陳彩芹，宗 翔

安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽淮南,232000

隨著汽車行業(yè)迅速發(fā)展，大量廢棄輪胎對(duì)環(huán)境造成污染，如何利用“黑色金礦”[1-2]是當(dāng)前急需解決的難點(diǎn)問題。目前研究大部分是在橡膠混凝土中加入纖維材料來彌補(bǔ)或增強(qiáng)橡膠混凝土的性能。莫金旭等[3]通過復(fù)摻橡膠粉和聚丙烯纖維進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明橡膠粉的摻入提高了PFC的阻尼性能,且在聚丙烯纖維摻量為1.5%時(shí)提高最顯著；楊晨晨等[4]通過試驗(yàn)表明玄武巖纖維對(duì)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響先增大后減小,當(dāng)摻量為2.0 kg/m3時(shí),有助于提升混凝土抗壓強(qiáng)度；李征等[5]試驗(yàn)表明鋼纖維在一定程度上改善了混凝土的脆性,對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能有所提升；Steyn等[6]通過研究表明塑料、橡膠、玻璃降低了混凝土的可工作性，增加了空氣含量，玻璃提高了混凝土的機(jī)械性和耐久性；Md.Shahjalal等[7]研究表明含有30% RCA、5% CR和0.5% PP纖維的橡膠混凝土梁具有更高的彈性、延展性和韌性。

劍麻纖維是植物纖維中的一種 ,具有質(zhì)地堅(jiān)硬、拉伸強(qiáng)度高、耐海水腐蝕等諸多特性。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表安排試驗(yàn)方案，以達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)仍能確定優(yōu)化方案的一種方法[8]。本文采用三因素三水平正交試驗(yàn)確定了劍麻纖維最佳長度和最佳摻量范圍，為后續(xù)繼續(xù)研究劍麻纖維-橡膠混凝土力學(xué)性能提供一定的借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

(1)水泥。采用淮南海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表 1,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 水泥的化學(xué)成分

(2)砂。采用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，堆積密度為1 450 kg/m3,表觀密度為2 580 kg/m3。

(3)石子。選用粒徑為5～16 mm連續(xù)級(jí)配的瓜子片碎石，各項(xiàng)性能滿足規(guī)范要求。

(4)水?；茨鲜凶詠硭?/p>

(5)橡膠。選用1～3 mm的橡膠顆粒，試驗(yàn)采用等體積取代細(xì)集料的方法摻入橡膠顆粒,試驗(yàn)前橡膠顆粒處于密封、干燥的狀態(tài)。

(6)劍麻纖維。選用廣西劍麻公司生產(chǎn)的劍麻纖維，采用3種纖維長度，分別是15 mm、30 mm、45 mm，各項(xiàng)物理性質(zhì)見表2。

表2 劍麻纖維的物理性質(zhì)

1.2 材料處理

采取的預(yù)處理方法不同對(duì)提高橡膠混凝土的力學(xué)性能影響程度不同，且橡膠摻量越小，粒徑越大，處理方式對(duì)橡膠混凝土基本性能影響越明顯[9]。本文選用清水清洗對(duì)橡膠進(jìn)行預(yù)處理，將橡膠顆粒在清水中浸泡24 h后撈出清洗干凈后晾干備用；劍麻纖維用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaOH溶液充分浸泡30 min后用大量清水沖洗至PH為中性，陰干后密封保存。采用此溶液浸泡，一是為了除去劍麻纖維表面的雜質(zhì)比如果膠、植物脂類等，提升纖維素含量；二是使纖維的黏著面積大大增加，增加了界面強(qiáng)度，使得纖維材料本身的力學(xué)性能明顯增強(qiáng)[10]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要考慮的因素有A橡膠摻量(5%、10%、15%)、B劍麻纖維摻量(2.4 kg/m3、4.8 kg/m3、7.2 kg/m3)、C劍麻纖維長度(15 mm、30 mm、45 mm)等。取9組配合比，參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)[11]，基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，其中水泥∶水∶石子∶砂配比為1∶0.54∶3.0∶1.62。1 m3混凝土配比如表3所示。

表3 混凝土配比

1.4 試件制作及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)間的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件澆筑完24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)[12]進(jìn)行。為保證劍麻纖維在混凝土中分散均勻，投料時(shí)先加入石子和沙子等骨料攪拌30 s,再加入劍麻纖維充分?jǐn)嚢? min,利用粗細(xì)骨料將混合在混凝土中的纖維打散，再加入剩余的干料攪拌30 s,最后加入水?dāng)嚢?0 s，結(jié)束后裝入模具振搗抹平。

1.5 試驗(yàn)現(xiàn)象

在混凝土攪拌過程中，隨著橡膠顆粒的增多，混凝土拌合物流動(dòng)性有所減弱，但混凝土的保水性和粘聚性均可保持良好狀態(tài)。

在混凝土試塊加載過程中，沿著試塊的側(cè)面會(huì)出現(xiàn)較短而密集的裂縫，逐步向中間發(fā)展，過程中伴隨著少量碎片脫落。當(dāng)試件達(dá)到極限荷載后，劍麻纖維橡膠混凝土無明顯破壞響聲，尚能保持完整性，且加入的劍麻纖維越多，完整性越好，試件破壞裂縫之間仍能看見連接的劍麻纖維，試驗(yàn)完成后，掰開已破壞的試件發(fā)現(xiàn)經(jīng)清水處理過的橡膠顆粒與水泥漿體粘結(jié)較緊，破壞面存在個(gè)別橡膠撕裂現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

