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        納米纖維改性橡膠混凝土的性能試驗(yàn)*

        2023-10-07 09:13:42
        化學(xué)與粘合 2023年5期
        關(guān)鍵詞:立方體鋼纖維橡膠

        李 博

        (銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 銅川 727031)

        0 引言

        橡膠混凝土(Crumb Rubber Concrete,縮寫CRC)是將廢舊的輪胎磨成顆粒,然后按一定比例摻入混凝土之中,以取代傳統(tǒng)的粗骨料和細(xì)骨料的一種復(fù)合工程材料。通過這種方式,提高了廢舊橡膠利用率,解決了環(huán)境污染和當(dāng)前混凝土短缺的問題。同時(shí),橡膠混凝土具有抗沖擊性能強(qiáng)、低彈性模量和高韌性等特點(diǎn),但與粗細(xì)骨料相比,橡膠材料的加入?yún)s降低了混凝土的強(qiáng)度。因此,如何提高橡膠混凝土的強(qiáng)度,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前,針對(duì)橡膠混凝土的改性問題,主要的方法是使用硅粉、丁苯橡膠等進(jìn)行改性,以提高橡膠顆粒和水泥基材料的粘結(jié)強(qiáng)度[1-5];部分研究者提出引入納米SiO2對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行改性,從而填充水泥基材料中的孔隙[6-9]。而鋼纖維作為當(dāng)前傳統(tǒng)混凝土改性的一個(gè)重要方式,提高了橡膠混凝土的強(qiáng)度,但性能還有待進(jìn)一步提高。對(duì)此,本研究提出在傳統(tǒng)鋼纖維改性基礎(chǔ)上,嘗試加入納米SiO2,以探討改性后的混凝土性能。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)原材料

        鋼纖維(切斷弓形,上海貝卡爾特);硅酸鹽水泥(P.O 42.5,宜賓珙縣特種水泥);橡膠顆粒(1~2 mm,河北歐尚塑膠);粗骨料(5~20 mm,鄭州康輝耐材);細(xì)骨料(細(xì)度模數(shù)2.7,鄭州康輝耐材);納米SiO2(純度99%,江蘇無錫秦鵬金屬材料);萘系高效減水劑(工業(yè)純,濟(jì)南萬山集團(tuán))。

        1.2 試驗(yàn)方案

        1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

        根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38:2004)、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)標(biāo)準(zhǔn),本試驗(yàn)基于假定表觀密度法來確定改性橡膠混凝土的配合比。具體則是根據(jù)混合物的假定表觀密度計(jì)算出各組分的用量及單位用水量,其中納米SiO2用等質(zhì)量取代水泥的方式,取代率控制在1%、2%;橡膠顆粒用等量體積取代細(xì)骨料,取代率控制在5%(50 kg/m3),鋼纖維摻入體積率控制在0%、0.5%、1%、1.5%,若鋼纖維體積率提高0.5%,則每立方混凝土增加39 kg 鋼纖維,減水劑用量控制在水泥質(zhì)量的1%??紤]到試驗(yàn)是為探究納米SiO2和鋼纖維對(duì)于橡膠混凝土性能的影響效果,因此以C45 強(qiáng)度等級(jí)的橡膠混凝土作為研究對(duì)象,其配合比如表1 所示。

        表1 橡膠混凝土配合比(kg/m3)Table 1 The mix ratio of rubber concrete (kg/m3)

        1.2.2 試件制備

        以《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)為標(biāo)準(zhǔn),制備尺寸大小150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件進(jìn)行抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度測試;加工尺寸大小為150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試件用于軸心抗壓強(qiáng)度測試。

        1.2.3 粘結(jié)試件設(shè)計(jì)

        本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的中心拉拔粘結(jié)試件如圖1 所示。

        圖1 粘結(jié)試件Fig. 1 The bonding test piece

        本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的粘結(jié)試件為尺寸大小是150 mm×150 mm×150 mm 的立方體,其粘結(jié)錨固長度是48 mm,為了檢驗(yàn)保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響,另設(shè)計(jì)了尺寸大小是100 mm×100 mm×100 mm以及200 mm×200 mm×200 mm 的粘結(jié)試件。試件的中間位置是鋼筋與混凝土的粘結(jié)段,粘結(jié)段的左右兩端等長距離即為非粘結(jié)段,該段是利用φ20 mm PVC 管將鋼筋與混凝土進(jìn)行分離的,以避免在加載過程中端部鋼筋與混凝土表層發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

        1.2.4 粘結(jié)試件加載裝置

        粘結(jié)試件加載裝置選用上海三思公司的微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)最高可實(shí)現(xiàn)600 kN的拉壓力度,具體如圖2 所示。

        圖2 粘結(jié)試件加載裝置及測點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 The schematic diagram of loading device and measuring point arrangement of bonding test piece

        1.2.5 粘結(jié)試件的加載制度

        參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS13:89)標(biāo)準(zhǔn),本試驗(yàn)通過位移控制加載方式測定粘結(jié)試件的位移。其中,加載速率為0.3 mm/min。位移加載前,首先預(yù)加載至1 kN,以使得試件充分接觸反力架下部鋼板,然后手動(dòng)卸載至0 kN。當(dāng)自由端位移量大于25 mm 或者試件遭遇破壞時(shí),即終止位移加載。

