不同掺量的聚丙烯颗粒对混凝土力学及断裂行为的影响

Effect of Different Dosages of Polypropylene Particles on Mechanical and Fracture Behavior of Concrete

摘要

为研究掺入塑料颗粒对混凝土力学强度及断裂特性的影响，开展掺聚丙烯颗粒混凝土抗压、劈裂抗拉及三点弯曲试验，研究不同聚丙烯颗粒掺量对混凝土抗压强度、抗拉强度、弯曲性能、弹性模量及断裂能的影响。结果表明：与素混凝土相比，聚丙烯颗粒掺量为10%、20%和30%的试件抗压强度分别减小8.3%、17.7%和23.8%，劈裂抗拉强度减小10.7%、21.4%和31.9%，峰值荷载减小17.6%、32.5%和45.9%，抗弯强度减小18.0%、32.3%和46.0%，弹性模量减小22.4%、42.3%和53.9%；聚丙烯颗粒掺量为0、10%、20%和30%的试件断裂能增长速率分别为2.4、11.6、17.1、24.9 kN/m。

关键词

聚丙烯颗粒 / 混凝土 / 力学指标 / 断裂能 / 韧性

Key words

Polypropylene particles / Concrete / Mechanical indicators / Fracture energy / Resilience

塑料是一种具有质轻、柔性强、抗腐蚀及耐冲击性能优异的材料^[1-3]，这些工程特点很好地弥补了混凝土脆性显著的短板，因此研究人员尝试将不同种类的塑料颗粒掺入混凝土中。CHEN等^[4]在自密实混凝土中掺入废弃轮胎塑料，开展一系列弯曲疲劳试验，研究废弃轮胎塑料对混凝土弹性模量和弯曲性能的影响。结果表明：弹性模量有一定程度的降低，但弯曲延性显著提高。杨蕊等^[5]通过建立随机骨料模型采用发泡聚苯乙烯(EPS)塑料颗粒代替一定比例的天然骨料，研究EPS塑料颗粒对蒸汽养护混凝土高温损伤的缓解效应。结果表明：掺入EPS颗粒可以有效抑制由热应力引起的温度裂纹扩展，显著缓解因蒸养高温导致的热损伤，细化蒸养混凝土孔结构分布，对其后期强度的增长有利。杨树桐等^[6]以占胶凝质量0、2%、5%、7%、10%和15%的废弃塑料颗粒等体积替代河砂，轴向抗压强度先增后降，28 d弹性模量显著降低。闫思璐等^[7]借助声发射技术，研究聚丙烯塑料颗粒混凝土三点弯曲性能。结果表明：掺入塑料颗粒后，混凝土断裂韧度、断裂能、声发射累积能量均降低，韧性增强，混凝土脆性得到改善。截至目前，掺入塑料颗粒对混凝土性能的研究并不多，且主要集中在混凝土静态力学特性方面，而对疲劳荷载下混凝土断裂行为、损伤累积、能量演化等的报道较少。由于塑料颗粒与水泥基体具有不相容特性^[8]，二者界面接触性能不佳，缺陷瑕疵密集，是裂缝或孔洞萌生扩展的起源地，在疲劳循环载荷下，更易促进裂缝发育和损伤累积，并最终发展成宏观裂缝，引起断裂破坏^[9-10]。因此，研究掺入塑料颗粒对混凝土力学及断裂行为的影响十分必要。为此，开展聚丙烯颗粒混凝土抗压试验、劈裂抗拉试验及三点弯曲断裂试验，讨论不同聚丙烯塑料颗粒掺量对混凝土抗压强度、抗拉强度、弯曲性能、损伤变量及断裂能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

采用的胶凝材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥和河北宝廷工程建设有限公司生产的ⅠⅠ级粉煤灰；细骨料为细度模为2.75的河砂；粗骨料为天然碎石；试验塑料颗粒为顺丰工贸有限公司提供的回收改性聚丙烯塑料，将其磨成小颗粒并漂洗，粒径为5~10 mm，这一粒级能够最大限度地减小塑料颗粒在混凝土拌和过程中的上浮现象^[11]。

