橡胶粉对聚丙烯纤维混凝土力学性能和 微观结构的影响

莫金旭, 曾 磊, 郭 帆, 刘焱华, 项 胜

(长江大学 城市建设学院, 湖北 荆州 434023)

地震和极端环境作用所引起的振动,会导致建筑结构或构件的损伤甚至失效.目前,实际工程中多采用隔震、附设阻尼器等方法实现结构振动控制,但忽视了建筑材料自身阻尼耗能的能力提升.比较而言,采用高阻尼建筑材料,能够避免隔震减震设备安装带来的不便,具有更加广泛的现实意义[1-3].

相关研究表明：聚丙烯纤维混凝土(polypropylene fiber concrete,PFC)具有自重轻、韧性好、阻裂性好、耐腐蚀等优点,在大量工程中得到了广泛应用[4-5].国内外对PFC的研究,主要集中于基本力学性能[6-8]、冲击性能[9]、冻融循环作用下力学性能[10]、高温损伤机理等[11],对工程抗震所关注的阻尼耗能性能研究相对较少.橡胶作为一种黏弹性材料,将其加工成粉末掺入混凝土中,预期能够有效提高混凝土的阻尼性能,减小结构或构件的振动[12-13].目前,对橡胶混凝土的研究集中于单一掺入橡胶粉的混凝土力学性能研究[14-17],多种掺料条件下混凝土力学性能、微观结构的研究则较少,特别是对阻尼提高机理的研究较少.

本文采用复掺橡胶粉、聚丙烯纤维的技术途径来提高混凝土材料阻尼性能,通过轴心抗压试验、自由衰减振动试验和扫描电子显微镜(SEM)分析研究了外掺橡胶粉对PFC力学性能和微观结构的影响,以期为外掺橡胶粉的PFC机理研究和工程应用提供参考.

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料为碎石,最大粒径为20mm;细骨料为天然河砂,砂率(质量分数,文中涉及的砂率、水灰比等除特别说明外均为质量分数或质量比)为0.4;水为标准饮用水,符合国家标准;外加剂为SBTJM®-A萘系高效减水剂;微硅粉粒径为115μm(125目),SiO2含量为95%;橡胶粉为废旧轮胎加工,粒径为380μm(40目);纤维为束装单丝聚丙烯纤维,长度为6mm,具体性能指标见表1.

表1 聚丙烯纤维性能Table 1 Properties of polypropylene fiber

1.2 混凝土配合比及生产工艺

混凝土目标强度等级为C30,m(水泥)∶m(微硅粉)∶m(河砂)∶m(碎石)=1.00∶0.10∶1.92∶2.88,水灰比mW/mC=0.6.各配合比编号及相应的纤维、橡胶粉掺量如表2所示,其中百分比指的是掺料占胶凝材料质量的百分比.聚丙烯纤维采用外掺法,为了确保聚丙烯纤维在混凝土中均匀分散,采用如下工艺：首先将粗骨料洗净晾干、细骨料筛分备用;然后将水泥和聚丙烯纤维按比例称量后放入强制式搅拌机内搅拌,使水泥和聚丙烯纤维充分搅拌均匀,无明显可见成团现象即可,再依次投入橡胶粉、微硅粉、细骨料、粗骨料、水、减水剂搅拌均匀;最后将搅拌好的混凝土倒入模具中,放置在振动台上振捣均匀并在标准条件下养护.

表2 试件配合比Table 2 Mix proportions of specimens

1.3 试件设计及测量方法

图1 横、纵向应变片Fig.1 Transverse and longitudinal strain gauges

图2 悬臂梁配筋及锤击振动示意图Fig.2 Schematic diagram of cantilever beam reinforcement and hammering vibration(size:mm)

每个配合比均设计9个试件,包括3个尺寸为150mm×150mm×150mm的试件用于立方体抗压试验,3个尺寸为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件用于轴心抗压试验,3根尺寸为80mm×80mm×1000mm的悬臂梁试件用于自由衰减振动试验,共计90个.每个棱柱体试件,均粘贴横、纵向应变片(见图1).悬臂梁试件截面如图2所示,四角布置4根直径为6mm的纵筋,箍筋为间距200mm,直径为6mm,钢筋均为HPB235级别.混凝土工作性能试验参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行,力学性能试验参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,在100t液压伺服压力机上进行,采用位移控制加载,加载速率为0.02mm/s.

