第 期 谢建和 等 硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验 引 言 中国是一个资源消耗大国 每年都产生大量的固体废弃物 如建筑垃圾 废旧橡胶 钢渣等 各种自然灾害也会产生大量的废弃混凝土 如何有效循环利用这些固体废弃物 既减轻环境污染 又节省原材料的消耗 是城市可持续发展的热点研究课题 目前 利用

第 卷 第 期 年 月 建筑科学与工程学报!"! " # ' "" ' 文章编号 (*( ( 硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验 谢建和 李自坚 孙明炜 广东工业大学土木与交通工程学院 广东广州 摘要 以普通混凝土和橡胶再生混凝土为研究对象 通过掺入硅粉和纤维材料研究强化环保型混凝土抗压性能的方法 用再生混凝土 / 等体积代替粗骨料 用橡胶颗粒 / 等体积代替细骨料 内掺 / 质量分数 或外掺 / 质量分数 硅粉以及掺入聚丙烯纤维或钢纤维 制备了 组 个混凝土立方体试件 通过轴压试验研究了混凝土试件的破坏模式 抗压强度和工作性能 结果表明 与单一掺入硅粉相比 硅粉和聚丙烯纤维的复合掺入能进一步强化混凝土的抗压性能 硅粉的掺入可以强化浆体与橡胶颗粒间的界面性能 提高钢纤维橡胶再生混凝土的抗压强度 硅粉和纤维材料对混凝土的工作性能有负作用 其复合掺入时建议采用适量的减水剂 关键词 再生混凝土 硅粉 橡胶 聚丙烯纤维 钢纤维 抗压性能中图分类号 + 文献标志码!" #! " ' ' ' # (" (- '( " # 23!! ' "" ' '# ' " 2! " ' '5 '# '! ', "!" # 77" " "# "!"2 2!" "2" 7-"!2!",!"# " ',3 "22"3", " ","! "!" 22!#"#! ' ## '2 3 #" # 7",!" 2 8" "# "!" '' "'!" 2! #"#!!" "!",.! "7 /,"!! "3 " 2" '' "'!" ",7 77"!"! 2! "" 2 / 7, 22!! "3 " " '' "'!" #!"2,"!"! 2 2"#! "" 2 / 7, 22!! "3 "","!! "" / 7, 22! ##! #3 3 3 " " 7" 2!"" 7" 2 ##"#!!" "!"!! ' 32 "!"23"," 2 7"2 " " 2!"# '.,3 "22!"2!2 ",#"2,3 "22"2! " '! # 7!!" "!" " " 5"# " "2!2 #!"!!,3 '!!" "!"! ## '2,"!" 3! 7! 7",!" #2,"!",3 "!",3 "22"3", " "!" " ##! 2," 2! " '!"!"!" 3", "7"! "" 3 2!" #,7 77" #,3 "!",3 "22"2! " '! 77" #2!"" 7" " "# " "# '' "'!" "!" 9 "" 7!2," # 7",!" 2 " "'!" " "2!" 7! "!"2 # "!!"!!" "#" 22332"#!2"!",.! " " "# "!"2," 77" 3 3 3 " " 7" 2!"" 7",3 "22" 3", " 收稿日期 ((* 基金项目 国家自然科学基金项目 + 广东省科技计划项目 作者简介 谢建和 *+( 男 广东阳江人 副教授 工学博士 (, -."'#! "#

