聚丙烯纤维/再生橡胶粉改性混凝土的性能研究

Study on Properties of Polypropylene Fiber/Recycled Rubber Powder Modified Concrete

摘要

采用再生橡胶粉等质量替代混凝土的细骨料，再按照不同质量分数分别在样品中掺入聚丙烯（PP）纤维，分析PP纤维/再生橡胶粉改性混凝土的静态及动态力学性能，并进一步研究混凝土复合材料的导热性及耐久性。结果表明：在再生橡胶粉混凝土中加入PP纤维可以改善材料的抗压强度和抗折强度。随着PP纤维掺量的增加，动态增长因子（DIF）呈现先增大后减小的趋势。PP纤维质量分数为1.0%时，DIF达到最大值。PP纤维质量分数为1.0%时，样品RPFC-3的导热性能较优，且具有良好的耐久性，可以在实际应用中表现出良好的效果。

关键词

聚丙烯纤维 / 再生橡胶粉 / 混凝土 / 力学性能 / 耐久性

Key words

Polypropylene fiber / Recycled rubber powder / Concrete / Mechanical properties / Durability

汽车产业快速发展的同时也带来较多的废旧轮胎污染，如不及时处理，会产生较多的黑色垃圾^[1]。近年来，将废旧轮胎再生处理成颗粒物加入水泥基中逐步引起重视，采用此种方式处理可以大大减少环境污染问题，同时有利于改善混凝土的性能^[2]。

当前，众多学者将废旧橡胶加入混凝土中，但主要集中在分析单一橡胶组分对混凝土性能的影响^[3]。聚丙烯混凝土(PFC)是采用聚丙烯(PP)纤维部分替代混凝土组分，该类塑料混凝土具有耐腐蚀、密度小、抗开裂等优点，且PFC主要用在塑胶跑道、建筑外墙等场合，具有一定的保温效果^[4]。ZHU等^[5]制备了PP混凝土材料，并研究了材料的微观形态，界面相互作用，力学性能和热学性能之间的相关性，并取得较好的应用效果。近年来，学者们对橡胶轮胎胶粉再利用的关注度逐渐增加^[6]，将其加入混凝土基质中的研究应用也较多^[7-8]。

本实验主要采用40目的再生橡胶粉等质量10%替代混凝土细骨料，再按照不同的质量分数分别在样品中掺入PP纤维，对比分析PP纤维/再生橡胶粉对混凝土的静态及动态力学性能的影响，并进一步研究混凝土材料的导热性及耐久性，旨在为废旧轮胎胶粉在混凝土基质中的综合利用提供一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P.O 42.5，安徽阜阳东岭建筑材料公司；粗骨料，5.5~9.6 mm的碎石，安徽阜阳华源时代建材公司；细骨料，天然河砂，砂率为50%，安徽阜阳华源时代建材公司；聚丙烯(PP)纤维，长度7 mm，直径25 μm，熔点170 ℃，无锡康泰纤维制品公司；再生橡胶粉，废旧轮胎破碎再生而成，40目，表观密度900 kg/m³。

表1为水泥的主要化学组分。

1.2 仪器与设备

电子万能拉力实验机，CMT4000，江苏蠡园电子公司；热导率测试仪，HC-110，江苏精工仪器制造厂；摆锤冲击试验机，UJ-40，浙江华泰仪器制造厂。

1.3 样品制备

表2为混凝土的配比。为了使PP纤维在混凝土中充分混合均匀，在加工前先将粗骨料冲洗干净，细骨料筛分好备用。其中混凝土目标强度等级为C20。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）将PP纤维分别按照水泥和细骨料质量之和的0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%进行配比，加入搅拌机中搅拌均匀。采用40目的再生橡胶粉等质量10%替代细骨料，随后依次加入细骨料、粗骨料、水、减水剂，充分搅拌均匀，最后将搅拌充分的混凝土倒入模具中，振捣均匀后在规定的标准条件下养护。

1.4 性能测试与表征

抗压强度分析：按GB/T 50081—2019进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，动态增长因子(DIF)采用0.4 MPa的恒定气压对混凝土进行冲击试验，得到不同的破坏模式。

