玄武巖橡膠混凝土基本力學性能及受壓應力-應變曲線

姜天華,莫定聰,萬聰聰,盧旭剛,李素珠

(1.武漢科技大學城市建設學院,武漢 430065;2.武漢科技大學高性能工程結構研究院,武漢 430065;3.仙游縣建工投資集團有限公司,莆田 351200)

0 引 言

隨著汽車工業的不斷發展,我國報廢輪胎的數量逐年增多,2022年我國報廢輪胎的數量達到了1 228萬噸,對廢棄橡膠輪胎的回收再利用刻不容緩。傳統回收方法比較昂貴,且對環境污染較大。將報廢橡膠輪胎加工成橡膠顆粒,摻入混凝土制成橡膠混凝土,不僅節約成本,還符合綠色、環保要求。橡膠顆粒能填充混凝土孔隙,使結構優化,從而抑制裂縫的形成與發展,增強其抗開裂、抗沖擊和抗震性能。橡膠的加入可以使混凝土的應用效果得到顯著提升,但橡膠摻量過多時會使混凝土的力學性能降低[1-4]。因此,如何改善橡膠混凝土的力學性能需要進一步研究。

為改善橡膠混凝土力學性能,考慮向橡膠混凝土內摻入玄武巖纖維。玄武巖纖維是將玄武巖融化后,快速通過漏板拉成絲狀制成[5],其拉伸強度和彈性模量僅略低于碳纖維,明顯高于其他合成纖維[6],同時具有耐腐蝕、耐高溫及生產過程中對環境污染小等優點。于泳等[7]研究發現加入玄武巖纖維后混凝土抗沖擊性能增強。郭耀東等[8]研究發現玄武巖纖維能顯著提高混凝土的抗拉性能。Elshafie 等[9]研究表明當玄武巖纖維長度在 12～24 mm,體積摻量在 0.1%～0.5%時,能提升混凝土的力學性能。研究[10]表明,在玄武巖纖維和橡膠顆粒共同作用下,混凝土的孔徑分布得到有效改善,同時摻入適量玄武巖纖維能改善混凝土力學性能[11-12]。但目前對橡膠顆粒及玄武巖纖維交互耦合作用下對混凝土力學性能的影響及玄武巖橡膠混凝土應力-應變曲線研究較少。

基于玄武巖橡膠混凝土的基本力學性能,本文通過正交試驗設計開展抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度試驗,揭示了橡膠顆粒及玄武巖纖維交互耦合后對混凝土的影響規律,建立了玄武巖橡膠混凝土應力-應變曲線本構方程,旨為工程應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用湖北華新有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用連續級配碎石,粒徑為5～20 mm;細骨料采用天然中砂,細度模數為2.6;減水劑采用聚羧酸減水劑,減水率為 20%～25%;橡膠顆粒由廢棄輪胎經過機器粉碎等一系列流程制得,粒徑為0.85 mm,密度為1 100 kg·m-3;纖維采用上海臣啟化工科技有限公司生產的玄武巖纖維,玄武巖纖維各項性能指標如表1所示。

表1 玄武巖纖維各項性能指標Table 1 Various performance indicators of basalt fiber

1.2 配合比

參考國內外研究成果及相關規范要求[13-14],基于正交試驗設計原理,設計了9 組三因素三水平正交試驗,因素A橡膠顆粒摻量采用三種水平,分別為10%、15%和20%(體積分數);因素B玄武巖纖維摻量采用三種水平,分別為0.08%、0.10%和0.12%(體積分數);因素C玄武巖纖維長度采用三種水平,分別為6、12和18 mm。采用0.38的固定水膠比,玄武巖橡膠混凝土試件配合比如表2所示,同時設置相同水膠比的普通硅酸鹽混凝土試件作為對照組。

表2 玄武巖橡膠混凝土試件配合比Table 2 Mix proportion of basalt rubber concrete specimens

1.3 試件制備及加載方法

參照規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)制作邊長為100 mm的立方體試件用于抗壓和劈裂抗拉試驗,邊長為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件用于軸心抗壓試驗,邊長為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件用于抗折試驗。標養28 d后參照規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行基本力學性能測試。采用濟南試金集團生產型號WAW-1000 微機控制電液伺服萬能試驗機進行加載。

