiáng)度成反比,抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒粒徑的增大先減小后增大。

4.4 影響坍落度的主導(dǎo)因素為玄武巖纖維長(zhǎng)度,坍落度隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加先減小后增大。