第 期 谢建和 等 硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验 引 言 中国是一个资源消耗大国 每年都产生大量的固体废弃物 如建筑垃圾 废旧橡胶 钢渣等 各种自然灾害也会产生大量的废弃混凝土 如何有效循环利用这些固体废弃物 既减轻环境污染 又节省原材料的消耗 是城市可持续发展的热点研究课题 目前 利用废弃混凝土进行破碎 清洗 分级后重新形 成的骨料来制备混凝土是应用较广的再生技术 另外 利用废弃轮胎橡胶取代部分混凝土骨料也是一种流行的环保手段 其原因有 个 一是大量的废弃橡胶已经成了广为人知的环境问题 二是橡胶能够吸收大量的应变能 大大提高混凝土的动力性 能 因此 橡胶再生混凝土是一种富有发展前景的环保建筑材料 现有研究表明 与天然骨料相比 再生骨料和橡 胶骨料均会降低混凝土的抗压强度 等收集了近年的试验研究数据 结果发现当再生粗骨料替代率不超过 / 时 再生混凝土的抗压强度变化并不明显 但替代率为 / 时 其抗压强度下降约为 // 至于橡胶 通常是以细颗粒或粉状 代替混凝土细骨料 ( "7 等 # "2 等 : 2" 等先后对橡胶混凝土抗压强度进行了试验研究 结果显示当混凝土中橡胶的体积分数超过 / 时 混凝土的抗压强度会明显下降 为了提高混凝土抗压性能 掺入硅粉是一种非常有效的处理方法 大量研究表明 掺入硅粉能够增加再 (+ 生混凝土的密实度 提高混凝土的抗压强度 然而 关于硅粉对再生混凝土力学性能的影响 现有的研究缺少对外掺和内掺 种方法的对比 尚未见关于外掺和内掺硅粉对橡胶再生混凝土抗压强度影响的研究报道 另外 为了提高混凝土的抗折和抗冲击性能 在混凝土中加入高韧性材料是一种非常不 * ( 错的选择 比如掺入钢纤维或聚丙烯纤维 ;;: 等材料 本文拟以橡胶颗粒代替细骨料 再生混凝土代替粗骨料 通过外掺 ;;: 或钢纤维 内掺或外掺硅粉 对该类环保型混凝土的抗压性能进行试验研究 探讨不同硅粉掺入方式 不同纤维类型对该类混凝土抗压强度的影响规律 并初步探明其破坏机理 ( 试验概况 试验材料 本文试验采用石井水泥厂生产的 8 级普 通硅酸盐水泥 天然骨料采用花岗岩碎石 再生骨料采用深圳市绿发鹏程环保科技有限公司生产的骨料 再生骨料和天然骨料均采用粒径为,, 和,, 的骨料 按 混合而成 且均为连续级配 其吸水率分别为 / 和 */ 天然细骨料采用连续级配 密度为 *', 细度模数为 吸水率为 +/ 的粗河砂 试验用水为饮用自来水 ;;: 为河北廊坊防火保温密封材料有限公司生产 其基本性能见表 钢纤维采用衡水橡胶城提供的剪切波浪型纤维 其是由普通钢板剪切并经压制成型 长度为,, 长径比为 抗拉强度为 + ; 硅粉为成都东蓝星科有限公司生产 技术指标如表 所示 减水剂采用广东省江门强力建材科技有限公司生产的高效减水剂 其技术指标见表 橡胶颗粒直径范围为 +,, 密度为 ', 熔点为 图 为橡胶颗粒 钢纤维 再生骨料和硅粉的外观形态 表 " 的技术指标! ( *! " 纤维长吸湿密度 断裂伸直径, 吸水性燃点 度,, 率 / ', 长率 / + 不吸水 * * 表 + 硅粉的技术指标! (+ *!!" 干物质硫酸盐二氧化硅烧失量 / 氯含量 / 含量 / 含量 / 含量 / 游离氧化钙含量 / ** * * 注 硅粉的技术指标均为质量分数 表, 减水剂的技术指标! (, *! -!' 型号 外观 减水率 / 含气量 / 收缩率比 / (; 红棕色液体 (+ 试验装置 本文研究是在 ++( 材料压缩试 验机上实施轴压试验 采用力控制模式 加载速度为 ; 2 试验加载装置如图 所示 + 试验结果与讨论 本文研究的所有试件均在养护 +# 后进行轴压试验 轴压试验中 普通混凝土试件和其他组试件分别加载至峰值后降至峰值荷载的 / 和 / 停止加载 立方体抗压强度如表 所示 +( 破坏模式在轴压过程中 普通混凝土试块中部的表层首

建筑科学与工程学报!!!!!!!!!!!!!!!"# 年?A 图C 加载装置 C H, 3: (F2 -# 先出现裂缝随后裂缝向两端发展接着表层混凝土 图? 外鼓最后棱角处 形 成 竖 向 贯 通 裂 缝 和 混 凝 土 块 脱 试验材料 落 从 破 坏 形 态 看 普 通 混 凝 土 试 块 的 破 坏 断 面 主? A G3 3 表I 试验配合比和结果 A3+@ I G "8,#,,(3(:9, /A 各材料用量+! T9*D[!" 实测 "C5 立方体 组别 水 水泥 砂 /?"!C;!#?C; _?"!""; A? "C; A?"!""; A??C; `?"!C;!# "C; A 天然骨料 再生骨料 附加水 BA; CC B; "B 纤维 橡胶 减水剂 ; #? A"; #!; C!!