2 結果與討論

2.1 玄武巖橡膠混凝土試件破壞形態

各組玄武巖橡膠混凝土試件在相同試驗下破壞形態類似?？箟涸囼灱虞d初期,試件未產生明顯裂縫或表皮脫落。臨近峰值荷載時,試件表面有較明顯的裂縫產生,且裂縫出現由上下端位置開始向中部發展的趨勢,加載至極限荷載時表面的裂縫進一步擴展和連通,表皮翹起但并未脫落,在玄武巖纖維的約束作用下,試件的橫向膨脹被抑制,相對于普通硅酸鹽混凝土,玄武巖橡膠混凝土裂縫較多,但完整性較好,未出現大面積破壞崩裂現象。加載超過極限荷載之后,繼續加載數秒,試件表面因裂縫的完全擴張出現成片翹起,但無大面積脫落,試件少許表皮剝落或邊角破裂,無明顯壓縮變形,形態較為完整。棱柱體試件受壓破壞過程與立方體試件類似。

在劈裂抗拉試驗過程中,玄武巖纖維橡膠混凝土試件并未同普通硅酸鹽混凝土一樣完全斷裂,達到極限荷載時在劈裂面會形成一條貫穿裂縫,不同試件裂縫寬度不一但均未完全斷裂,且試件側面有延伸的裂縫形成。

在抗折試驗加載過程中,裂縫首先在試件底部形成,然后向上延伸。超過極限荷載后試件并未斷裂,且仍能承受一定的荷載,通過觀察破壞試件可以發現:玄武巖纖維的加入阻礙了裂縫的發展和延伸,使混凝土內部結構完整性較好,承載能力得到有效提升。玄武巖橡膠混凝土試件在抗壓試驗、軸心抗壓試驗、劈裂抗拉試驗及抗折試驗下的破壞形態如圖1所示。

圖1 玄武巖橡膠混凝土試件在抗壓試驗、軸心抗壓試驗、劈裂抗拉試驗及抗折試驗下的破壞形態Fig.1 Failure morphology of basalt rubber concrete specimens under compressive test, axial compressive test, splitting tensile test and flexural test

2.2 基本力學性能

玄武巖橡膠混凝土試件基本力學性能指標如表3所示。由表3可知:各組試件抗壓強度測試值為31.34～41.04 MPa,較對照組高出3.4%～35.4%;軸心抗壓強度為25.02～30.86 MPa,較對照組高出7.1%～32.1%;劈裂抗拉強度為2.96～3.65 MPa,較對照組高出24.9%～54.0%;抗折強度為4.81～6.02 MPa,較對照組高出8.8%～36.2%。直觀分析可得,C2組玄武巖橡膠混凝土試件的抗壓強度、軸心抗壓強度和抗折強度均達到最大值,分別為41.04、30.86和6.02 MPa;C3組玄武巖試件劈裂抗拉強度最大,為3.65 MPa,略大于C2組。綜上可知,C2組試件基本力學性能測試結果較優,其配合比為A1B2C2。

表3 玄武巖橡膠混凝土試件基本力學性能指標Table 3 Basic mechanical property indicators of basalt rubber concrete specimens

同時由表3可求得各因素對應水平下強度平均值,繪制出各因素對基本力學性能的影響趨勢,見圖2。當橡膠摻量由10%增加至20%時,玄武巖橡膠混凝土抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度分別降低了16.7%、14.0%、14.0%和13.5%,說明橡膠顆粒含量過多會導致混凝土力學性能下降;當玄武巖纖維摻量由0.08%增加至0.10%時,玄武巖橡膠混凝土抗壓、軸心抗壓、劈裂抗拉和抗折強度分別提高了11.0%、8.1%、6.7%和9.9%,當玄武巖纖維摻量由0.10%增加至0.12%時,玄武巖橡膠混凝土抗壓、軸心抗壓和抗折強度分別降低了2.8%、2.3%和1.8%,而劈裂抗拉強度提高了0.3%,說明適當的玄武巖纖維可以改善混凝土的力學性能;當玄武巖纖維長度由6 mm增加至18 mm時,玄武巖橡膠混凝土試件的抗壓強度、軸心抗壓強度和抗折強度分別提高了3.8%、4.8%、2.7%和3.5%,說明纖維長度增加可以改善混凝土力學性能,但改善幅度有限。

圖2 三因素水平變化對玄武巖橡膠混凝土試件力學性能的影響趨勢Fig.2 Influence trend of changes in the level of three factors on mechanical properties of basalt rubber concrete specimens

