聚乙烯醇(PVA)纤维增强橡胶混凝土的性能研究
关键词：橡胶混凝土、PVA-纤维增强、力学性能、耐久性能。
摘要：本研究采用聚乙烯醇(PVA)纤维来改善橡胶混凝土的性能。本文对聚乙烯醇(PVA)纤维增强橡胶混凝土的力学性能和耐久性进行了试验研究。选用废橡胶颗粒(网孔尺寸为#10-#30)部分代替普通混凝土中的细骨料。并对橡胶颗粒进行碱溶液预处理，以增强其与水泥浆体的界面粘结。根据细骨料体积(15%、20%、25%)和纤维掺量(混合料总掺量0.5%)的不同，制备不同细骨料替代率的纤维增强橡胶混凝土试样。对试样的抗压强度、抗弯性能、断裂能等力学性能进行了评测，并与对照试样进行了对比。结果表明，纤维增强试样能显著提高后拉伸性能和断裂能。电阻率试验结果表明，纤维增强橡胶混凝土的渗透性降低。同时研究了耐久性性能，包括碱硅反应(ASR)膨胀、干燥收缩和冻融性能，并与对照样品进行了比较。纤维增强橡胶混凝土通过橡胶应力释放和纤维裂纹桥接，提高了耐久性。因此，PVA-纤维增强橡胶混凝土可以提高结构施工胶凝材料的耐久性和延展性，也可以促进废旧橡胶再生为胶凝材料。
一、前言
废旧轮胎的积累是近年来世界范围内的一个问题，因为废旧轮胎会引发严重的健康和环境问题[1]。在美国，废旧轮胎的数量在车辆的大量增长下也在不断增加[2–4]，因此，需要开发利用废旧轮胎橡胶再生为土木工程材料，特别是硅酸盐水泥混凝土，以尽量减少对环境的影响[5]。近年来，能量吸收、抗冻融性、韧性废旧轮胎在混凝土中的应用得到了广泛的研究。普通混凝土的能量吸收、抗冻融性、韧性等性能可以通过加入橡胶骨料得到改善[6,7]，然而，橡胶颗粒的低刚度使其抗压强度低于普通混凝土。弹性橡胶在压缩荷载作用下比水泥浆体产生更大的变形，加速裂缝的萌生[5,8]。同时，橡胶颗粒与水泥浆体界面粘结强度低也会降低普通混凝土的抗拉强度[1,9,10]。Topcu和Ilker Bekir[11]研究了不同试样的抗压强度和劈裂拉伸强度，他们选用轮胎屑或橡胶颗粒分别部分代替粗骨料和细集料。结果表明，粗骨料替代法比细骨料替代法抗压强度降低30%。试验结果显示：用碎橡胶代替细骨料，15%的替代量仅降低了普通混凝土约10%的抗压强度。他们还发现：橡胶混凝土的抗压强度可以通过加入更多的橡胶骨料来降低。Khatib和Bayomy[12]发现，当细骨料替代率达到40%以上时，坍落度等新特性接近于零，新混合料无法达到良好的工作性能。虽然在普通混凝土中加入较高比例的橡胶骨料会降低混凝土的抗压强度[8]，但橡胶骨料的加入可以提高混凝土的抗冲击性能和韧性[11,13]。耐久性性能，如碱-硅反应(ASR)[14]和干燥收缩也被一些研究人员进行了研究[15,16]。结果表明，由于变形橡胶可以释放ASR引起的内应力，弹性橡胶颗粒减小了试样的膨胀，但干燥收缩比常规试样略有增加。以往的研究表明，废轮胎橡胶在混凝土中的使用会导致抗压强度降低，橡胶颗粒与水泥浆体界面粘结较弱是主要原因。一些研究人员研究了几种对橡胶颗粒进行预改性质的方法。Guo等人利用氢氧化钠溶液处理橡胶颗粒制备改性混凝土试样。将橡胶颗粒浸泡在溶液中20分钟，然后清洗干燥。