橡胶纤维水工混凝土力学性能试验研究

引言我国正在大力倡导生态节能及资源综合利用的建筑材料的应用与研发，其中，绿色环保且物理力学性能良好的废旧橡胶纤维混凝土备受关注[1]。尽管橡胶及纤维的掺入会使混凝土的强度有所降低，但可以显著改善混凝土的脆性，使混凝土在外荷载作用下表现出明显的延性，同时可以提升混凝土的抗冲击、抗渗等性能。纤维对混凝土具有阻裂、增强增韧的作用，将两者按一定比例掺入，能够扬长避短，综合发挥各自在增强混凝土性能方面的优势。此外，在当前天然骨料资源严重短缺的情况下，橡胶的掺入替代了一部分天然砂，在很大程度上减少了对天然骨料的依赖。橡胶纤维在改善混凝土性能的同时，有效解决了废旧橡胶处理的难题，减轻了资源和环境压力，起到了资源节约和环境保护的双重作用，已成为当前国内外研究的热点[2-4]。水工混凝土中适量掺入橡胶和纤维有利于提高其韧性和抗冲磨性能。橡胶纤维水工混凝土是一种多组分复合体，各组成成分及配量的不同均会对其性能产生较大影响，其作用机理较为复杂，而现有的相关研究成果甚少，因此，当前对于橡胶纤维水工混凝土配合比设计及其力学性能有待于进一步研究[5]。鉴于此，本文采用正交试验方法，通过一系列模型试验，深入研究橡胶纤维水工混凝土的基本力学性能，包括抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度试验等，并分析影响橡胶纤维水工混凝土力学性能的主要因素及影响规律，最终确定橡胶纤维水工混凝土的最佳配合比。研究成果可为橡胶纤维水工混凝土理论设计及工程应用提供有益的参考。

1、试验部分

1.1原材料水泥：海螺水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1。

表1水泥性能指标粗骨料：石灰质碎石，5~40mm连续级配，表观密度2720kg/m3。细骨料：河砂，细度模数2.55，表观密度2650kg/m3。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表2。

表2粉煤灰性能指标外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率20%。橡胶颗粒：10目（表观密度1140kg/m3）、20目（表观密度1120kg/m3）、40目（表观密度1130kg/m3）。聚丙烯纤维：单束短纤，12mm。1.2配合比设计依据相关试验规程[6-8]，首先以C40强度等级普通水工混凝土的配合比为基础，确定每立方米混凝土中各组成材料的质量，然后将橡胶集料以等体积替代部分细骨料的方式掺入混凝土中，并以外掺的方式掺入聚丙烯纤维。采用L9(33)正交试验方案，对每一种影响因素各取3个水平进行配合比优化试验，寻求最佳水平组合。各因素水平见表3。表3中，聚丙烯纤维掺量、橡胶掺量和橡胶粒径这3个因素的3个水平分别用A1、A2、A3，B1、B2、B3和C1、C2、C3表示。以水灰比为0.4、砂率为42%、坍落度为100～120mm配制的C40基准水工混凝土的配合比和采用L9(33)正交试验方案得到的9组橡胶纤维水工混凝土的配合比，见表4。

表3正交试验方案表4基准混凝土和橡胶纤维水工混凝土的配合比2、力学性能试验

2.1试验方法为缩减试验工作量，采用正交试验方法进行橡胶纤维水工混凝土的基本力学性能试验，分析影响橡胶纤维水工混凝土力学性能的主要因素，并确定橡胶纤维水工混凝土的最佳配合比。混凝土基本力学性能试验只考虑混凝土试块的28d抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度。按照GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》和CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准》的要求，根据表4所列各组配合比，分别制作用于上述强度测试的C40基准混凝土和橡胶纤维水工混凝土试块各一组，每组3个试块。混凝土抗压和劈裂抗拉强度测试均采用150mm×150mm×150mm的立方体试块，抗折强度测试采用100mm×100mm×400mm的长方柱试块。试块制作采用强制式搅拌机拌合混凝土，混凝土入模后在振动台上振动密实成型，然后在室内静置24h拆模并做好编号标记，随即放入标准养护室中养护至28d，到规定龄期后按照相应的试验规范进行混凝土基本力学性能测试。混凝土力学性能测试如图1、图2所示。

图1试块抗压强度测试图2试块抗折强度测试2.2结果与分析按表4中各组配合比制作试件的28d抗压、抗折、劈裂抗拉强度的测试结果以及折压比、拉压比见表5。由表5可以看出，与基准混凝土相比，橡胶纤维水工混凝土的28d抗压、抗折、劈拉强度均有不同程度下降，但拉压比、折压比明显增大，其韧性和抗裂性能增强。对表5中的正交试验结果进行极差和方差分析，结果见表6、表7。

表5正交试验结果表6正交试验极差分析

由表6可知，在聚丙烯纤维掺量（A）、橡胶掺量（B）和橡胶粒径（C）这三个影响因素中，对于混凝土强度，各影响因素主次顺序为：B>C>A；对于折压比和拉压比，各影响因素主次顺序为：A>B>C；对于28d抗压、抗折、抗拉强度和折压比、拉压比，利用极差分析结果，得出的最优配比分别为：A1B1C1、A2B1C1、A1B1C1、A2B3C3和A2B3C3。可见，各试验因素针对不同性能指标得出的最优配比不同，因此，各因素的主次影响顺序也不同，需要进一步利用方差分析法分析各因素对不同性能指标的主次影响顺序和影响的显著性。表7正交试验方差分析由表7可知，对于抗压强度，B因素的影响高度显著，其他两因素则不存在显著性；对于抗折强度，B因素高度显著，C因素影响显著，A因素不存在显著性；对于劈裂抗拉强度，B因素存在极度显著性，C因素存在高度显著性，A因素不存在显著性。即对于混凝土28d的各种强度，B因素为主要影响因素，C因素次之，A因素影响均不显著。对于折压比，A、B因素都存在高度显著性，均为主要影响因素；对于拉压比，各因素均不存在显著性。方差分析得到的各因素影响的主次顺序与极差分析的结果是一致的。根据上述混凝土各性能指标试验数据以及极差与方差综合分析结果可知：纤维掺量A只对折压比影响高度显著，且取A2时最好，而对其余各指标均不存在显著性；橡胶掺量B对混凝土28d抗压、抗折和抗拉强度这三个重要指标的影响为高度和极度显著，且取B1时均最好；橡胶粒径C对28d抗折和抗拉强度的影响显著，且取C1时最好，而对其余各指标均不存在显著性。综合分析得到的橡胶纤维水工混凝土的最优配比为A2B1C1。结论

（1）采用正交试验方法进行橡胶纤维水工混凝土的基本力学性能试验，深入研究了聚丙烯纤维掺量、橡胶颗粒掺量、橡胶粒径对混凝土力学性能的影响，基于正交极差与方差分析结果，得出了橡胶纤维水工混凝土的最佳配合比。（2）正交试验分析结果表明，橡胶纤维水工混凝土的28d抗压、抗折和劈拉强度均比基准混凝土有不同程度的下降，但其拉压比、折压比有明显增