1.2 仪器与设备

液压伺服试验机，MU3001A，深圳市川田智能装备有限公司。

1.3 样品制备

本试验共设置4种塑料颗粒掺量，分别替代0、10%、20%和30%的河砂，其中0表示不掺塑料颗粒，即素混凝土；减水剂采用减水率30%的高效聚羧基系减水剂。表1为塑料颗粒混凝土配比。共浇筑3种类型混凝土试件：(1)用于测试立方体抗压强度的立方体试件(400 mm×100 mm×100 mm)；(2)用于测试劈裂抗拉强度的棱柱体试件(400 mm×100 mm×100 mm)；(3)用于测试弯曲断裂特性的长方体试件(400 mm×100 mm×100 mm)，并在试件中部预制一切口，切口深度a ₀为40 mm，h为试件高，a ₀/h=0.3。采用标准养护方式养护28 d。

1.4 性能测试与表征

抗压强度、抗拉强度测试：按GB/T 50081—2019进行。

三点弯曲测试：采用DL/T 5332—2005进行测试。图1为缺口梁试验方案。施加的荷载为高度方向的线荷载，加载点位置在预制切口正上方，以裂缝位置为中心对称布置两个支座，支座间距即梁跨度s为300 mm，支座采用光滑的圆柱形不锈钢垫条。三点弯曲试验又包含单调加载和疲劳加载两种模式，单调加载采用位移控制方式，加载速率为0.001 mm/s，可获得试件弯曲极限强度等静态断裂指标。强度指标取三个平行试件的平均值。疲劳弯曲试验与单调弯曲试验加载条件保持一致，支座跨度及加载点位置均保持不变，疲劳荷载采用频率为2 Hz的正弦波加载波形，见图1c。循环加载应力水平S为0.8，应力比R为0.1，二者的计算式如下^[12]：

S = {\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} / f_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} (1)

R = {\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} / {\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} (2)

式(1)~(2)：f _max为试件极限抗压强度，MPa；σ _max为循环荷载最大应力，MPa；σ _min为循环荷载最小应力，MPa。

伺服试验机可实时、自动读取荷载数据，其自带的夹式伸长计可测量预切口处的裂缝口张开位移，并采用LVDT位移传感器监测混凝土试件跨中预制切口上部前后侧面的垂直位置，即试件的竖向挠度δ。为消除刚体位移误差，试验前在梁试件与支座间填充少许石膏，再施加0.1 kN预荷载，使二者紧密接触，消除虚位。

2 结果与讨论

2.1 抗压和劈裂抗拉强度

图2为抗压强度和劈裂抗拉强度随聚丙烯颗粒掺量的变化曲线。从图2可以看出，试件抗压强度及劈裂抗拉强度指标均与聚丙烯颗粒掺量呈负相关，即随聚丙烯颗粒掺量的增加而减小。与素混凝土相比，聚丙烯颗粒掺量为10%、20%和30%的试件抗压强度分别减小8.3%、17.7%和23.8%，而劈裂抗拉强度分别减小10.7%、21.4%和31.9%。原因为：(1)聚丙烯颗粒的憎水性导致塑料颗粒与水泥浆体界面的水化反应不充分，从而引起二者接触区域孔隙孔洞等瑕疵较多^[13]，塑料颗粒与基体间的黏结性能大幅降低，在拉压荷载下，原生裂缝不断沿内部薄弱处扩展、发育。(2)与天然骨料相比，聚丙烯塑料颗粒的强度和刚度低很多，掺入后显著削弱了混凝土试件整体力学性能。另外，从试验数据点离散性可知，随着聚丙烯颗粒掺量的增大，抗拉强度及劈裂抗拉强度的标准差越大，这意味着掺入聚丙烯颗粒后，混凝土相关力学指标试验数据离散性增大，加剧了混凝土试件的不均匀性。

2.2 弯曲性能

根据缺口梁三点弯曲试验得到的聚丙烯颗粒混凝土试件主要力学指标。表2为聚丙烯颗粒混凝土试件静态弯曲参数。从表2可以看出，峰值荷载、抗弯强度和弹性模量均随聚丙烯颗粒掺量的增加而减小。与素混凝土相比，聚丙烯颗粒掺量为10%、20%和30%试件的峰值荷载分别减小17.6%、32.5%和45.9%，抗弯强度分别减小18.0%、32.3%和46.0%，弹性模量分别减小22.4%、42.3%和53.9%。各弯曲参数的试验数据离散性随聚丙烯颗粒掺量的增加而增大。

