鋼纖維改性橡膠混凝土性能試驗(yàn)研究

張　巖，李厚民，段小龍，王儀政

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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鋼纖維改性橡膠混凝土性能試驗(yàn)研究

張巖，李厚民，段小龍，王儀政

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]在 5%、10%、15%、20%橡膠摻量的橡膠混凝土中外摻1.0%體積率的鋼纖維，通過立方體劈裂抗拉試驗(yàn)、棱柱體抗折試驗(yàn)，研究了鋼纖維橡膠混凝土的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度和棱柱體抗折強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻量的增加而明顯下降，摻入鋼纖維后的鋼纖維橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度先降低后提高，棱柱體抗折強(qiáng)度均明顯提高，韌性均顯著提高 。

[關(guān)鍵詞]橡膠混凝土；鋼纖維；韌性；劈裂抗拉強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

混凝土摻橡膠后強(qiáng)度下降較大，是阻礙橡膠廣泛運(yùn)用到混凝土中的主要原因。在這種情況下，改性橡膠混凝土就成為混凝土試驗(yàn)研究的方向。Eldin等的試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，水沖洗膠粉后的橡膠混凝土強(qiáng)度比未沖洗的橡膠混凝土強(qiáng)度提高16%[1]。Segre Nadia等[2]和馬清文等[3]將膠粉、橡膠顆粒在NaOH等強(qiáng)堿溶液中浸泡后研究，結(jié)果不但不會(huì)改變橡膠的物理力學(xué)性能，并且改性后的橡膠混凝土強(qiáng)度和韌性有不同程度的提高，并改善了其極限荷載下的破壞形態(tài)，但是NaOH浸泡處理橡膠顆粒前后對(duì)彈性模量的影響規(guī)律并不明顯。Rostami等通過水清洗橡膠粉后的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高16%，四氯化碳溶液處理橡膠粉后的抗壓強(qiáng)度提高57%[4]。牛銘山、錢克訓(xùn)等人將聚丙烯纖維摻入橡膠混凝土中研究，結(jié)果橡膠混凝土試件的變形、韌性和沖擊性能得到明顯提高，橡膠混凝土的極限彎拉強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的增大也明顯提高，但是聚丙烯纖維對(duì)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不明顯[5]。近年來的研究表明，將鋼纖維摻入到高強(qiáng)混凝土中，能夠明顯提高混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，但立方體抗壓強(qiáng)度下降，隨鋼纖維摻量的增加高強(qiáng)混凝土韌性有所提高，但是抗彎加載曲線還是不夠平緩飽滿[6]。朱江等將鋼纖維和少量的橡膠粉復(fù)合摻入到高強(qiáng)混凝土中，隨鋼纖維摻量的增加，對(duì)不同粒徑橡膠粉的高強(qiáng)橡膠混凝土強(qiáng)度有不同程度的提高，朱江等還通過全摻式和層布式兩種方法分別研究了鋼纖維改性橡膠混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明采用全摻式對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能改善效果較好[7-8]。鋼纖維的摻入提高了高溫作用后橡膠混凝土的韌性性能，而且隨鋼纖維體積率的增加韌性逐漸提高，但高溫作用后的鋼纖維改性橡膠混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均有下降[9]。

本研究以橡膠混凝土為基礎(chǔ)，通過全摻式將鋼纖維以1.0%的體積率摻入到不同橡膠摻量的基準(zhǔn)混凝土中，采用力加載控制方式對(duì)普通混凝土、橡膠混凝土、鋼纖維橡膠混凝土進(jìn)行劈裂抗拉和抗折試驗(yàn)，研究鋼纖維對(duì)不同橡膠摻量混凝土立方體劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度和劈拉、抗折韌性的影響規(guī)律。

