一种环境友好型纤维增强橡胶混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种环境友好型纤维增强橡胶混凝土及其制备方法。
背景技术
随着汽车产业的快速发展，全球每年都有大约10亿只轮胎结束寿命，其中超过50％轮胎没有经过处理被丢弃，从而对环境和社会造成巨大威胁。目前全球废旧轮胎数量巨大且增长迅速，对其回收利用无疑成为了巨大的挑战。此外，在建筑行业高速发展的驱动下，2019年我国的砂石消耗量高达200亿吨，且对砂石的需求量日益增大，天然砂石资源变得更加紧缺，长久以来，我国建筑所用的砂石主要是河砂，多年超量开采砂石后，严重影响河道的生态环境与安全。将废弃轮胎橡胶颗粒作为细骨料替代部分天然砂石掺入到混凝土中，不但能实现废旧轮胎的回收再利用，还能降低天然骨料的消耗，从而保护生态环境，实现可持续发展。
纤维增强复合材料(FRP)由于其高强度、质量轻、耐久性能好等优异性能被广泛应用，例如大规模应用在风力机片中。过去几十年，大量风力发电机投入应用，风力机叶片的使用寿命预期是20-25年。随着大量风力发电机叶片达到使用寿命，大量的废弃FRP等待着处理。若直接丢弃风力机片的碳纤维增强复合材料，则会造成大量的资源浪费、污染环境以及大量土地资源被占用与浪费。另外，玻璃纤维增强复合材料抗弯韧性好，被广泛应用于制造游艇船体、甲板；直升机外壳和旋翼桨叶；以及汽车仪表盘、座椅等。
添加了橡胶的混凝土虽然可实现废旧轮胎的回收再利用，但是在一定程度上也降低了混凝土的抗弯与抗压强度，限制了橡胶混凝土的使用。如能将废弃FRP重新利用，提升混凝土的抗弯韧性，则可极大地实现资源的可持续使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提升橡胶混凝土的性能，提供一种环境友好型纤维增强橡胶混凝土，拓展混凝土的应用范围。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
一种环境友好型纤维增强橡胶混凝土，由以下组分按重量份数组成：
水泥500-600份、水200-250份、砂500-650份、粗骨料1000-1200份、减水剂0-3份、回收橡胶10-50份、回收纤维5-35份。
其进一步地技术方案为，所述环境友好型纤维增强橡胶混凝土由以下组分按重量份数组成：
水泥530-560份、水210-230份、砂530-590份、粗骨料1020-1100份、减水剂1-2份、回收橡胶15-40份、回收纤维8-27份。
其进一步地技术方案为，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为P.O 32.5-52.5R。
其进一步地技术方案为，所述粗骨料为粒径4.75-19mm的碎石。
其进一步地技术方案为，所述砂为级配良好的天然砂。
其进一步地技术方案为，所述减水剂的减水率为30％～45％。
其进一步地技术方案为，所述回收纤维的长度为10-100mm，宽度为1-5mm，厚度为0.1-1mm。
其进一步地技术方案为，所述回收橡胶的粒径为4.75mm以下。
可以理解地，所述回收橡胶颗粒，按体积替代砂作为细骨料掺入混凝土中，可降低天然骨料消耗和减少因废弃橡胶而产生的碳排放。
其进一步地技术方案为，所述回收纤维为废弃回收的纤维增强复合材料板材或片材。优选地，该回收纤维是通过使用切刀机和切碎机将废弃的纤维增强复合材料板材或片材加工而成。
本发明还提供制备上述的环境友好型纤维增强橡胶混凝土的方法，包括如下步骤：
1)按比例，取粗骨料、砂、水泥和回收橡胶搅拌至均匀得到干料；
2)将减水剂加入至水中混合均匀形成混合溶液，将部分混合溶液加入步骤1)所得的干料中，搅拌均匀形成流动浆体；
3)将回收纤维加入步骤2)所得的流动浆体中，搅拌至均匀，并加入剩下的混合溶液，搅拌至均匀，即得所述的环境友好型纤维增强橡胶混凝土。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
A.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，经实验证明，具有较好的抗冲击能力、延性和抗弯韧性，在抗震结构、道路路面、护栏以及防撞桥墩等工程中具有广泛的应用前景。
B.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，原料采用回收橡胶与回收纤维，可减少天然骨料的使用量，还能有效减少碳排放和降低资源消耗。
C.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，生产工艺简单，不需要专用生产设备，普通混凝土搅拌设备即可满足生产需求，整个搅拌过程用时较短。另一方面，其原料来源广泛，适合产业化生产。
D.本发明的混凝土和易性较好，可满足土木施工的要求。
附图说明
图1A为普通混凝土的抗弯性能测试结果；
图1B为实施例1的环境友好型纤维增强橡胶混凝土抗弯性能测试结果；
图2A为普通混凝土的抗冲击性能测试结果；
图2B为实施例3的环境友好型纤维增强橡胶混凝土抗冲击性能测试结果；
图3A为普通混凝土在抗弯性能测试中断裂的断裂面；
图3B为实施例3的环境友好型纤维增强橡胶混凝土在抗弯性能测试中断裂的断裂面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，所述混凝土以1m3计，原料成分以及制备方法如下：
1)按重量称取以下原料：
水泥540kg(强度等级为P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥)；
水216kg；
砂531kg(级配良好的天然河砂)；
粗骨料1078kg(粒径在4.75-19mm之间的花岗岩碎石，且级配良好)；
减水剂1kg(减水率为30％～45％的聚羧酸盐高效减水剂)；
回收橡胶27.4kg(粒径在4.75mm以下的回收轮胎废弃橡胶颗粒，且级配良好)；