2.3 断裂损伤分析

断裂损伤变量可定量表征混凝土试件在循环弯曲荷载下的疲劳损伤程度，其计算方法可参考文献[14]。图3为聚丙烯颗粒混凝土断裂损伤随疲劳荷载的变化曲线。从图3可以看出，所有混凝土试件损伤变量曲线均呈类似“椅子”形，可划分为椅腿、椅座及椅背3个阶段进行分析，对应阶段记为I、Ⅱ、Ⅲ。在I阶段，疲劳荷载初期，损伤变量发展较为迅速，主要集中在混凝土试件原生裂缝和薄弱区萌生、扩展，并出现局部塑性变形区，但范围相对受限，试件多数区域处于弹性变形区^[15]，这个阶段占整个疲劳寿命约5%，损伤变量最大值介于0.22~0.31之间；进入Ⅱ阶段后，随着疲劳荷载的继续施加，界面过渡区等薄弱处在不断萌生微裂缝，但彼此独立产生，并未发生串联，且既有微裂缝扩展也遭遇阻力，因此在此阶段损伤变量发展变得十分缓慢，持续时间也最长，占整个疲劳寿命约90%，损伤变量最大值介于0.24~0.48；到了Ⅲ阶段，断裂损伤变量骤然增加，直至试件断裂破坏，这是由于裂缝的发展由量变到质变，微裂缝通过不断萌生，小范围扩展，直至裂缝群之间发生关系，相互串联，直至发展成为宏观贯通裂缝，试件产生疲劳断裂破坏，这一阶段约占整个疲劳寿命的5%，损伤变量最大值介于0.56~0.79。总的来看，I、Ⅱ、Ⅲ阶段的损伤变量占比分别约为0.3、0.1和0.4。

2.4 断裂能分析

图4为聚丙烯颗粒混凝土的断裂能。从图4可以看出，在聚丙烯塑料颗粒掺量一定的情况下，试件断裂能随循环荷载不断进行呈近似线性增长的趋势。以聚丙烯塑料颗粒掺量为30%的试件为例，弯曲加载次数从0增加至1，即从开始加载至疲劳破坏，断裂能从0增加至24.9 kN/m，增长速率为24.9 kN/m。而对于聚丙烯塑料颗粒掺量为0、10%和20%试件，断裂能增长速率分别为2.4、11.6、17.1 kN/m。可见，随着聚丙烯塑料掺量的增加，混凝土疲劳断裂能增长速率显著增加。另外，当弯曲加载次数一定的情况下，断裂能绝对值随聚丙烯塑料掺量的增加而逐渐增大。以弯曲加载次数为0.8为例，以聚丙烯塑料掺量为0、10%、20%和30%试件的疲劳断裂能分别为2.8、9.2、13.4、19.8 kN/m。这是由于掺入聚丙烯塑料颗粒对混凝土内部各组分间的力学行为及相互作用产生了影响。一方面，在混凝土中均匀分布的聚丙烯塑料颗粒发挥了类似短切纤维的桥连效应^[16]，对疲劳荷载下混凝土内部萌生的微裂缝及后续扩展有一定程度的抑制作用，从而提高了试件的抗变形能力及延性；另一方面，聚丙烯颗粒本身为弹性材料，柔性极强，在疲劳荷载作用通过变形能吸收大量外界能量，同时由于塑料颗粒泊松比较大，受力方向的大变形压缩势必引发垂直方向的显著膨胀，由此产生的侧向膨胀力相当于为水泥基体额外提供了动态变化的围压作用^[17-18]。另外，由于聚丙烯颗粒压缩变形更大，为外围基体提供了额外的变形空间，在一定程度上缓解了由疲劳荷载引发的应力集中现象，抑制新裂缝萌生及扩展，增强抗变形能力。综上所述，掺入聚丙烯颗粒增强了混凝土韧性和抗裂性，从而延缓试件疲劳破坏，增长断裂疲劳寿命。

3 结论

在三点弯曲试验中，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度及弹性模量均与聚丙烯颗粒掺量呈负相关，与素混凝土相比，聚丙烯颗粒掺量为10%、20%和30%的试件抗压强度分别减小8.3%、17.7%和23.8%，劈裂抗拉强度减小10.7%、21.4%和31.9%，峰值荷载减小17.6%、32.5%和45.9%，抗弯强度减小18.0%、32.3%和46.0%，弹性模量减小22.4%、42.3%和53.9%；损伤变量随疲劳荷载的变化曲线呈三阶段“椅子”形，I、Ⅱ、Ⅲ阶段的损伤变量占比分别约为0.3、0.1和0.4；断裂能随循环荷载不断进行呈近似线性增长的趋势，聚丙烯颗粒掺量为0、10%、20%和30%的试件断裂能增长速率分别为2.4、11.6、17.1、24.9 kN/m。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41877237)