1實(shí)驗(yàn)概況

1.1實(shí)驗(yàn)原材料

1)水泥：武漢華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。 2)粗骨料：粒徑為5~10 mm，10~20 mm兩種，二者摻量之比為4∶6，表觀密度2732 kg/m3，級(jí)配合格的二級(jí)配石灰?guī)r。 3)細(xì)骨料：普通中砂，細(xì)度模數(shù)為2.53，最大粒徑為5 mm，表觀密度為2543 kg/m3。 4)橡膠顆粒：山東煙臺(tái)某公司生產(chǎn)的粒徑為3~4 mm的橡膠顆粒。 5)鋼纖維: 抗拉強(qiáng)度≥800 MPa，長(zhǎng)度35 mm，直徑0.6 mm的波浪形鋼纖維。 6)減水劑：武漢某公司生產(chǎn)的耐系羧酸減水劑，減水率為18%，摻量為膠凝材料的1.8%。 7)水：清潔自來水。

1.2試件配合比設(shè)計(jì)及編號(hào)

按照普通混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法對(duì)基準(zhǔn)混凝土(C)，鋼纖維改性橡膠混凝土(SF-RR-C)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)混凝土配合比見表1。

表1　基準(zhǔn)混凝土配合比　　kg/m3

橡膠顆粒采用等體積替換砂率的方式內(nèi)摻入基準(zhǔn)混凝土(C)，替換率分別為5%、10%、15%、20%, 摻入橡膠顆粒質(zhì)量分別為13.76 kg/m3、27.5 kg/m3、41.3 kg/m3、55 kg/m3；鋼纖維采用全摻式,以體積率為1.0%外摻入橡膠混凝土中，即摻入鋼纖維質(zhì)量為78 kg/m3，全摻式鋼纖維改性橡膠混凝土的編號(hào)為SFnRRmC，其中n代表鋼纖維體積率為1.0，m代表橡膠顆粒摻量分別為5、10、15、20。

1.3試驗(yàn)方法

采用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌，所有的試塊均采用振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)。嚴(yán)格按照GB/T50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]和CECS13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]的要求操作，對(duì)基準(zhǔn)混凝土(素混凝土)、橡膠混凝土、鋼纖維橡膠混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)做對(duì)比試驗(yàn)，主要包括立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、棱柱體抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土的加載試驗(yàn)，均取三塊試件極限荷載強(qiáng)度值的平均值為所得結(jié)果值，本次試驗(yàn)的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度、棱柱體抗折強(qiáng)度值結(jié)果見表2。

表2　 鋼纖維橡膠混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1立方體劈裂抗拉試驗(yàn)素混凝土立方體、20%橡膠摻量的橡膠混凝土立方體和在其橡膠混凝土基礎(chǔ)上外摻1.0%體積率鋼纖維的鋼纖維橡膠混凝土立方體的劈拉荷載-位移曲線(圖1)。

圖 1　立方體劈裂抗拉荷載-位移曲線

混凝土的韌性是指基體在開裂后能夠繼續(xù)承受施加荷載的變形能力，材料的強(qiáng)度高而變形性能差或材料的變形性能高而強(qiáng)度較低，其韌性都不好，只有在材料變形性能和強(qiáng)度都高的情況下韌性才好。圖1可見，素混凝土和橡膠混凝土在達(dá)到極限荷載后試件立即破壞，即只有加載上升段沒有下降段，而摻入鋼纖維和橡膠顆粒后的素混凝土加載曲線很完整，荷載位移曲線既有上升段也有下降段，表現(xiàn)出在達(dá)到極限荷載后還能繼續(xù)承受荷載，有較好的延性性能；鋼纖維橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，素混凝土強(qiáng)度次之，橡膠混凝土強(qiáng)度最??；在破壞時(shí)，素混凝土發(fā)出清脆的響亮聲，橡膠混凝土發(fā)出低沉悶聲，而鋼纖維橡膠混凝土幾乎沒有聲音，因此鋼纖維橡膠混凝土的韌度最好。

基準(zhǔn)混凝土在摻入較多橡膠顆粒后立方體劈裂抗拉強(qiáng)度下降較大，不同橡膠摻量的橡膠混凝土外摻1.0%體積率的鋼纖維后強(qiáng)度有不同程度提高，以普通混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，可得到橡膠混凝土、鋼纖維改性橡膠混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的比值，該比值隨橡膠摻量的變化見圖2。