        1.2.6 粘結(jié)試件的采集裝置

        在本次試驗(yàn)中,粘結(jié)試件的采集裝置包括DH3816 采集箱、輪輻式壓力傳感器(量程200 kN)、YHD-50 型位移傳感器(量程50 mm)、特制交流電轉(zhuǎn)直流電變壓器,具體如圖3(a)~(b)所示。

        圖3 粘結(jié)試件采集裝置Fig.3 The collection device of bonding test piece

        在準(zhǔn)備階段,首先利用網(wǎng)線將DH3816 連通于PC,然后調(diào)試位移計(jì)以1/2 橋的方式連通于采集箱的采集通道,之后將壓力傳感器的電源線接入特制交流電轉(zhuǎn)直流電變壓器,并且調(diào)試壓力傳感器以全橋方式連通于采集箱,最后將應(yīng)變片以1/4 橋的方式連接于采集箱的采集通道。此外,本次試驗(yàn)采集頻率為1 Hz。

        1.3 性能測試

        1.3.1 粘結(jié)試件的量測內(nèi)容

        DH3816 采集箱的內(nèi)置軟件能夠自動(dòng)采集所需量測內(nèi)容,具體包括:

        (1)由輪輻式傳感器監(jiān)測的鋼筋拉拔力,同時(shí)由人工登記鋼筋的極限拉拔力。

        (2)在逐步提高荷載的過程中,持續(xù)采集鋼筋粘結(jié)段各測點(diǎn)的應(yīng)變值。

        (3)鋼筋自由端和加載端的位移值,算式如下:

        自由端滑移值:

        加載端滑移值:

        其中,Sf、Sl分別表示自由端、加載端的滑移均值;S1和S2、S3和S4分別表示自由端左右兩側(cè)、加載端左右兩側(cè)的位移值;FL/EA 指的是載荷作用下加載端鋼筋的變形程度;F 是鋼筋所受外力,L 是端部混凝土與試驗(yàn)機(jī)鉗口的間距;E 是鋼筋的彈性模量;A 是鋼筋的截面面積。

        1.3.2 立方體抗壓強(qiáng)度測試

        為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本次試驗(yàn)利用同組中3 個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的均值作為該組的立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果。SFNS-CRC 立方體抗壓強(qiáng)度算式如下:

        其中,fcu指的是SFNS-CRC 立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);s 指的是試件受壓面積(mm2);Q 指的是峰值荷載(N)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 鋼纖維和納米SiO2 對(duì)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

        經(jīng)過鋼纖維和納米SiO2改性后的抗壓強(qiáng)度如圖4 所示。

        圖4 鋼纖維體積率以及納米SiO2 摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 4 The effect of steel fiber volume fraction and nano-SiO2 content on the compressive strength

        通過圖4(a)分析可知,隨著鋼纖維體積率的增大,C45 級(jí)的抗壓強(qiáng)度值均同步增大。相較于基準(zhǔn)CRC 來說,在鋼纖維體積率以0.5%的梯度從0%遞增至1.5%的過程中,其立方體抗壓強(qiáng)度依次增大了2.67 MPa、4.08 MPa 和5.47 MPa,所對(duì)應(yīng)的增幅依次是5.43%、8.3%和11.13%。可見,摻入一定體積率的鋼纖維,能夠增大改性CRC 的立方體抗壓強(qiáng)度。但因鋼纖維的成本較高,所以不能無限制提高鋼纖維體積率來增強(qiáng)CRC 的立方體抗壓強(qiáng)度。

        通過圖4(b)分析可知,隨著納米SiO2摻量的增大,抗壓強(qiáng)度值增大,但納米SiO2對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果卻不及鋼纖維。相較于SF0 來說,當(dāng)納米SiO2摻量分別是1%、2%時(shí),其立方體抗壓強(qiáng)度依次增大了6.1 MPa、6.87 MPa,所對(duì)應(yīng)的增幅依次是12.41%、13.98%,相較于SF1 來說,當(dāng)納米SiO2摻量分別是1%、2%時(shí),其抗壓強(qiáng)度依次增大了2.02 MPa、2.79 MPa,所對(duì)應(yīng)的增幅依次是3.79%、5.24%??梢姡瑩饺胍欢康募{米SiO2能夠提高改性CRC 的立方體抗壓強(qiáng)度,且當(dāng)納米SiO2摻量等于1%時(shí),改性CRC立方體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為顯著。

        綜上,設(shè)定鋼纖維體積率1 %、納米SiO2摻量1%時(shí),對(duì)于SFNS-CRC 的改性效果達(dá)到較優(yōu)水平。

        2.2 鋼纖維納米改性橡膠混凝土劈裂抗拉性能

        為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)的標(biāo)準(zhǔn),利用同組中3 個(gè)試件劈裂抗拉的均值作為劈裂抗拉結(jié)果。劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為[10-12]:

        其中,fts為SFNS-CRC 的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度值,MPa;s 為試件受壓面積,mm2;Q 為峰值荷載,N。

