陈猛, 王瑜婷, 曹宇新
东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-11-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52178382)；辽宁省自然科学基金资助项目(2020-MS-089)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2001005)。
作者简介：陈猛(1981-)，男，辽宁开原人，东北大学副教授。

摘要：为研究回收轮胎聚合物纤维(RTPF)对混凝土干缩性能的影响，对素混凝土、RTPF混凝土(体积分数分别为0.1%，0.2%，0.4%和0.8%)和聚丙烯纤维(PPF)混凝土(体积分数为0.1%)进行干缩试验和纤维作用机理分析.结果表明：不同掺量RTPF混凝土比素混凝土坍落度降低8.1%~62.2%，含气量增大11.2%~47.9%；RTPF混凝土的干缩率在0~7 d时增长速率较快，之后逐渐平缓，RTPF的加入降低了混凝土干缩的早期增长速率；混凝土干缩率随RTPF掺量的增加出现先降低后升高的趋势，当RTPF体积分数为0.2%时混凝土干缩率出现最小值，不同掺量RTPF混凝土在7 d和28 d时的干缩率分别比素混凝土降低了14.2%~36.0%和2.9%~27.2%；相同体积分数(0.1%)下PPF混凝土的干缩率比RTPF混凝土低，在抑制混凝土干缩方面体积掺量0.2%的RTPF可替代体积掺量0.1%的PPF；扫描电子显微镜测试表明，RTPF可与混凝土基体有效黏结，并承担来自混凝土基体的收缩应力；通过干缩率的拟合值与实测值对比得到适合RTPF混凝土的干缩计算模型.
关键词：纤维混凝土回收轮胎聚合物纤维(RTPF)干缩扫描电子显微镜计算模型
Study on Drying Shrinkage of Recycled Tyre Polymer Fiber Reinforced Concrete
CHEN Meng, WANG Yu-ting, CAO Yu-xin
School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: CHEN Meng, E-mail: cmwhut@163.com.