圖 2　立方體劈裂抗拉強(qiáng)度比變化圖

由表2和圖2可見，5%橡膠摻量的混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高2%，可能是因?yàn)?%橡膠摻量等體積替換后基體的顆粒級(jí)配更優(yōu)，橡膠摻量為10%、15%、20%的混凝土立方體劈裂強(qiáng)度都降低，降低量分別為11%、18%、23%，因?yàn)殡S橡膠顆粒摻量的增加，橡膠與基體之間形成的薄弱面增多，導(dǎo)致橡膠混凝土立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸下降，摻入鋼纖維后試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度得到相應(yīng)提高。5%、10%橡膠摻量的混凝土摻入1.0%體積率的鋼纖維后劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降10.3%、6.6%；而15%、20%橡膠摻量的混凝土摻入1.0%體積率鋼纖維后劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高66.9%、66.3%，且此時(shí)鋼纖維橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度大于基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度。這是因?yàn)橄鹉z顆粒作為一種軟彈性體材料摻入基準(zhǔn)混凝土內(nèi)，在劈裂抗拉時(shí)產(chǎn)生較大變形，相對(duì)基體材料而言，此時(shí)抗拉強(qiáng)度非常大的鋼纖維起到了很好的抗拉作用，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高。但是相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土來說，橡膠顆粒和鋼纖維的摻入均與基體形成了薄弱粘結(jié)面， 5%、10%橡膠摻量的混凝土內(nèi)彈性體材料較少，使很少的鋼纖維起到有效的抗拉作用，并且這部分有效作用小于因?yàn)橄鹉z顆粒和鋼纖維摻入形成薄弱面使強(qiáng)度降低的作用；15%、20%橡膠摻量的橡膠混凝土內(nèi)由于有更多的彈性體材料，促使更多的鋼纖維起到有效抗拉作用，這部分有效作用大于因?yàn)橄鹉z顆粒和鋼纖維摻入形成薄弱面使強(qiáng)度降低的作用，橡膠摻量達(dá)到15%時(shí)，鋼纖維橡膠混凝土劈裂強(qiáng)度最大，隨著橡膠量繼續(xù)增加強(qiáng)度反而降低，是因薄弱面的增多促使劈裂抗拉強(qiáng)度下降，但是此時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度仍大于素混凝土的強(qiáng)度，比素混凝土提高7.9%。

2.2.2棱柱體抗折度試驗(yàn)素混凝土棱柱體、20%橡膠摻量的橡膠混凝土棱柱體和在其橡膠混凝土基礎(chǔ)上外摻1.0%體積率鋼纖維的鋼纖維橡膠混凝土棱柱體的抗折荷載-位移曲線，如圖3所示。

圖 3　棱柱體抗折荷載-位移曲線

由圖3可見，素混凝土達(dá)到極限荷載后立即破壞，為脆性破壞，即韌性最差；橡膠混凝土加載曲線雖不像素混凝土那樣達(dá)到極限荷載后立即截止，但還是急劇下降，且強(qiáng)度小于素混凝土強(qiáng)度，其韌性還是很差；1.0%鋼纖維摻量的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度最大，且加載曲線在達(dá)到極限荷載后緩慢下降，荷載曲線比前兩者都要飽滿完整，抗折破壞時(shí)的聲音與劈裂抗拉時(shí)的相似。破壞過程中，基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土試件的跨中從出現(xiàn)裂縫到破壞需要的時(shí)間都很短，破壞時(shí)只有一條裂縫，表現(xiàn)出“一裂即斷”的脆性破壞特征，而加入1.0%鋼纖維后試件在達(dá)到抗折極限荷載時(shí)，先在試件的中間底部出現(xiàn)一條裂縫，繼續(xù)加載底部出現(xiàn)多條細(xì)小的裂縫，最后試件破壞，并且試件沒有完全斷開，表現(xiàn)出“裂而不斷”的延性破壞性質(zhì)。