抗折强度分析：按GB/T 50081—2019进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

热导率测试：使用热导率测试仪在稳态条件下进行测量，其中样品直径为500 mm，厚度为50 mm。将样品夹在夹具中进行测量，接触压力为414 kPa。

氯离子通量分析：按ASTM C1202—1997进行测试，样品为高度50 mm，半径30 mm的圆柱。

抗硫酸盐腐蚀测试：按GB/T 749—2008进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

抗冻融试验：按照GB/T 50082—2009进行测试，首先配制3%的NaCl溶液，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，在NaCl溶液中浸泡1 h后冷却解冻，称量冻融前后的质量，计算质量损失率。

2 结果与讨论

2.1 静态力学试验分析

图1为样品静态力学性能。从图1a可以看出，PP纤维的加入可以提升样品的抗压强度，随着PP掺量的增加，抗压强度呈现先增加后降低的趋势。对比PFC，在PP掺量相同的情况下，RPFC样品的抗压强度均有所提高，特别是在PP纤维质量分数为1.0%时提升最为明显，抗压强度提高13.1%。从图1b可以看出，PFC-1的抗折强度为4.16 MPa，同一纤维掺量下，RPFC材料的抗折强度优于PFC。分析认为，掺入PP纤维可以改善再生胶粉与水泥基体之间的黏结界面，使混凝土的黏结强度提升，从而使抗压强度及抗折强度提高，而PP纤维用量过多，纤维在水泥基体内出现团聚作用，使混凝土的强度有所下降^[9]。折压比可以反映混凝土材料的延展性和抗裂性。从图1c可以看出，随着PP纤维用量的增加，折压比呈现先增大后降低的趋势，在不加入PP纤维时，PFC-1的折压比为0.121，RPFC-1的折压比为0.129，且在同等PP纤维掺量时，再生胶粉部分替代细骨料更有利于提升混凝土的折压比^[10]。主要是因为再生胶粉粒径较小，能够填充混凝土浆体内部的部分空隙，改善其界面行为^[11]。

2.2 动态力学试验分析

动态增长因子(DIF)可以体现材料动态载荷下的强度变化，DIF越大则表明材料的抗冲击性能越好。图2为样品动态力学性能。从图2可以看出，随着PP纤维质量分数的增加，DIF呈现先增大后减小的趋势，PP纤维质量分数为1.0%时，DIF达到最大值，主要因为PP纤维掺量的逐渐增多与混凝土材料内部裂缝的发散程度有所关联。而在同一PP掺量时，RPFC的DIF值明显优于PFC，表明再生胶粉的使用进一步改善了混凝土复合材料的内部结构特性，使混凝土具备更优的抗冲击性能^[12]。综合分析认为，在再生胶粉等质量10%替代细骨料、PP纤维质量分数为1.0%时具备最佳的力学性能。

2.3 抗渗透性能分析

样品的扩散系数可以直接反映材料的抗渗透性能。图3为混凝土的抗渗透性能。从图3可以看出，随着PP纤维掺量的增加，混凝土的扩散系数呈现降低的趋势，且在同一PP掺量时，RPFC的扩散系数低于PFC。分析认为，混凝土在固化收缩时，在其内部会形成较多的裂纹，而PP纤维的加入可以填补其中的裂纹缝隙，使混凝土整体结构更加紧密，因而扩散系数降低，从而表现为抗渗透性能增强。加入细径再生胶粉后进一步填补了混凝土内部的空隙，从而提高其抗渗透性能^[13]。

2.4 导热性能分析

图4为样品的导热性能。从图4可以看出，随着PP纤维掺量的增加，混凝土的导热系数先降低后增加，样品PFC在PP纤维掺量为1.0%时达到最小值0.155 W/(m·K)，在同一PP掺量时，RPFC的导热系数低于PFC，在PP纤维掺量为1.0%时达到最小值0.150 W/(m·K)。分析认为，PP纤维本身导热系数较低，随着其掺量的增加，填补混凝土内部微裂纹的同时，过多的PP纤维也容易形成贯通孔道，孔道的存在便于空气对流，使导热系数增加^[14]，材料的导热性提高，保温性能降低。加入再生胶粉后，在同一PP掺量时RPFC的导热系数更低，主要是由于再生胶粉增强了混凝土内各组分之间的黏合力，使材料分布更加紧密，因而其导热系数降低，导热性变差，保温性能提升。综上所述，在PP纤维质量分数为1.0%时，RPFC材料的导热性较差，保温性能最优。