内掺" ; #? "C; B!; C!!内掺" ; #? C; # #;?!外掺" ; #?!!;! #A; "?C; #!钢纤维" A; ; "!聚丙烯" #A; " BA; CC B; "B?C; #!钢纤维" A; 抗压强度+=Y, 硅粉 / 代表普通混凝土# _ 代表!内掺"硅粉橡胶钢纤维再生混凝土# 代表!内掺"硅粉聚丙烯纤维混凝土# ` 代表!外掺"硅粉橡胶钢纤维再! 注 生混凝土 要是天然粗骨料与 砂 浆 的 粘 结 面很 少 出 现 天 然 粗 的 A#G 过程中表 层 的 混 凝 土 开 始 外 鼓但 试 件 最 骨料被劈裂的现象如图! 所示 终裂而不碎没有 出 现 明 显 的 剥 落 现 象 图 A 为 硅 粉聚丙烯纤维混 凝 土 承 受 轴 压 后 捣 开 的 破 坏 形 态 与普通混凝土相似硅 粉 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 的 受 压 破坏断面主要出 现 在 天 然 粗 骨 料 与 砂 浆 的 粘 结 面 值得提出的是硅 粉 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 出 现 了 一 定 数量的天然粗骨料 被 劈 裂 的 现 象#聚 丙 烯 纤 维 既 出 现被拔出 的 现 象也 出 现 被 拔 断 的 现 象!图 A" 这 说明硅粉的掺入较大提高了粗骨料与砂浆粘结面的 强度导致部分粗骨料破坏另外聚丙烯纤维的存 在一定程度上提高 了 混 凝 土 的 抗 裂 性 能使 得 混 凝 土破坏时表面更加平整 硅粉橡胶钢纤维再生混凝土的破坏过程与硅粉 图D 普通混凝土破坏模式 D 3 G,:, /J : (3 ;5,( 与普 通 混 凝 土 相 比硅 粉 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 在 聚丙烯纤维混凝土 相 似破 坏 后 两 者 的 表 面 均 保 持 较完整但后者的裂缝数量更少裂缝宽度更小这 主要是因为聚丙烯纤维细长且与混凝土粘结良好 加载接近峰值荷载时裂缝数量更多但裂缝宽度更 在混凝土内部起串连作用而钢纤维虽强度更高但 小当荷载降至峰值的 "#G 时试 件 未 见 混 凝 土 脱 其与再生混凝土粘 结 不 好导 致 混 凝 土 破 坏 后 内 部 落表面保持完整在荷载 从 峰 值 的 "#G 降 至 峰 值 更为松散如图!,"所 示 对 于 硅 粉 橡 胶 钢 纤 维 再

第! 期!!!!!!!! 谢建和!等硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验 图M? 混凝土抗压强度 M 5,'# 7 2 (F B, /5,( 伤等原因另一方 面 是 因 为 以 细 骨 料 身 份 掺 入 的 橡 图I 硅粉聚丙烯纤维混凝土破坏模式 I 3 G,:, /2 3-'3(: 88 K ( /, :5,( 胶颗粒具有较强的 憎 水 性 和 较 大 的 孔 隙 率致 使 其 与胶凝材料没有粘结牢固降低混凝土密实性导致 橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度明显降低 (! 生混凝土试块的 破 坏 断 面 主 要 是 再 生 粗 骨 料 与 砂 为了分析硅粉对橡胶钢纤维再生混凝土抗压强 浆的粘结面但是 也 出 现 一 定 数 量 再 生 粗 骨 料 被 劈 度的影响图? 给了本次试验和 本 课 题 组 (A前 期 没 裂的现象砖块被劈裂的现象较为明显见图! U"# 掺硅粉的试验结 果 从 图? 可 以 看 出随 着 橡 胶 掺 混凝土中的钢纤维均是被拔出未见被拔断的现象 量的增加橡胶钢 纤 维 再 生 混 凝 土 抗 压 强 度 随 之 下 从本文研究试验现 象 来 看无 论 是 钢 纤 维 还 是 聚 丙 降与同批次的普通混凝土相比没掺硅粉'橡胶替 烯纤维它们掺入 混 凝 土 一 定 程 度 上 抑 制 了 裂 缝 的 代率为 G 的混凝土抗压强度下降了 A#G 而内掺 扩展混凝土基体并没有明显的剥落现象混凝土试 件表面均能保持较完整这表明混凝土在受压过程 #G 硅粉'橡胶替代率为 "#G 的 混 凝 土 抗 压 强 度 只 下降了!G 由图? 