由表2可得，基準(zhǔn)混凝土摻入5%、10%、15%、20%體積率的橡膠顆粒后，其棱柱體抗折強(qiáng)度明顯降低，降低量分別為3.3%、16.1%、19.4%、22.1%；在上述橡膠摻量的橡膠混凝土中摻入體積率為1.0%的鋼纖維后，其抗折強(qiáng)度明顯提高且比相同橡膠摻量的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度分別提高6.6%、6.6%、17.8%、45.6%，以普通混凝土的棱柱體抗折強(qiáng)度為基準(zhǔn)，可得到鋼纖維改性橡膠混凝土的棱柱體抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的棱柱體抗折強(qiáng)度的比值，該比值隨橡膠體積摻量的變化見圖4。

圖 4　抗折強(qiáng)度比變化圖

由表2和圖4可見，不同摻量橡膠的橡膠混凝土外摻入1.0%體積率的鋼纖維后抗折強(qiáng)度均提高，但不同橡膠摻量的橡膠混凝土強(qiáng)度提高不同。橡膠摻量小于10%時(shí)，隨著橡膠摻量的增加，鋼纖維橡膠混凝土強(qiáng)度下降；當(dāng)橡膠摻量達(dá)到10%之后，鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度隨著橡膠摻量的增加迅速增大，這是由于橡膠顆粒和鋼纖維的摻入均與基體混凝土形成薄弱的粘結(jié)面，而橡膠顆粒是低彈性模量物質(zhì)，其表面先出現(xiàn)裂縫并開始逐漸向兩端擴(kuò)展，之后鋼纖維發(fā)揮抗拉作用。鋼纖維的摻入雖提高了橡膠混凝土抗折強(qiáng)度，但仍小于基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度，因?yàn)槠鸬娇估饔玫匿摾w維較少，鋼纖維提供的抗拉作用小于因薄弱面造成強(qiáng)度降低的作用，隨著橡膠顆粒繼續(xù)增加，促使更多的鋼纖維提供抗拉作用，導(dǎo)致鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度迅速提高，直到橡膠摻量達(dá)到20%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到5.14 MPa比素混凝土抗折強(qiáng)度提高13.5%，這說明了有效部分鋼纖維提供的抗拉作用大于因較多薄弱面而降低的作用。

3結(jié)論

本文通過對(duì)不同橡膠摻量的橡膠混凝土外摻1.0%體積率鋼纖維的劈裂抗拉和抗折試驗(yàn)的研究分析，主要得到以下結(jié)論：

1)相對(duì)于素混凝土，橡膠混凝土的劈裂抗拉韌性和抗折韌性基本無影響，利用鋼纖維改性的橡膠混凝土的劈裂和抗折韌性有顯著提高，不同橡膠摻量時(shí)韌性提高量也不同。

2)摻入橡膠使混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度下降，且隨橡膠摻量的增加下降量增大；相對(duì)于橡膠混凝土，外摻1.0%體積率的鋼纖維時(shí)其劈拉和抗折強(qiáng)度有顯著提高，橡膠摻量為20%時(shí)，其劈拉和抗折強(qiáng)度均已大于素混凝土的強(qiáng)度，且分別比素混凝土高7.9%和13.5%。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Experimental Study on Properties of Rubber Concrete Modified by Steel Fiber

ZHANG Yan, LI Houmin, DUAN Xiaolong, WANG Yizheng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech. ,Wuhan430068,China)

Abstract：The properties of steel fiber with volume fraction of 1.0% modified the rubber concrete with 5%, 10%, 15%, 20% four different dosage were tested and analyzed, through cub plitting tensile test and prismoid flexural test. Test results show that rubber concrete cube splitting tensile strength and prismoid flexural strength reduced obviously along with increasing rubber; the addition of steel fiber first improved the cube splitting tensile strength and then reduced; the prismoid flexural strength of rubber concrete modified by steel fiber was improved obviously, the toughness was also significantly improved.

Keywords：rubber concrete; steel fiber; toughness; splitting tensile strength; flexural strength

[中圖分類號(hào)]TU528.572

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0104-04

[作者簡(jiǎn)介]張巖(1988-)， 男， 河南新鄉(xiāng)人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程

[基金項(xiàng)目]湖北省橋梁中心開放基金(QLZX2014007)

[收稿日期]2015-02-04