回收纤维8.5kg(长度35mm，宽度2mm，厚度0.2mm，弹性模量236GPa，拉伸强度4292MPa的回收CFRP纤维)。
2)将称取的粗骨料、砂和橡胶搅拌至均匀得到混合骨料。
3)将称取的水泥加入步骤2)所得的混合骨料中，搅拌均匀得到干料。
4)将减水剂加入至水中混合均匀形成混合溶液，接着将一半混合溶液加入步骤3)所得的干料中，搅拌至均匀形成流动浆体1。
5)将称取的CFRP纤维分多次加入步骤4)所得的流动浆体中，搅拌至均匀形成流动浆体2。
6)将最后一半的混合溶液加入步骤5)所得的流动浆体2中，搅拌至均匀，即得。
将新拌的混凝土倒进模具中，24小时后脱模，并将所得的混凝土试块放置在温度为20.0±2.0℃和湿度95.0％以上的标准养护室中养护28天。
28天养护完成后，进行如下试验测试：
坍落度测试：根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》规定进行试验；
抗弯性能测试：根据CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》的要求进行试验；
抗冲击性能测试：根据CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》的要求进行试验。
经测试，实施例1的混凝土坍落度为170mm，相比普通混凝土的塌落度180mm，在流动性方面差别不大，都较好，可满足土木施工的要求；
实施例1的混凝土的抗折强度为3.98MPa，相比普通混凝土的抗折强度4.44MPa，抗折强度有所下降，但是，实施例1的混凝土具有较好的抗弯韧性和延性(如图1A、1B所示)，在构件破坏后，混凝土仍具有一定的残余承载力。
实施例1的混凝土具有较好的抗冲击能力，其抗冲击耗能为704.11J，相比普通混凝土的437.04J，抗冲击耗能提升1.61倍。
需要说明的，所述普通混凝土未掺加回收橡胶和回收纤维，并且砂重量为590kg，除此外，其余用料、用量以及制备方法同实施例1。
实施例2：
本实施例提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，所述混凝土以1m3计，本实施例与实施例1的不同之处在于各组分的用量，具体如下：
水泥540kg、水216kg、砂531kg、粗骨料1078kg、减水剂1kg、回收橡胶27.4kg、回收CFRP纤维17.0kg；
制备方法同实施例1。
对实施例2的混凝土进行测试，测试方法同实施例1，结果如下：
经测试，实施例2的混凝土的坍落度为155mm，与普通混凝土相比有所下降，但仍可满足土木施工的要求；
实施例2的混凝土的抗折强度为4.15MPa，相比普通混凝土的抗折强度有所下降。但相比实施例1，CFRP纤维掺量的提高，抗折强度也会提高，且有较好的抗弯韧性和延性。
实施例2的混凝土具有较好的抗冲击能力，其抗冲击耗能为1019.75J，相比普通混凝土，抗冲击耗能提升2.33倍。
实施例3：
本实施例提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，所述混凝土以1m3计，本实施例与实施例1的不同之处在于各组分的用量，具体如下：
水泥540kg、水216kg、砂531kg、粗骨料1078kg、减水剂1kg、回收橡胶27.4kg、回收CFRP纤维25.5kg；
制备方法同实施例1。
对实施例3的混凝土进行测试，测试方法同实施例1，结果如下：
经测试，实施例3的混凝土的坍落度为143mm，与普通混凝土相比有所下降，但仍可满足土木施工的要求；
实施例3的混凝土的抗折强度为4.32MPa，与普通混凝土的抗折强度相差不大，相比实施例2，实施例3CFRP纤维掺量提高，抗折强度也会提高，且有较好的抗弯韧性和延性，这主要得益于纤维在混凝土中起到了桥接作用(如图3A、3B所示)。
实施例3的混凝土具有较好的抗冲击能力，其抗冲击耗能为1772.42J，相比普通混凝土，抗冲击耗能提升4.06倍，冲击破坏形态如图2A、2B所示。
试验对比分析
本发明实施例1至3与普通混凝土的坍落度、抗折强度和抗冲击性能对比如表1所示：
表1本发明实施例的混凝土与普通混凝土的测试结果对比
进一步地，本发明探讨混凝土对碳排放的影响。通过公式(1)计算得到每立方米混凝土的碳排放量，结果表明，采用回收橡胶与回收纤维，能有效减少碳排放，其中1m3实施例3中的混凝土碳排放量295.32kg，相比普通混凝土碳排放量465.75kg，实施例3的混凝土能够减少碳排放170.43kg。
公式(1)中，ECO2e表示的是混凝土混合物在结构生命周期内释放出的CO2总量，gi为每单位质量每种成分i的ECO2e值，mi为每单位体积混凝土中每种成分i的质量。
更进一步地，以深圳市住宅建筑为例，如果在未来逐渐拆除重建1989年之前的住宅建筑物，计划拆除重建的住宅建筑共有3000栋，建筑面积为129.4亿平方米。如果重建这些住宅建筑时容积率提升一倍，并且采用实施例3中的混凝土，则能减少碳排放超过15.4亿吨。
综上，本发明实施例提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土及其制备方法与现有技术相比，具有以下技术效果：
A.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，经实验证明，具有较好的抗冲击能力、延性和抗弯韧性，在抗震结构、道路路面、护栏以及防撞桥墩等工程中具有广泛的应用前景。
B.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，原料采用回收橡胶与回收纤维，可减少天然骨料的使用量，还能有效减少碳排放和降低资源消耗。
C.本发明提供的环境友好型纤维增强橡胶混凝土，生产工艺简单，不需要专用生产设备，普通混凝土搅拌设备即可满足生产需求，整个搅拌过程用时较短。另一方面，其原料来源广泛，适合产业化生产。
D.本发明的混凝土和易性较好，可满足土木施工的要求。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