Abstract: To investigate the effect of recycled tyre polymer fiber (RTPF) on the drying shrinkage properties of concrete, dry shrinkage tests and analysis of the mechanism of fiber action were carried out on plain concrete, RTPF (volume fraction is 0.1%, 0.2%, 0.4% and 0.8%, respectively) concrete and 0.1%polypropylene fiber (PPF) concrete. Results indicated that the slump of RTPF concrete with different contents decreases by 8.1%~62.2%, and the air fraction increases by 11.2%~47.9% as compared with plain concrete. The drying shrinkage rate of RTPF concrete increases rapidly at 0~7 d and then tends to be stabilized. The addition of RTPF reduces the early growth rate of the drying shrinkage of concrete. The drying shrinkage rate of concrete decreases initially and then increases with the increase of RTPF content. When the volume fraction of RTPF is 0.2%, the concrete shows the minimum drying shrinkage rate. The drying shrinkage rates of RTPF concrete with different contents at 7 d and 28 d are 14.2%~36.0% and 2.9%~27.2%, respectively, which are lower than those of plain concrete. The drying shrinkage rate of PPF concrete is lower than that of RTPF concrete at the same volume fraction (0.1%). In terms of the inhibiting concrete drying shrinkage, RTPF with a volume fraction of 0.2% could replace PPF with a volume fraction of 0.1%. The scanning electron microscope showed that RTPF could bond well with the concrete matrix and transfers the shrinkage stress of the concrete matrix. Finally, by comparing the test data and fitting value of drying shrinkage rate, a drying shrinkage calculation model suitable for RTPF concrete was obtained.
Key words: fiber reinforced concreterecycled tyre polymer fiber (RTPF)drying shrinkagescanning electron microscopecalculation model
汽车工业的快速发展，产生了大量废旧橡胶轮胎.为减轻废旧轮胎对环境的污染，国内外****研究了回收轮胎聚合物纤维(recycled tyre polymer fiber，RTPF)对混凝土性能的影响，结果表明RTPF可以改善混凝土的静动态力学性能、疲劳性能和高温爆裂损伤^[1-3]等.Baricevic等^[4]研究发现RTPF掺量超过10 kg/m³时RTPF对混凝土力学性能的不利影响较大.Serdar等^[5]研究了RTPF混凝土(掺量分别为5，10和15 kg/m³)和聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PPF)混凝土(掺量为1 kg/m³)的自收缩性能，结果表明RTPF混凝土比PPF混凝土的自收缩性能好.实际工程中干缩是造成混凝土初始缺陷的重要原因之一，因此需要通过试验研究RTPF混凝土的干缩性能.
纤维可通过填充孔隙和桥接干缩裂缝降低混凝土的干缩率^[6-7]，Saje等^[8]研究表明PPF的湿润角小于90°，可从混凝土基体中吸收部分游离水，从而降低混凝土的干缩率；Banthia等^[9]研究表明PPF可通过与基体黏结承担基体传递的收缩应力，同时在混凝土开裂处发挥桥连作用，抑制混凝土开裂.Sun等^[10]对体积分数分别为0.05%，0.1%和0.15%的PPF混凝土进行了静动态力学试验、疲劳试验和收缩试验，结果表明体积分数为0.1%的PPF混凝土力学性能和抗收缩性能最好.以往研究表明在改善混凝土力学性能方面，体积分数为0.2%的RTPF可替代体积分数为0.1%的PPF^[2-3]，而RTPF和PPF在混凝土干缩性能方面的作用效果仍需通过试验进行对比分析.
本文对素混凝土、RTPF混凝土(体积分数分别为0.1%，0.2%，0.4%和0.8%)和PPF混凝土(体积分数为0.1%)进行干缩试验，分析RTPF掺量对混凝土干缩性能的影响规律，并将RTPF混凝土与PPF混凝土的干缩性能进行对比.结合扫描电子显微镜(SEM)测试分析RTPF的作用机理，根据试验结果建立RTPF混凝土的干缩计算模型.
1 试验概况1.1 原材料及配合比胶凝材料为P.Ⅰ.42.5硅酸盐水泥；细骨料采用细度模数为2.56的河砂，最大粒径为4.75 mm；粗骨料采用5~20 mm的碎石；为了提高新拌混凝土的流动性，添加减水率为38%的聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料质量的1.0%.废旧橡胶轮胎粉碎后得到含有橡胶颗粒的RTPF(见图 1)，经筛分统计得RTPF质量分数为56.8%，橡胶颗粒质量分数为43.2%，RTPF纤维长度及直径分布见图 2，橡胶颗粒的粒径分布见图 3.RTPF和PPF物理及力学性能见表 1，不同类型混凝土配合比见表 2.
图 1(Fig. 1)

图 1 RTPF形貌图Fig.1 Morphology of RTPF (a)—含橡胶颗粒的RTPF；(b)—RTPF的SEM图.

图 2(Fig. 2)

图 2 RTPF长度与直径分布图Fig.2 Distribution of length and diameter of RTPF (a)—长度；(b)—直径.

图 3(Fig. 3)

图 3 橡胶颗粒粒径分布图Fig.3 Particle size distribution of rubber crumb

表 1(Table 1)

表 1 纤维物理及力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of fibers 纤维 类型 长度/ mm 直径/ μm 密度/ (kg·m-3) 强度/ MPa 弹性模量/GPa RTPF 8.7±4.1 21.1±2.5 1 160 475 3.21 PPF 19 26 910 376 3.79

表 1 纤维物理及力学性能 Table 1 Physical and mechanical properties of fibers

表 2(Table 2)

表 2 不同类型混凝土配合比Table 2 Mixture proportions of different concrete 材料编号 m/kg 体积分数/% 水泥 细骨料 粗骨料 水 减水剂 RTPF PPF RTPF PPF RTPF 0 550 560 1 128 154 5.5 — — — — RTPF 0.1 550 560 1 128 154 5.5 1.2 — 0.1 — RTPF 0.2 550 560 1 128 154 5.5 2.4 — 0.2 — RTPF 0.4 550 560 1 128 154 5.5 4.8 — 0.4 — RTPF 0.8 550 560 1 128 154 5.5 9.6 — 0.8 — PPF 0.1 550 560 1 128 154 5.5 — 0.9 — 0.1