的变化趋势可推测内掺 #G 中纤维有效地减少了裂缝尖端的应力集中起到了 硅粉至少能 给 橡 胶 替 代 率 为 "#G 的 橡 胶 钢 纤 维 再 耗散破坏能量 的 作 用增 加 了 混 凝 土 的 延 性 值 得 生混凝 土 抗 压 强 度 带 来 G 的 提 高而 外 掺!G 硅 提出的是与钢纤维相比聚丙烯纤维在混凝土中的 粉则能进一步提高抗压 强 度其 增 幅 约 为 "G 由 粘结性能更好 此可见掺入硅粉 是 提 高 橡 胶 钢 纤 维 再 生 混 凝 土 抗 压性能的有效方 法 究 其 原 因硅 粉 的 掺 入 不 仅 改 善了硬化水泥浆体 与 粗 骨 料 间 的 粘 结 界 面而 且 硅 粉颗粒散布在橡胶 颗 粒 表 面改 善 了 浆 体 与 橡 胶 颗 粒 间 的 界 面增 强 其 粘 结 强 度 另 外与 内 掺 法 相 比外掺法的胶凝 材 料 总 质 量 多 于 内 掺 法 的 胶 凝 材 料而且外掺法的水泥含量多于内掺法产生的水泥 水化物也更多硅粉与其反应更加充分更有效地产 生 @N @W 溶胶因此外掺 法 相 比 内 掺 法 能 更 有 效 提高橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度然而在经 图L 硅粉橡胶钢纤维再生混凝土破坏模式 L 3 G,:, /2 3-'3(:9-++ 5 -'+ K ( /, :9 :*F 3 5,( ; F F 济性上内 掺 法 更 加 节 约 资 源符 合 可 持 续 发 展 的 要求 另外从 图 可 以 看 出与 普 通 混 凝 土 相 比硅 C@ C 抗压强度 图 为各组混凝土与普通混凝土抗压强度之 粉聚丙烯 纤 维 混 凝 土 的 抗 压 强 度 提 高 了!CG 吴 比从图 可见与普通混凝土相比内掺和外掺硅 纤维对再生混凝土 进 行 强 化试 验 结 果 显 示 强 化 后 粉的橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度分别降低了 再生混凝 土 抗 压 强 度 的 提 高 率 达 到 了!#G 对 于!; AG 和 "#; G 这 一 方 面 是 因 为 再 生 粗 骨 料 本 普通混凝土许多试验已 经 表 明内 掺 #G 硅 粉 时 身的多孔性'强度 低 以 及 其 破 碎 过 程 中 产 生 的 预 损 其抗压强度提 高 率 约 为 "#G (? 由 此 可 见硅 粉 建华等 ("利用 与 本 试 验 相 同 含 量 的 硅 粉 和 聚 丙 烯

建筑科学与工程学报 年 图 掺入硅粉对混凝土抗压强度的影响 ".(!" #.* # 和聚丙烯纤维的复合掺入无论对天然混凝土还是再生混凝土的抗压性能都有很好的强化作用 比单掺硅粉更强 这一方面是因为聚丙烯纤维乱向分布的掺入 形成了立体骨架 改善了混凝土的延性 阻止 了微裂缝扩展 增强其抗裂性能 另一方面硅粉的火山灰效应和微填充效益改善了水泥浆体与骨料的界面性能 增强了混凝土的密实性和与纤维的粘结性能 两者相辅相成 取得了较单掺其中任一种材料更好的改性效果 +(, 塌落度 图 + 为各组混凝土的塌落度 从图 + 可以看出 硅粉聚丙烯纤维混凝土的塌落度较普通混凝土下降,, 工作性能最差 这一方面是因为内掺硅粉较多 硅粉颗粒较水泥颗粒要小很多 其吸水量比水泥颗粒要大 另一方面是因为聚丙烯纤维乱向分布 形成立体骨架 两者的共同作用 导致了塌落度的下降 再生骨料有较强的吸水性 所以本文试验根据再生骨料的吸水率补充了附加水 与普通混凝土相比 内掺 / 和外掺 / 硅粉的橡胶钢纤维再生混凝土的塌落度则分别下降了,, 和,, 硅粉和钢纤维对再生混凝土塌落度有负作用 而橡胶是憎水材料 它起到了滚珠的作用 使得硅粉橡胶钢纤维再生混凝土中的游离水增加 因此 橡胶抵消了硅粉和钢纤维部分的负作用 增加其塌落度 由此可见 硅粉和纤维材料在混凝土的复合掺入时还需特别考虑其工作性能 控制其水灰比或调整减水剂的用量都是不错的选择, 结语 硅粉和聚丙烯纤维或钢纤维的复合掺入能明显提高混凝土抗压的延性 与钢纤维相比 聚丙烯纤维在混凝土中的粘结性能更好 硅粉和聚丙烯纤维的复合掺入无论对天然混凝土还是再生混凝土的抗压性能都有很好的强化 图 混凝土塌落度 ".