2.3 極差分析

對表3中玄武巖橡膠混凝土各項基本力學性能試驗數據進行極差分析,分析計算結果見表4。

表4 極差分析結果Table 4 Range analysis results

由表4可知,各因素對玄武巖橡膠混凝土基本力學性能影響大小依次為A>B>C,即橡膠顆粒摻量對基本力學性能影響最大,玄武巖纖維摻量次之,玄武巖纖維長度最小。

當測試結果為抗折強度時,相對于玄武巖纖維摻量,橡膠摻量極差值的增長最小,為玄武巖纖維摻量極差值的1.54倍;當測試結果為劈裂抗拉強度時,相對于玄武巖纖維長度,橡膠摻量極差值的增長最大,為玄武巖纖維長度極差值的5.44倍。玄武巖纖維摻量對玄武巖橡膠混凝土基本力學性能的影響較小,玄武巖纖維長度影響最小。當測試結果為軸心抗壓強度時,相對于玄武巖纖維長度,玄武巖纖維摻量極差值的增長最小,為玄武巖纖維長度極差值的1.67倍;當測試結果為抗壓強度時,相對于玄武巖纖維長度,玄武巖纖維摻量極差值的增長最大,為玄武巖纖維長度極差值的2.78倍。

2.4 方差分析

為了得到三個因素對玄武巖纖維橡膠混凝土力學性能的影響顯著度,降低由因素水平和誤差造成試驗結果的差異,進行了方差分析,結果見表5。

表5 方差分析結果Table 5 Variance analysis results

由表5可以看出,各因素的影響顯著度與極差分析一致,均為A>B>C。對于抗壓強度,A因素影響為顯著,B因素影響為略顯著,C因素影響不顯著。橡膠顆粒摻量貢獻率最大,為67.89%,是誤差貢獻率的12倍;玄武巖纖維摻量貢獻率其次,為23.37%,是誤差貢獻率的4.1倍;玄武巖纖維長度貢獻率最低,為3.1%,是誤差貢獻率的0.6倍。對于軸心抗壓強度,A因素影響為特別顯著,B因素影響為顯著,C因素影響為略顯著。橡膠顆粒摻量貢獻率最大,為72.72%,是誤差貢獻率的53.5倍;玄武巖纖維摻量貢獻率其次,為19.09%,是誤差貢獻率的14倍;玄武巖纖維長度貢獻率最低,為6.83%,是誤差貢獻率的5倍。對于劈裂抗拉強度,A因素影響為特別顯著,B因素影響為顯著,C因素影響為略顯著。橡膠顆粒摻量貢獻率最大,為73.47%,是誤差貢獻率的36倍;玄武巖纖維摻量貢獻率其次,為20.41%,是誤差貢獻率的10倍;玄武巖纖維長度貢獻率最低,為4.08%,是誤差貢獻率的2倍。對于抗折強度,A因素影響為顯著,B因素影響為略顯著,C因素影響不顯著。橡膠顆粒摻量貢獻率最大,為62.33%,是誤差貢獻率的11.4倍;玄武巖纖維摻量貢獻率其次,為28.77%,是誤差貢獻率的5.3倍;玄武巖纖維長度貢獻率最低,為3.42%,是誤差貢獻率的0.63倍。

2.5 影響因素可視化分析

為進一步探尋各因素之間的交互作用對玄武巖橡膠混凝土力學性能的影響,進行了可視化分析。同時由方差分析得出,橡膠顆粒摻量對力學性能影響均為顯著,玄武巖纖維摻量對力學性能影響其次,玄武巖纖維長度對力學性能影響均為不顯著,故不參與分析,因此考慮橡膠顆粒摻量及玄武巖纖維摻量的交互作用,繪制可視化分析圖,如圖3所示。

圖3 橡膠顆粒摻量和玄武巖纖維摻量對玄武巖橡膠混凝土試件力學性能的交互耦合影響Fig.3 Interactive coupling effects of rubber particle content and basalt fiber content on mechanical properties of basalt rubber concrete specimens

由圖3(a)可知,對于抗壓強度,當橡膠顆粒摻量為10%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強度先增加18.4%再減少5.1%。當橡膠顆粒摻量為15%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強度先增加10.8%再減少1.6%。當橡膠顆粒摻量為20%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強度先增加3.1%再減少1.4%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對立方體抗壓強度的增強效果。