2.5 耐久性能分析

表3为混凝土样品的耐久性。从表3可以看出，在PP纤维质量分数为1.0%时，再生胶粉对复合材料的耐久性能提升最明显。氯离子通量结果为1 506 mg/(m²·h)，具有明显的抗离子腐蚀效果；抗冻融性能和抗硫酸盐腐蚀结果表明，RPFC-3样品的质量损失率最低，表明在极端环境下其使用效果最佳。因此PP纤维质量分数为1.0%时，样品RPFC-3具有良好的耐久性，可以在实际应用中表现出良好的效果。

3 结论

在混凝土中部分添加再生橡胶粉替代细骨料，可以减少PP纤维与混凝土基质之间的裂纹，从而改善其柔韧性，提高复合材料的抗压强度和抗折强度，最终确定再生胶粉等质量10%替代细骨料、PP纤维质量分数为1.0%样品具备最佳的力学性能。

加入再生胶粉后可以提高混凝土各部分基质的相容性，使混凝土内部裂纹减少，提高了各组分之间的黏合力，从而改善其抗渗透性能。

PP纤维质量分数为1.0%时，样品RPFC-3导热性较差，保温性能最优，具有良好的耐久性，可以在实际应用中表现出良好的效果。

参考文献

[1] 刘亮,张澳,黄祎晨,国内外废旧轮胎钢纤维混凝土研究进展[J].节能,2023,42(6):86-89.

[2] 梁炯丰,刘悦,王刘浩翔.聚丙烯塑料再生骨料混凝土的力学性能试验研究[J].混凝土,2023(10):91-94.

[3] 冯万辉,麦家豪,郑俊鑫,冲击荷载作用下橡胶混凝土抗压及抗裂性能试验研究[J].仲恺农业工程学院学报,2023,36(3):26-31, 46.

[4] 冀光,张杏芝,赵奕安.聚乙烯/聚丙烯纤维混凝土耐高温性能测试研究[J].粘接,2023,50(9):1-3.

[5] ZHU Z R, LU Y Y, ZHOU M. Surface modification of recycled tire rubber powders with Tannic acid and Nano-TiO₂ for enhanced performance and photocatalytic properties of Rubberized Cement-Based materials[J]. Construction and Building Materials, 2023, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132607.

[6] 郭怀庆,孙文硕,杜爱华.低共熔溶剂改性废旧轮胎胶粉及其在丁苯橡胶中的应用[J].橡胶工业,2023,70(1):31-35.

[7] 刘光程,姚韦靖,庞建勇.秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土抗冻融试验研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2023,43(4):34-40.

[8] PIOTR S. Fresh and mechanical properties of high-performance self-compacting concrete containing ground granulated blast furnace slag and polypropylene fibres[J]. Applied Sciences, 2023, DOI: 10.3390/app13031975.

[9] MUTTAQIN H, TAUFIQ S, AZZAKI M, et al. Effect of calcined diatomaceous earth, polypropylene fiber, and glass fiber on the mechanical properties of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 2023, DOI: 10.1515/jmbm-2022-0275.

[10] 朱红兵,朱先明,彭晨曦,碳化环境下聚丙烯纤维陶粒混凝土抗氯离子渗透性能试验研究[J].混凝土,2020(9):56-59.

[11] 莫金旭,曾磊,郭帆,橡胶粉对聚丙烯纤维混凝土力学性能和微观结构的影响[J].建筑材料学报,2020,23(5):1222-1229.

[12] 王文仲,李广军,肖永.再生橡胶粉陶粒混凝土力学性能研究[J].低温建筑技术,2016,38(12):3-5.

[13] 陈爱玖,陈萌,王大辉,聚丙烯纤维再生橡胶混凝土基本性能试验研究[J].混凝土,2014(9):57-60.

[14] 文周礼.聚丙烯纤维与再生橡胶粉混杂的高强混凝土高温性能试验研究[D].广州:广东工业大学,2007.

基金资助

河南省科技攻关项目(242102320050)

河南省高等学校重点科研项目(23B560007)