2 试验结果及分析

2.1 工作性能

图3为混凝土拌和物坍落度.由图3可见：(1)聚丙烯纤维掺量由0.4%增加至1.5%,拌和物坍落度降低约20%.主要原因在于聚丙烯纤维在拌和物中形成了网状结构,导致摩擦阻力和剪切力增加;另一方面,部分自由水吸附在纤维上,使得拌和物浆体中自由水减少,致使拌和物流动性降低.(2)聚丙烯纤维掺量相同的情况下,掺入橡胶粉后拌和物坍落度降低约20%,主要原因在于橡胶粉的黏弹性和孔隙吸水作用,影响了骨料在拌和物中的流动和沉降.

图3 不同掺料对混凝土拌和物坍落度的影响Fig.3 Effect of different admixtures on slump of concrete

2.2 立方体抗压试验

将标准养护28d的立方体试件进行连续均匀加荷,测得其抗压强度fc(见图4).由图4可见：(1)聚丙烯纤维掺量由0.4%增加至0.8%时,fc下降较为平缓,下降约2.1%;掺量由0.8%增加至1.2%时,fc下降约20.8%;掺量由1.2%增加至1.5%时,fc提高约6.5%.综上分析,聚丙烯纤维对于fc的影响并不明显,这一结论与文献[18]一致.(2)掺入橡胶粉后,不同聚丙烯纤维掺量fc变化趋势相同,都下降了16%～25%.产生上述现象的原因在于：(1)聚丙烯纤维在混凝土中的分散程度影响了混凝土的密实性,减弱了骨料与浆体之间的黏结力,导致立方体抗压强度不稳定.(2)橡胶颗粒分散在骨料与浆体之间,影响了骨料与浆体的黏结性能,导致立方体抗压强度下降.

图4 橡胶粉对试件立方体抗压强度的影响Fig.4 Effect of rubber powder on cubic compressive strength of specimens

图5为试件破坏时裂缝处聚丙烯纤维的状态.可以看出,随着聚丙烯纤维的增加,裂缝处聚丙烯纤维承担了部分拉应力,限制了裂缝的开展,试件裂缝宽度减小,且多条裂缝贯通现象明显减少.

图5 试件破坏时裂缝处纤维受力状态Fig.5 Fiber stress state at the crack of specimen at the time of failure

2.3 棱柱体轴心抗压试验

2.3.1破坏形态

在试件加载初期,试件表面无明显可见微裂缝;荷载逐渐增大,试件表面出现少许微裂缝,此时分散的微裂缝处于稳定状态且未出现贯通裂缝;荷载增大至峰值荷载的85%时,微裂缝宽度和数量急剧增加,微裂缝贯通形成通缝,但是由于聚丙烯纤维的存在,限制了宽度的发展,裂缝宽度很小;增大至峰值荷载后,裂缝迅速贯通形成较大通缝.棱柱体试件破坏过程中,各试件破坏过程大致相同,但裂缝宽度有明显区别.部分试件破坏形态如图6所示.

图6 棱柱体试件受压破坏形态Fig.6 Failure mode of prismatic specimen under compression

2.3.2应力-应变曲线

图7为PFC应力-应变(σ-ε)曲线,表3列出了各组配合比试件峰值应变(εc)和峰值应力(σc)值,其中PFC-1组由于试验失误，只采集到2条曲线.综合分析可知：(1)与普通混凝土应力-应变曲线相比,PFC应力-应变曲线下降段更加平缓,残余强度更大,延性更好.(2)随着聚丙烯纤维掺量的增加,PFC峰值应变增加.掺量在0.4%～1.0%时,峰值应变增长5%左右,当掺量大于1.0%后,峰值应变增长在2%左右.主要是因为聚丙烯纤维在混凝土中有效抑制裂缝的开展、承担部分拉应力,使得混凝土自身变形能力增强、塑性能力提高.(3)掺入橡胶粉后,PFC峰值应力降低18%左右,峰值应变增加17%左右.主要因为橡胶粉作为一种弹性单元存在于骨料与浆体之间,因为橡胶粉没有参与水化反应,没有形成密实的黏结界面,所以导致峰值应力下降.但是在加荷过程中橡胶颗粒通过自身的收缩和膨胀吸收部分能量,增大了混凝土变形能力,提高了混凝土延性.