表 2 不同类型混凝土配合比 Table 2 Mixture proportions of different concrete

1.2 试件制备及试验方法按照配合比将骨料和水泥放入搅拌机中干拌120 s，然后加入称量好的水和减水剂搅拌不小于120 s，最后加入RTPF(用部分水浸湿)和PPF，搅拌至纤维分散均匀.搅拌完成后，迅速将混凝土拌合物浇入模具(尺寸为100 mm×100 mm×515 mm)，提前将干净的测钉安置在模具两头端板的中心孔中，混凝土装满模具后放在振动台上振捣至表面浮浆泛起，24 h后脱模.
按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》^[11]测试混凝土的坍落度和含气量；按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》^[12]进行干缩试验，试件成型后放入标准养护室(温度(20±2)℃，相对湿度在95%以上)养护3 d后取出.试件从标准养护室取出后立即移入干缩室(温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%)并测试初始长度(含测头).试件移入干缩室后1~7 d每天测量一次干缩值，7 d后每隔2或3 d测量一次干缩值(分别为9，11，14，16，18，21，24，26和28 d)，根据式(1)计算混凝土的干缩率:

(1)

式中：S_t为龄期t d时的混凝土干缩率(%)；L₀为试件的测量标距，等于混凝土试件的长度(不计测头凸出部分)减去2倍测头埋入深度(mm)；X₀为试件的初始长度(含测头)(mm)；X_t为龄期t d时试件长度(含测头)(mm).
2 试验结果及讨论2.1 RTPF混凝土拌合物性能混凝土拌合物的坍落度和含气量如图 4所示.不同掺量RTPF混凝土的坍落度随纤维掺量增加而降低.RTPF 0坍落度为185 mm，RTPF 0.1，RTPF 0.2，RTPF 0.4和RTPF 0.8的坍落度分别比RTPF 0降低8.1%，18.9%，35.1%和62.2%.原因是RTPF掺入混凝土后由砂浆包裹^[2]，且在混凝土中会形成纤维网络，降低混凝土流动性^[13]，导致坍落度降低.
图 4(Fig. 4)

图 4 坍落度和含气量随RTPF掺量变化Fig.4 Variation of slump and air content with RTPF content

RTPF 0含气量为1.88%，不同掺量RTPF混凝土的含气量随纤维掺量增加而升高，RTPF 0.1，RTPF 0.2，RTPF 0.4和RTPF 0.8的含气量分别比RTPF 0增加了11.2%，17.6%，27.1%和47.9%.这是由于RTPF与浆体之间存在的薄弱界面为气体进入提供了更多通道，且RTPF上附着表面粗糙的橡胶颗粒在混凝土搅拌过程中容易引入空气^[14].
2.2 RTPF混凝土干缩不同类型混凝土的干缩率如图 5所示，混凝土的干缩率在龄期为0~7 d时增长速率较快，之后逐渐平缓，这是由于干缩的实测值包括混凝土的自收缩值，而混凝土的自收缩在早期增长较快^[15].RTPF 0，RTPF 0.1，RTPF 0.2，RTPF 0.4和RTPF 0.8在7 d时的干缩率分别达到28 d时的75.5%，66.8%，66.4%，64.2%和66.7%，表明RTPF 0比不同掺量的RTPF混凝土的干缩率早期增长速率快，加入RTPF降低了混凝土干缩的早期增长速率.不同掺量RTPF混凝土7 d时的干缩率与28 d时的比例接近，不同掺量RTPF混凝土干缩率随龄期增加的增长趋势相同.
图 5(Fig. 5)