( #! # 作用 内掺 / 硅粉能给橡胶替代率为 / 的橡胶钢纤维再生混凝土的抗压强度带来 / 以上的提高 而外掺 / 硅粉则能提高同类混凝土抗压强度的 / 硅粉和纤维材料的复合掺入会明显降低混凝土的塌落度 橡胶颗粒的存在可以抵消它们部分的负作用 建议调整水灰比或减水剂用量来改善其工作性能 参考文献 ' = : > 9"! " "!# 8" "# '' "'!" "!" **( 2!! # # '!" ( 2(+ :9 "!!#,3!;" (, " 877" 8" "# "!" ( 2!! # # '!" 2( ( >? 8 9? 9 "! "! ;! 8"3 ","!2 # #"(,"!7 = 2!"877"!":! "!" 2(!2 "!" ;," (3 2!2" ' # ' "" '+(+* < 8 : 8 < 8 "!"!2"# "877" '' "'!"2 " ;" (, "!" 2 * +(* : 8 " ( " " ' #! 2!" " ;" (, " "!" #"! 8" "# "!" = 2!" ","! # "!",32!"2 ( 马艳芳 李 宁 常 钧 硅灰性能及其再利用的研究进展 无机盐工业 *+( > ( ' '9 8"2" ; ( ' "22 ; 3"!"2 #8" ' :,"

第 期 谢建和 等 硅粉对纤维橡胶再生混凝土抗压性能影响试验 ' ", 2 #2! *+( < 9?? 8 "2!'! " # ; 2 ; 3"!"2 8" "# '' "'!" "!" 8! # =!! :," 2!! # # '!" 2 (* +? 8.3","! 22 ; 3"!"2 8" "# 2" '' "'!" 8 "!"! " ##!"2 2!! # # ' (!" 2+ ( * 8 > 9;;? <"! :! " "!"! ',7 877" ' "" ' # '","! * ( 陈爱玖 王 静 杨 粉 钢纤维再生混凝土抗压强度试验研究 混凝土 ( 9 (-= '> :".3","!2,3 "22"! " '! " ; 3"!"2!"" :7" 8" "# "!" "!" ( 王军龙 肖建庄 钢纤维再生混凝土的抗折强度试验研究 工业建筑 +(+ = ( ' (5 ' "2!'!!""2! : ".! " '!!"" :7" 8" "# "!" #2! 2!! +(+ 吴建华 马石城 唐昭青 等 聚丙烯纤维和硅粉对再生混凝土的强化试验研究 混凝土 ( + = ( (" ' (@ '"!!" 2 "#"2!8"2"!" " " ; 3 ( 3 " ":7" A :," 8" "# "!" "!"(+ 王文婧 许家文 刘元珍 等 橡胶颗粒对再生混凝土氯离子渗透性影响研究 混凝土与水泥制品 ( = =" (- ' ( " > (5" "! "2!'!!" " " 877" ;! "2 #" < 2 " "! 8" "# '' "( '!" "!" "!" #","!; #(!2( 9 > "!,3 "22" # : ". " 2 "!"" ( 7 "( " "# 8" "# '' "'!" "!"!,7 877" 2!! # # '!" 2 * ( 叶 青 张泽南 孔德玉 等 掺纳米 和掺硅粉高强混凝土性能的比较 建筑材料学报 +(+ > ' 9 "(? <"( "!,( 3 2 ; 3"!"2 9'! " '! "!"! ( # :," ##"# # '!" 2+(+ 陈德玉 刘 欢 卢忠远 聚丙稀纤维掺量对再生混凝土性能的影响 混凝土与水泥制品 *( 9 <"( 9 '( " ( " "!" 3! ; 3 3 " ":7"!";", " 8" "# '' "'!" "!" "!" # ","!; #!2*(