        2.2.1 鋼纖維和納米SiO2對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

        鋼纖維體積率與納米SiO2摻量對(duì)立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖5 所示。

        圖5 鋼纖維體積率以及納米SiO2 摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 5 The effect of steel fiber volume fraction and nano-SiO2 content on the splitting tensile strength

        (1)鋼纖維體積率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

        據(jù)圖5(a)分析,隨著鋼纖維體積率的遞增,試件劈裂抗拉強(qiáng)度值逐漸增大。如相較于基準(zhǔn)CRC 來說,當(dāng)鋼纖維體積率依次是0.5%、1%和1.5%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度值依次提高了0.29 MPa、1.04 MPa 和1.16 MPa,相應(yīng)地增幅依次是6.97%、25%和27.88%??梢姡?dāng)鋼纖維體積率從0.5%增大到1%時(shí),立方體劈裂抗拉強(qiáng)度值的增幅最大,這就說明了當(dāng)鋼纖維摻入量為1%時(shí)能夠起到較佳的改性效果。

        (2)納米SiO2摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

        據(jù)圖5(b)分析,對(duì)于僅摻入體積率1%鋼纖維的SFNS-CRC 來說,相較于SF1 試件的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度,SFINS1 和SF1NS2 試件的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度依次增大了0.21 MPa、0.34 MPa,相應(yīng)地增幅依次是4.04%、6.54%。相較于SF0 試件的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度,SFINS1 和SF1NS2 試件的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度依次增大了1.25 MPa、1.38 MPa,相應(yīng)地增幅依次是30.05%、33.17%。可見,對(duì)SFNS-CRC 來說,其劈裂抗拉強(qiáng)度隨著納米SiO2摻量的增加而增大。但大量的研究表明,摻入大量納米SiO2會(huì)導(dǎo)致坍落度減小,使得試件振搗疏松,無法緊固內(nèi)部的鋼纖維,從而表現(xiàn)為劈裂抗拉強(qiáng)度走低。

        綜上,向CRC 中摻入體積率1%的鋼纖維和摻量1%的納米SiO2能夠有效提高其劈裂抗拉強(qiáng)度。

        2.3 初始粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CESC13:2009)的標(biāo)準(zhǔn),初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式為[13-14]:

        其中,F(xiàn)u表示鋼筋受到的極限拉拔力;F0.02表示自由端滑移等于0.02 mm 時(shí)鋼筋受到的拉拔力;la表示錨固長度;d 表示鋼筋直徑。

        2.3.1 鋼纖維體積率對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度以及自由端滑移的影響

        鋼纖維體積率對(duì)C45 級(jí)改性CRC 粘結(jié)性能的影響效果如圖6 所示。

        圖6 鋼纖維體積率對(duì)粘結(jié)性能的影響Fig. 6 The effect of steel fiber volume fraction on the bonding performance

        據(jù)圖6 分析,相較于基準(zhǔn)橡膠混凝土粘結(jié)試件來說,當(dāng)鋼纖維體積率為0.5%時(shí),其自由端滑移值在初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度條件下為0.73 mm;繼續(xù)增大鋼纖維體積率至1%,其自由端滑移值在初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度條件下為0.878 mm;繼續(xù)增大鋼纖維體積率至1.5%,其自由端滑移值在初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度條件下為0.77 mm。另外,當(dāng)鋼纖維體積率增大至1.5%時(shí),C45 級(jí)改性CRC 粘結(jié)試件的自由端滑移值在初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度條件下有所回落,究其成因,當(dāng)向CRC 中摻入過多鋼纖維后,拌合物攪拌困難,導(dǎo)致改性CRC 粘結(jié)試件中滋生了許多孔隙、空洞,由此造成改性CRC 粘結(jié)試件的粘結(jié)強(qiáng)度降低,表現(xiàn)為試件自由端滑移值有所下降。

        2.3.2 不同基體強(qiáng)度下納米SiO2摻量對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度以及自由端滑移的影響

        納米SiO2摻量對(duì)C45 級(jí)改性CRC 粘結(jié)性能的影響效果如圖7 所示。

        圖7 納米SiO2 摻量對(duì)粘結(jié)性能的影響Fig. 7 The effect of nano-SiO2 content on the bonding performance

        據(jù)圖7 分析,當(dāng)不斷增大納米SiO2摻量時(shí),其初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度均表現(xiàn)為增大的態(tài)勢。與鋼纖維改性橡膠混凝土粘結(jié)試件作比較,向改性CRC 中摻入摻量1%的納米SiO2后,其初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度分別增加了0.395 MPa、2.176 MPa;繼續(xù)增大納米SiO2摻量至2%后,其初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度則減少??梢?,一定摻量的納米SiO2能夠顯著增大其粘結(jié)強(qiáng)度。

        3 結(jié) 語

        通過上述的研究,摻入一定量的鋼纖維和納米二氧化硅可顯著提高橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度,且兩者的摻量都在1%時(shí)最佳。而當(dāng)摻入的鋼纖維在1%時(shí),得到自由端滑移值在初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度增大了0.878 mm,比納米SiO2的影響大。

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