橡膠粉改性橋梁復合材料(SFRC)的力學性能測試研究

楊 冰

(云南交投集團云嶺建設有限公司,云南 昆明 650000)

在橋梁等工程領域,受到特殊環境的影響,混凝土材料常面臨受力復雜性等問題,因此,提升橋梁混凝土的強度、韌性、耐久性等性能,成為學術和工程界的研究重點之一?；诖?許多學者進行了研究。例如,為增加橋梁混凝土的韌性以及阻裂效果,在材料中加入不同體積摻量的玄武巖纖維進行改性,然后研究改性橋梁混凝土的性能[1]。而通過在混凝土中添加水性環氧樹脂進行改性,并研究橋梁混凝土性能[2]。采用再生骨料強化處理技術,同時在混凝土中摻入礦渣微粉進行改性,制備了一種橋梁混凝土[3]。以上學者的研究都為橋梁混凝土改性提供了思考方向?？紤]到橋梁工程中混凝土常面臨復雜的受力環境,重載沖擊、壓力等作用,試驗通過橡膠粉對普通鋼纖維橋梁混凝土進行改性,并對其力學性能進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:P·O42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料中砂;粗骨料碎石;鋼纖維;橡膠粉;PC-1009型聚羧酸減水劑。

主要設備:WD-300型立式攪拌桶;HZJ-1型振動臺;JITAI-S10KN型電子多功能試驗機;DYE-2000型壓力試驗機;HD-400型沖擊試驗機;RD1020型電子天平。

1.2 試驗方法

1.2.1配合比設計

為制備高強度的橋梁工程用鋼纖維混凝土(SFRC),試驗通過加入不同摻量的橡膠粉,對普通鋼纖維混凝土進行改性,其中,鋼纖維體積摻量固定為6%,具體配合比設計如表1所示[4-5]。

表1 配合比設計

1.2.2試件的制備

(1)根據表1中的配合比設計,用電子天平稱取適量的原材料,在攪拌機中先加入少量的水、水泥、中砂以及碎石,進行攪拌處理1 min;

(2)繼續在攪拌機中加入部分水、水泥、中砂以及碎石,設置攪拌時間為2 min,并在攪拌過程中逐漸加入鋼纖維;

(3)在攪拌機中加入剩下的水、水泥、中砂、碎石和適量減水劑,攪拌時間為2 min。并在攪拌過程中,緩慢加入適量的橡膠粉,繼續攪拌2 min混合均勻,獲得混凝土砂石漿;

(4)準備好立方體模具,在其中倒入模具高一半的混凝土砂石漿,然后在振動臺上振動處理2 min,再向立方體模具中倒入剩下一半混凝土砂石漿,之后繼續在振動臺上振動處理2 min,將攪拌等過程中砂石漿內部的氣泡排出;

(5)用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料,然后用塑料薄膜對混凝土試件進行密封處理;

(6)將試件放置在養護室內進行養護,養護時間為24 h,然后脫模,在室溫環境下繼續養護一定時間,最后貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1抗折強度測試

通過萬能試驗機對試件進行抗折試驗,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,抗折強度具體計算公式[6]:

(1)

式中:ff為抗折強度,MPa;F為破壞荷載,N;L為試驗支架間跨度,mm;b為試件截面寬度,mm;h為試件截面高度,mm。

1.3.2抗壓強度測試

通過壓力機以5 kN/min的位移加載速度,對試件進行抗壓試驗,其中,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,抗壓強度具體計算公式[7]:

(2)

式中:fc為抗壓強度,MPa;F為破壞荷載,N;A為承壓面積,mm2。

1.3.3沖擊韌性試驗

在試件上用一個PVC直管固定位置,然后將一個實心鉛球從PVC管內部從高處自由落體,對試件進行沖擊,分析試件的沖擊韌性,其中,沖擊能量的具體計算公式[8]:

w=N·m·g·h

(3)

式中:w為沖擊能量;N為試件被破壞時的沖擊次數;m為實心鉛球的質量;h為自由落體高度;g為重力加速度,9.8 m/s2。

1.3.4彈性模量

通過靜態應變儀對試件進行彈性模量測試。

1.3.5斷裂試驗

通過試驗機對試件進行斷裂試驗,分析其斷裂韌性。

2 結果與分析

2.1 抗折強度分析

圖1為在不同橡膠粉摻量下,養護7、28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的抗折試驗結果。

圖1 試件抗折強度

由圖1可知,當SFRC中橡膠粉的摻量增多時,其抗折強度呈現先緩慢上升,然后迅速降低的情況。當SFRC中未摻入橡膠粉時,其養護7、28 d的抗折強度分別是5.61、8.26 MPa。這表明,早期的SFRC試件,就具備一定的抗折強度。當SFRC中摻入的橡膠粉為6%時,其抗折強度上升至最大值,養護7 d時為6.92 MPa;養護28 d時為9.64 MPa;對比空白SFRC試件,增幅分別為23.35%、16.71%。當SFRC中摻入的橡膠粉為10%時,SFRC的抗折強度最低,養護7、28 d時分別為4.95、7.95 MPa,對比最大臨界值降幅分別為28.47%、17.53%。