將試塊按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測得其抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度如表4所示。為探究橡膠摻量、劍麻纖維摻量、劍麻纖維長度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行分析。

表4 抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度值

2.1 極差值分析

由表5、圖1可知，劍麻纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大，R為6.73 MPa，劍麻纖維的長度對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最小，R為1.40。因素A從5%增長到15%，隨著橡膠摻量的增加其抗壓強(qiáng)度降低了4.2%，這是因?yàn)橄鹉z等體積替換了混凝土中的部分細(xì)骨料材料，而橡膠本身是憎水性的彈性材料，強(qiáng)度遠(yuǎn)比混凝土中其他組成材料低，攪拌過程中容易上浮，橡膠會(huì)增大混凝土內(nèi)部缺陷導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能降低[13]。當(dāng)因素B從2.4 kg/m3增加到4.8 kg/m3，其抗壓強(qiáng)度降低了0.26%，沒有明顯降低；而當(dāng)摻量增加到7.2 kg/m3時(shí)，降低了17.3%；說明纖維并非可以過量添加，纖維越多在混凝土內(nèi)部越易形成攪團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維分布不勻繼而影響混凝土抗壓強(qiáng)度；因素C從15 mm增加到30 mm,抗壓強(qiáng)度提升了3.9%，纖維長度繼續(xù)增加時(shí)強(qiáng)度又有所下降，因?yàn)槔w維與混凝土砂漿的黏結(jié)力與纖維的長徑比相關(guān)，纖維長度并非越長越好，過長的纖維會(huì)使自身失去彈性伸張能力和吸收能量作用[14]。

表5 抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度極差分析

圖1 28d抗壓強(qiáng)度效應(yīng)曲線

由表5、圖2可知，因素C對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大。橡膠顆粒摻量從5%提升到15%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度先略微提高又急劇下降。主要因?yàn)榛炷猎嚰茐氖加趦?nèi)部，當(dāng)橡膠摻量少且又對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行清水處理，在一定程度上改善了橡膠顆粒與混凝土界面水泥漿粘結(jié)強(qiáng)度，裂縫開展程度減緩[15]，但是隨著摻量繼續(xù)增大，內(nèi)部缺陷增多，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度總體上仍然呈下降趨勢。因素B在2.4 kg/m3時(shí)結(jié)合圖1和圖2可看出，此摻量在劍麻纖維最佳摻量范圍內(nèi)，隨著劍麻纖維摻量繼續(xù)增大到7.2 kg/m3時(shí)，摻量的改變使含有劍麻纖維的混凝土中含氣量增大，促使混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的降低[16]；因素C劍麻纖維長度在30 mm時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度較好，因?yàn)檫m當(dāng)長度的劍麻纖維在混凝土中亂向分布，在劈裂張拉的斷裂面形成相互搭接的網(wǎng)狀形態(tài)[17]，因此在3種長度的劍麻纖維劈裂抗拉強(qiáng)度中效果最好，纖維過長時(shí),在混凝土攪拌的過程中易有團(tuán)簇現(xiàn)象,不能均勻分散在混凝土中。

圖2 28d劈裂抗拉強(qiáng)度效應(yīng)曲線

2.2 方差值分析

如表6所示，通過方差分析得到劍麻纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果與極差分析一致:劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量>劍麻纖維長度，其中劍麻纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響為顯著，而橡膠顆粒摻量和劍麻纖維長度對(duì)于抗壓強(qiáng)度影響不顯著。根據(jù)SPSS中主成分分析法分析相關(guān)性可知，劍麻纖維摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)為-0.817，橡膠顆粒摻量其次，相關(guān)系數(shù)為-0.196，最后為劍麻纖維長度，相關(guān)性系數(shù)為0.133，其分析結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

表6 抗壓強(qiáng)度方差分析與因素相關(guān)性

如表7所示，通過方差分析得到橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響結(jié)果與極差分析一致；劍麻纖維長度>劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量，其中橡膠摻量、劍麻纖維摻量、劍麻纖維長度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響不顯著。根據(jù)主成分分析法分析相關(guān)性可知，劍麻纖維長度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為-0.522，劍麻纖維摻量其次，相關(guān)系數(shù)為-0.497，最后為橡膠顆粒，相關(guān)系數(shù)為-0.149，相關(guān)性分析結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

表7 劈裂抗拉強(qiáng)度方差分析與因素相關(guān)性

3 結(jié) 論

本文通過劍麻纖維-橡膠混凝土力學(xué)性能的正交試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)劍麻纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著影響。通過極差和方差分析可得到對(duì)抗壓強(qiáng)度影響順序?yàn)椋簞β槔w維摻量>橡膠顆粒摻量>劍麻纖維長度。劍麻纖維長度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)性最大，通過極差和方差分析得到對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋簞β槔w維長度>劍麻纖維摻量>橡膠顆粒摻量。

(2)劍麻纖維摻量在2～3 kg/m3時(shí)對(duì)橡膠混凝土有較好的影響效果，但由于本試驗(yàn)摻量跨度較大，在圖中不能精確反應(yīng)劍麻纖維的最佳摻量，后續(xù)可以進(jìn)一步對(duì)摻量進(jìn)行細(xì)化，以得到更好的結(jié)果。

(3)劍麻纖維長度為30 mm時(shí)，混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度效果最好。

(4)在混凝土中加入廢棄橡膠顆粒和植物纖維對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境有一定意義，符合當(dāng)前建設(shè)綠色節(jié)能型社會(huì)的需求。