由圖3(b)可知,對于軸心抗壓強度,當橡膠顆粒摻量為10%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強度先增加13.2%再減少1.8%。當橡膠顆粒摻量為15%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強度先增加8.6%再減少4.6%。當橡膠顆粒摻量為20%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強度先增加2.0%再減少0.1%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對軸心抗壓強度的增強效果。

由圖3(c)可知,對于劈裂抗拉強度,當橡膠顆粒摻量為10%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強度增加11.3%。當橡膠顆粒摻量為15%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強度增加8.4%。當橡膠顆粒摻量為20%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強度增加3.4%再減少1.6%,這表明混橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對劈裂抗拉強度的增強效果。

由圖3(d)可知,對于抗折強度,當橡膠顆粒摻量為10%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強度先增加16.0%再減少1.7%。當橡膠顆粒摻量為15%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強度先增加8.0%再減少1.3%。當橡膠顆粒摻量為20%時,隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強度先增加5.2%再減少2.2%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對軸心抗壓強度的增強效果。

2.6 應力-應變曲線及本構模型

為消除量綱不同帶來的問題,將玄武巖橡膠混凝土受壓應力-應變曲線進行無量綱處理,即將應力σ除以峰值應力σ0,應變ε除以峰值應變ε0,得到無量綱受壓應力-應變曲線,玄武巖橡膠混凝土試件的受壓應力-應變曲線擬合結果如圖4所示。由圖4可知,玄武巖橡膠混凝土的受壓應力-應變曲線類似于普通混凝土,因此參考過鎮海[15]提出的分段式函數,對受壓應力-應變曲線上升段及下降段分別擬合。

圖4 玄武巖橡膠混凝土試件的受壓應力-應變曲線擬合結果Fig.4 Fitting results of compressive stress-strain curves for basalt rubber concrete specimens

上升段:y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3

(1)

(2)

(3)

式中:a、b為相應參數,R2為擬合度,ess為回歸平方和,tss為總體平方和。

根據式(1)、(2)對各組混凝土受壓應力-應變曲線進行擬合,得到參數a、b及R2,如表6所示。

表6 玄武巖橡膠混凝土試件的本構方程參數取值Table 6 Parameter values of constitutive equation of basalt rubber concrete specimens

結果表明,對各組曲線進行擬合結果,每組R2均大于0.97,且擬合曲線與原曲線吻合程度較高,擬合效果好。

三因素不同水平下擬合參數值如表7所示,混凝土強度與曲線上升段參數成反比,與曲線下降段參數成正比。由表7可知:隨著橡膠摻量增加,a值增加,橡膠顆粒的加入使得混凝土結構強度降低,b值降低,表明在試件被破壞后,橡膠顆粒起到了增韌效果,明顯改善了混凝土脆性;隨著纖維摻量增加,a值先降低后增加,纖維有效地抑制了裂縫的擴張,應力的增加速度小于應變增加速度,纖維摻量過多后對結構繼續增強作用不顯著,b值先增加后小幅降低,纖維過多時,對混凝土變形能力有一定影響;隨著纖維長度增加,a值增加,纖維增強效果更加明顯,b值增加,較長的纖維在試件破裂時更能發揮其抗拉性能,減少一端被拉出的情況。綜合分析,A1B2C3配合比下的試件強度性能最優。

表7 三因素不同水平下擬合參數值Table 7 Fitting parameter values under different levels of three factors

3 結 論

1)玄武巖橡膠混凝土試件受壓破壞時為延性破壞,破壞時未出現大面積破壞崩裂現象,無明顯壓縮變形,形態較為完整。受拉及抗折破壞時會出現貫通性裂縫,并未同普通硅酸鹽混凝土試件一樣完全斷裂。

2)基于正交試驗極差分析與方差分析,對各項力學試驗結果,各因素的影響程度由高到低依次為橡膠顆粒摻量、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度,由可視化分析可知,橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對混凝土各項力學性能的增強效果,且當纖維摻量增加時,除劈裂抗拉強度持續增加外,其余力學強度先增加后減弱,纖維長度變化對各項力學強度的影響效果較低,綜合分析最佳配合比為A1B2C3,即橡膠體積摻量為10%,玄武巖纖維體積摻量為0.10%,玄武巖纖維長度為18 mm。

3)通過擬合得到了玄武巖橡膠混凝土受壓應力-應變曲線本構方程,進而為玄武巖橡膠混凝土在實際工程中的應用提供了理論參考。