綜上,當摻入6%橡膠粉進行改性時,SFRC的抗折強度最高。

2.2 抗壓強度分析

圖2為在不同橡膠粉摻量下,養護7、28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的抗壓試驗結果。

圖2 試件抗壓強度

由圖2可知,當在SFRC中摻入的橡膠粉增多,SFRC的抗壓強度呈現下降的趨勢。當SFRC中未摻入橡膠粉時,養護7、28 d時的SFRC抗壓強度分別為27.82、40.23 MPa,這表明,在早期的SFRC就具備良好的抗壓強度;此后,隨著材料中橡膠粉摻量的增多,抗壓強度開始下降,對于養護28 d的SFRC試件,當橡膠粉摻量從6%增至8%時,抗壓強度下降較多,從33.64 MPa降至27.21 MPa,降幅為19.11%;當橡膠粉摻量為10%時,抗壓強度最小,養護7、28 d時分別為18.56、25.76 MPa,對比未添加橡膠粉的SFRC試件降幅分別為33.29%、35.97%。這表明,在SFRC中摻入橡膠粉會使材料的抗壓強度降低。

2.3 沖擊韌性分析

圖3為在不同橡膠粉摻量下,養護28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)在被沖擊破壞時,試件的平均吸收能力情況。

圖3 試件沖擊韌性分析

由圖3可知,隨著SFRC中橡膠粉摻量的增多,SFRC試件的沖擊能量呈現先逐漸增大,然后降低的現象。當SFRC中未添加橡膠粉進行改性時,SFRC的沖擊能量為2 263.54 J;當SFRC中添加2%的橡膠粉時,SFRC的沖擊能量增至3 046.51 J,增幅較小;當在SFRC中摻入6%的橡膠粉時,材料的沖擊能量最大,為12 451.22 J,對比未添加橡膠粉的SFRC試件增加了10 187.68 J,增幅達到450%。當SFRC中的橡膠粉摻量繼續增加時,SFRC的沖擊能量反而出現降低的情況,當橡膠粉摻量為10%時,沖擊能量降至2 366.85 J,這與未添加橡膠粉的SFRC試件相差不大。綜上,當摻入的橡膠粉為6%時,SFRC試件的沖擊韌性較好。

2.4 彈性模量分析

圖4為在不同橡膠粉摻量下,養護28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的彈性模量情況。

圖4 試件彈性模量

由圖4可知,當SFRC中的橡膠粉摻量增多時,材料的彈性模量基本上呈現下降的變化,但變化較小。對于未添加橡膠粉的SFRC試件,其彈性模量為28.65 GPa;當在SFRC試件中加入2%的橡膠粉時,SFRC的彈性模量降低為28.26 GPa,對比未添加橡膠粉的SFRC試件,僅下降了0.36 GPa,降低程度過小;而當SFRC試件中加入10%的橡膠粉時,材料的彈性模量最小為26.51 GPa,與未添加橡膠粉的SFRC試件相比,也僅僅下降了2.14 GPa,降幅為7.47%。這表明,在SFRC中摻入橡膠粉,對材料的彈性模量影響程度較小。

綜上,在SFRC中摻入橡膠粉時,SFRC的彈性模量變化不大,SFRC的韌性良好。

2.5 斷裂韌度分析

圖5為在不同橡膠粉摻量下,養護28 d的鋼纖維混凝土(SFRC)的斷裂韌度情況。

圖5 試件斷裂韌度

由圖5可知,當SFRC中的橡膠粉摻量增多時,材料的斷裂韌度呈現先緩慢上升,后迅速降低的現象。對于未添加橡膠粉的SFRC試件,其斷裂韌度為323.15 kN/m;隨著SFRC中橡膠粉摻量增加,試件的斷裂韌度開始緩慢上升,當在SFRC中加入6%的橡膠粉時,斷裂韌度升至最大值為432.15 kN/m,這與未添加橡膠粉的SFRC試件相比,上升的幅度為33.74%。但隨著SFRC中橡膠粉摻量繼續增多,SFRC的斷裂韌度開始迅速下降,當橡膠粉摻量達到10%時,材料的斷裂韌度降至251.78 kN/m,這比未添加橡膠粉的SFRC試件都要低。

綜合分析可知,當在SFRC中摻入橡膠粉時,橡膠顆粒的彈性較好,并且不容易和混凝土中的其他基體材料發生反應,因此,在SFRC材料基體中,橡膠顆?？梢苑€定其物理狀態。當材料受到外力作用,內部開始萌生斷裂裂紋時,在裂紋尖端處會產生應力集中效應,但由于橡膠顆粒的彈性模量小低于SFRC基體材料,在裂紋尖端處的橡膠顆粒會發生變形,在材料局部形成塑性形變,使得裂紋尖端的應力集中情況減弱,因此,在一定程度上緩解SFRC內部裂紋的延伸、擴展,所以,材料的斷裂韌度增高;但是,過多的橡膠粉摻入SFRC中,會形成團聚效應,在降低材料密實度的同時,也使材料內部出現一些孔隙等缺陷,因此,材料性能降低,斷裂韌度下降明顯[18-20]。

綜上,當摻入的橡膠粉為6%時,SFRC試件的斷裂韌度情況良好。

3 結語

(1)在SFRC中摻入橡膠粉時,SFRC的抗折強度、沖擊韌性以及斷裂韌度均出現先增加后減小的變化,而抗壓強度、彈性模量則呈現降低的趨勢;

(2)當在SFRC中摻入6%的橡膠粉時,養護28 d的SFRC的抗折強度、沖擊韌性以及斷裂韌度最高,分別為9.64 MPa、12 451.22 J、432.18 kN/m,抗壓強度為33.64 MPa,彈性模量為27.13 GPa;

(3)本試驗制備的橡膠改性鋼纖維混凝土,綜合性能良好,可以作為橋梁工程中的鋪裝材料使用。