图7 不同配合比下标准龄期试件应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of standard age specimens at different mix proportion

表3 标准龄期棱柱体试件峰值应变和峰值应力Table 3 Peak strain and peak stress of standard age prismatic specimen

2.3.3无量纲化PFC应力-应变曲线

对实测PFC应力-应变曲线进行无量纲化处理,横坐标用ε/εc表示,纵坐标用σ/σc表示,结果如图8所示.由图8可见：各试件的上升段基本一致,但峰值应力后的下降段离散性较大.与普通混凝土相比,双掺聚丙烯纤维和橡胶粉后混凝土应力-应变曲线的下降段较为平缓,说明聚丙烯纤维能在一定程度上抑制混凝土裂缝的开展,橡胶粉的黏弹性性质有效提高了混凝土的变形性能.

图8 无量纲化应力-应变曲线Fig.8 Nondimensionlizational stress-strain curves

2.3.4弹性模量

取应力-应变曲线上的原点至40%峰值荷载的割线模量作为混凝土弹性模量E0,与峰值弹性模量Ec作比较，结果如图9所示.

图9 弹性模量Fig.9 Elastic modulus

由图9可见：随着聚丙烯纤维含量的增加,PFC弹性模量逐渐减小,在聚丙烯纤维掺量达到1.5%时较0.4%时，弹性模量约下降10%;加入橡胶粉后,PFC强度降低同时弹性模量也相应降低约14%.主要原因在于：(1)掺入聚丙烯纤维,相当于在混凝土基体中引入许多细窄通道,减小了试件受压面积,进而影响了弹性模量.(2)掺入橡胶粉后,浆体与骨料之间将存在大量细小橡胶弹性体,增加了水泥浆体的弹性,弹性模量降低.(3)根据复合材料理论,聚丙烯纤维和橡胶粉的弹性模量比普通混凝土小,双掺聚丙烯纤维、橡胶粉后形成3相复合材料,其弹性模量将小于普通混凝土.

2.3.5泊松比

通过横、纵向应变片实测混凝土泊松比(γ),结果如图10所示.

图10 泊松比Fig.10 Poisson’s ratio

由图10可知：(1)PFC泊松比介于0.18～0.22之间,与普通混凝土相差不大；随着聚丙烯纤维掺量的增加,泊松比呈下降趋势,说明聚丙烯纤维的加入增强了棱柱体横向变形的能力.(2)在加入橡胶粉后,泊松比略微增加,主要是因为橡胶粉削弱了骨料与基体之间的黏结,使得横向变形能力减弱.

2.3.6棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度换算

表4为棱柱体试件轴心抗压强度fcu和立方体试件抗压强度fc实测值,两者比值在0.90左右.由表4可见：纤维掺量对立方体、棱柱体轴心抗压强度的影响基本一致：与纤维掺量为0.4%的试件相比,纤维掺量为0.8%的试件,其立方体、棱柱体峰值应力下降均为2.1%,纤维掺量为1.0%的试件下降7.7%、6.9%,纤维掺量为1.2%的试件下降14.0%、15.0%,纤维掺量为1.5%的试件下降10.0%、10.1%.

2.4 自由衰减振动试验

采用自由衰减振动试验测试悬臂梁试件无损伤状态下的阻尼比.通过固定装置将悬臂梁一端固定,悬臂端长850mm,加速度传感器距离端部50mm处,荷载作用点距离端部150mm.用橡胶锤轻击加载点,使悬臂梁产生自由振动.悬臂梁的自由衰减振动主要以一阶振型为主,通过设置在悬臂梁端部的加速度传感器,采集如图11所示的自由衰减加速度时程曲线,采用式(1)计算可得悬臂梁一阶阻尼比ξ.

表4 聚丙烯纤维掺量不同的棱柱体与立方体抗压强度对比Table 4 Comparison of prisms and cubes compressive strength with different polypropylene fibers

(1)

式中：ai、ai+n分别为自由衰减振动中第i、i+n个周期的加速度峰值，m/s2.