同时对橡胶表面处理的效果进行了研究，试验中所用橡胶含量为原用轮胎橡胶和经NaOH溶液处理的轮胎橡胶细骨料体积的10%。结果表明，经NaOH溶液处理的橡胶颗粒试样的抗压强度较仅含原始橡胶颗粒试样有显著提高。由于锌的存在，橡胶颗粒对水泥浆体的附着力较差，硬脂酸盐迁移扩散到橡胶表面，形成一层耐水的肥皂层[18]。采用氢氧化钠(NaOH)溶液对橡胶颗粒表面进行处理，可以去除硬脂酸锌包覆层[19]。此外，在弱碱条件下会增加亲水性能，最终提高胶体与水泥浆体的水化程度和界面粘结度。因此，这些研究结果表明，采用NaOH溶液预处理方法可以提高水泥浆体与橡胶颗粒的粘结强度。
一般来说，将橡胶轮胎回收成硅酸盐水泥混凝土可以降低环境污染风险、节约天然材料。橡胶颗粒对混凝土性能的改善表明：用废轮胎橡胶代替常规混凝土中的细骨料是可行的。值得注意的是，添加废轮胎橡胶后，混凝土强度降低。因此，纤维增强混凝土与普通混凝土相比，在裂缝控制、抗弯性能增强、干缩抑制等方面具有明显的优势[21-23]。纤维混凝土广泛应用于混凝土板、喷射混凝土、建筑面板、预制混凝土板、超高性能混凝土等多种结构中[24-27]。根据断裂韧性，钢纤维混凝土的断裂韧性至少是普通混凝土的100倍以上。此外，普通混凝土的脆性往往会在使用寿命中产生裂缝，这些裂缝是有害物质容易进入的通道，从而导致化学侵蚀、冻融损伤、钢材腐蚀[24]。同时，橡胶颗粒与水泥浆体的低粘结强度可能会破坏混凝土结构的后裂缝行为。因此，可以考虑将不同类型的纤维应用于具有较高抗拉强度和应变能力的橡胶混凝土中，从而提高其抗弯性能和耐久性。
近年来，聚乙烯醇(PVA)纤维被引入工程胶凝复合材料(ECC)中，其性能已被进行深入研究[28,29]。研究发现，聚乙烯醇(PVA)纤维是一种最适合用于增强工程胶凝复合材料(ECC)性能的高分子纤维。然而，研究发现，PVA纤维与水泥浆体的粘结强度远远高于适宜值。因此，将PVA纤维的油处理方法引入到PVA - ECC材料中。随着含油量的增加，界面断裂能和摩擦应力均有较大的降低，同时也增强了材料的塑性。结果表明，聚醋酸乙烯酯纤维可以提高ECC试件的抗弯性能，并且限制干缩。由于橡胶混凝土受弯性能的限制和干缩的增加，橡胶混凝土在路面混凝土中的应用仍受到很大的限制，这些问题应得到解决，以促进橡胶混凝土的市场推广。因此，有必要对PVA纤维增强橡胶混凝土的性能和性能改善进行研究。由于橡胶混凝土受弯性能的限制和干缩的增加，橡胶混凝土在路面混凝土中的应用仍然受到很大的限制，因此，有必要对PVA纤维增强橡胶混凝土的性能和性能改善进行研究。
在本研究中，根据细骨料的体积选择不同的橡胶含量，并用氢氧化钠溶液处理橡胶颗粒。PVA纤维首先与回收的机油混合(根据PVA纤维的重量，混合比例为1.2%)，然后加入混凝土。本研究对聚乙烯醇纤维增强橡胶混凝土的力学性能和耐久性性能进行了全面的评价，结果表明，PVA纤维增强可以作为提高橡胶混凝土力学性能和耐久性的一种新方法。
二、材料准备和混合物设计
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