图 5 RTPF混凝土干缩率Fig.5 Drying shrinkage rate of RTPF concrete

龄期分别为7 d和28 d时，RTPF混凝土干缩率随RTPF掺量的变化见图 6，不同掺量RTPF混凝土7 d和28 d时的干缩率随纤维掺量增加均出现先减小后增大的趋势.当龄期为7 d时，RTPF 0的干缩率为0.071%，RTPF 0.1，RTPF 0.2，RTPF 0.4和RTPF 0.8的干缩率分别比RTPF 0降低了25.1%，36.0%，19.3%和14.2%；当龄期为28 d时，RTPF 0的干缩率为0.095%，RTPF 0.1，RTPF 0.2，RTPF 0.4和RTPF 0.8的干缩率分别比RTPF 0降低15.2%，27.2%，5.1%和2.9%.当RTPF体积分数小于0.2%时，混凝土的干缩率随RTPF掺量增加而下降，这是由于RTPF在混凝土中形成了纤维网络，RTPF与基体相互作用分散混凝土的收缩应力^[16]，且RTPF可桥接混凝土干缩过程中产生的裂缝.另外废旧轮胎粉碎过程中橡胶颗粒表面粗糙，增大了橡胶颗粒与混凝土基体间的摩擦力，降低了混凝土的干缩率^[17].当RTPF体积分数大于0.2%时，混凝土的干缩率随RTPF掺量增加而上升，由2.1节可知这是由于过量的RTPF导致混凝土拌合物工作性能下降，含气量增加，混凝土初始缺陷增多，导致RTPF作用效果减弱，混凝土干缩率增大.
图 6(Fig. 6)

图 6 RTPF混凝土7 d和28 d时的干缩率Fig.6 Drying shrinkage rate of RTPF concrete at 7 d and 28 d

2.3 RTPF混凝土与PPF混凝土对比分析RTPF混凝土与PPF混凝土干缩率对比见图 7，PPF 0.1在7 d和28 d时的干缩率分别比RTPF 0降低了31.3%和20.8%，表明PPF的加入可以降低混凝土的干缩率，这是由于PPF可与混凝土基体黏结，承担由混凝土基体传递的收缩应力，同时PPF可通过桥连作用抑制混凝土收缩裂纹扩展^[9].相同体积分数下(0.1%)PPF混凝土的干缩率比RTPF混凝土小，PPF 0.1在7 d和28 d时的干缩率分别比RTPF 0.1降低了8.4%和6.6%，这是由于PPF长度比RTPF长(见表 1)，与混凝土基体的锚固长度大，承担混凝土基体传递的收缩应力大，这与以往研究的长纤维比短纤维抑制混凝土收缩效果好的结论类似^[9].PPF 0.1在7 d和28 d时的干缩率分别比RTPF 0.2增大了7.2%和8.8%，PPF 0.1的干缩率介于RTPF 0.1和RTPF 0.2之间.由2.2节可知，RTPF体积分数从0.1%增加到0.2%时对混凝土的干缩性能产生积极作用，表明RTPF数量增多有效分散了混凝土的收缩应力，因此在抑制混凝土干缩方面体积分数0.2%的RTPF可替代体积分数0.1%的PPF.
图 7(Fig. 7)

图 7 RTPF混凝土与PPF混凝土干缩率对比图Fig.7 Comparison of drying shrinkage rate of concrete reinforced with RTPF and PPF

2.4 RTPF作用机理分析混凝土的干缩是由于外部环境湿度低于内部湿度，导致内部水分蒸发产生的.根据毛细管张力原理^[18]，混凝土毛细管水分蒸发后会形成弯月面并产生张力，导致毛细管内壁产生压应力，向内收缩，混凝土产生收缩变形.纤维加入混凝土后，在基体内部呈三维乱向分布，对毛细管形成挤压或阻塞毛细管，减少基体的失水面积，并减小由于毛细管失水引起的内应力^[19].
另外，由2.2节可知，当RTPF掺量小于0.2%时，混凝土28 d时的干缩率比RTPF 0降低了15.2%~27.2%，表明纤维可以分散混凝土收缩产生的应力，缓解应力集中，使收缩均匀化，从而减少混凝土裂缝产生并减缓裂缝扩展.由图 8可知，RTPF可与混凝土基体有效黏结，使混凝土中的应力均匀传到纤维上，当RTPF体积分数大于0.2%时，混凝土28 d时的干缩率比RTPF 0降低了2.9%~5.1%，这是由于混凝土拌合物工作性能下降，含气量增加(见2.1节)，导致混凝土初始缺陷增多，RTPF抑制干缩作用减小.
图 8(Fig. 8)