图11 加速度时程曲线Fig.11 Acceleration time history curve

各悬臂梁试件一阶阻尼比结果如图12所示,数据为同组3个试件的平均值.由图12可见：随着聚丙烯纤维掺量的增加,试件一阶阻尼比呈上升趋势,当聚丙烯纤维掺量由0.4%增加至1.5%时,阻尼比提高约60%;橡胶粉的掺入也改善了混凝土的阻尼性能,掺入4.5%的橡胶粉后试件阻尼比提高14.4%,且当聚丙烯纤维掺量为1.5%时提高效果最显著.分析可知：(1)在自由振动过程中,聚丙烯纤维与骨料、浆体间的界面摩擦是耗散能量的主要原因.随着聚丙烯纤维掺量的增加,纤维在混凝土内通过界面摩擦耗散能量越多,阻尼性能提升越明显.(2)橡胶颗粒作为一种良好的弹性单元,通过自身收缩-膨胀、与浆体和骨料之间的摩擦吸收部分能量.不仅增大了混凝土变形能力,而且大幅提高了混凝土阻尼性能.

图12 悬臂梁试件一阶阻尼比Fig.12 First order damping ratio of cantilever beam specimen

2.5 微观结构

采用JSM-IT300型SEM观察混凝土试件界面断口形貌及微观结构.图13为试件PFC-6在35、200、500、1000倍时所观测到的水化28d后的界面SEM照片.由图13可见：聚丙烯纤维、微硅粉、橡胶粉与硅酸盐混凝土表面结合形成复合混凝土界面区,各种材料形成一个整体,其中连续块状物C-S-H凝胶相互交织,存在少许片状晶体为Ca(OH)2,还有少量未水化水泥球状颗粒.聚丙烯纤维在混凝土中呈乱向三维分布,很好地抑制了混凝土裂缝的开展和水泥水化过程中由于干燥、化学等收缩引起的裂缝扩展.同时聚丙烯纤维在混凝土内部形成网络状增强体系后,使得混凝土试件的受拉能力、韧性得到了提升.从图13(a)中可以清楚看到,表面存在橡胶粉脱落后留下来的孔洞,这是橡胶粉加入后导致抗压强度明显降低的原因.另一方面,橡胶粉的填充、黏弹性行为改善混凝土内部孔隙结构,提高骨料界面之间的摩擦损耗,有效提高了混凝土阻尼性能.图13(b)～(d)为某一局部裂缝的梯度放大,此时微裂缝存在,但宽度较小,并未贯通,因此聚丙烯纤维还在混凝土防渗方面起积极作用.

在宏观力学性能方面：聚丙烯纤维本身属于有机纤维,有机纤维与水泥浆体之间的黏结性能较差,聚丙烯纤维处于拔出状态(图13(a)).随着聚丙烯纤维的增加,纤维在基体内的平均间距逐渐缩小,导致纤维之间出现交叉、搭接、重叠等现象,降低了骨料、浆体、纤维之间的黏结,进而影响了抗压强度.另外,纤维在混凝土中形成的孔径介于100～200nm的有害孔也是导致PFC立方体与棱柱体轴心抗压强度下降的原因.橡胶粉的掺入能填充部分空隙,改善界面行为,但橡胶颗粒占据的孔隙以及脱落后形成的孔洞则成为PFC抗压强度下降的主要原因.

图13 PFC-6断口微观形貌Fig.13 Microscopic morphology of interface of PFC-6

3 结论

(1)聚丙烯纤维分散程度影响混凝土密实性,导致骨料与浆体之间黏结力减弱,但其对抗压强度的影响不显著.橡胶粉在骨料与浆体之间占据部分体积,影响了黏结性能,导致抗压强度下降.双掺聚丙烯纤维和橡胶粉后,混凝土坍落度减小,保水性提高,弹性模量减小,棱柱体与立方体抗压强度之比约为0.90,泊松比在弹性稳定阶段，介于0.18～0.22之间.

(2)与普通混凝土应力-应变曲线相比,双掺聚丙烯纤维和橡胶粉的混凝土应力-应变曲线下降段更加平缓,残余强度更大,延性更好;相较于聚丙烯纤维,掺入橡胶粉对混凝土延性的提高更显著.

(3)橡胶粉的掺入弱化了骨料与浆体之间的黏结界面,导致混凝土受压峰值应力下降,但另一方面,橡胶粉的填充行为和本身的黏弹性行为改善了混凝土内部孔隙结构和界面之间的摩擦损耗,能有效提高混凝土阻尼性能,且在聚丙烯纤维掺量为1.5%时提高最显著.