图 8 RTPF与混凝土基体黏结图Fig.8 SEM image of bonding between RTPF and the concrete matrix

3 RTPF混凝土干缩计算模型目前常用的混凝土干缩计算模型有双曲线模型、对数模型和指数模型，表达形式分别如式(2)~式(4)所示^[20].对试验结果按照三种模型进行拟合，得到不同模型的待定系数见表 3，结果表明各模型的相关系数均较大，不同模型28 d时的拟合值与试验值对比如图 9所示.将拟合值与试验值差的平方和进行对比，得到双曲线模型的拟合值与试验值差的平方和最小，因此双曲线模型的拟合值与试验值相差最小，即双曲线模型最适合预测RTPF混凝土的干缩率.

(2)

(3)

(4)

表 3(Table 3)

表 3 不同预测模型各拟合参数取值Table 3 Values of fitness parameters of different predicting models 材料名称 双曲线模型 对数模型 指数模型 b R2 R2 f g R2 RTPF 0 1.06 3.57 0.994 6.92 85.38 2.73 0.962 42.00 0.94 0.19 0.987 13.90 RTPF 0.1 0.96 5.89 0.997 2.78 -8.59 2.47 0.989 9.49 0.96 0.15 0.993 6.00 RTPF 0.2 0.82 5.73 0.994 3.62 -3.54 2.11 0.989 7.01 0.95 0.14 0.987 8.30 RTPF 0.4 1.07 6.34 0.996 4.33 -16.31 2.71 0.992 8.46 0.95 0.13 0.989 10.70 RTPF 0.8 1.11 5.92 0.991 10.7 0.60 2.81 0.984 17.40 0.95 0.15 0.992 9.72 注：R2为拟合曲线的相关系数；Δ2为不同时间拟合值与试验值差的平方和.

表 3 不同预测模型各拟合参数取值 Table 3 Values of fitness parameters of different predicting models

图 9(Fig. 9)

图 9 不同预测模型拟合值与试验值对比Fig.9 Comparison of fitted and experimental values of different prediction models

式中：a，b，c，d，f，g为待定系数；S_s为干缩率终值(%).
4 结论1) 混凝土坍落度随RTPF掺量增加而降低，RTPF掺量为0.1%~0.8%的混凝土坍落度比RTPF 0降低了8.1%~62.2%；含气量随RTPF掺量增加而增大，RTPF掺量为0.1%~0.8%的混凝土含气量比RTPF 0提高了11.2%~47.9%.
2) RTPF混凝土的干缩率在0~7 d时增长速率较快，之后逐渐平缓，RTPF的加入降低了混凝土干缩的早期增长速率，不同掺量RTPF混凝土干缩率随龄期增加的增长趋势相同.RTPF混凝土的干缩率随RTPF掺量增加呈现先减小后增大的趋势，RTPF 0.2的干缩率最小，不同掺量RTPF混凝土在7 d和28 d时的干缩率分别比素混凝土降低了14.2%~36.0%和2.9%~27.2%.
3) RTPF和PPF混凝土的干缩率均比素混凝土低，PPF 0.1的干缩率介于RTPF 0.1和RTPF 0.2之间，在抑制混凝土干缩方面体积分数0.2%的RTPF可替代体积分数0.1%的PPF.
4) RTPF通过与混凝土基体黏结承担混凝土的收缩应力，通过桥连作用抑制混凝土裂缝发展，有效抑制混凝土的干缩.对RTPF混凝土的干缩率进行拟合，分析双曲线模型、对数模型和指数模型三种混凝土干缩计算模型的拟合效果，表明双曲线模型拟合值与试验值相差最小.
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