鋼纖維改性橡膠混凝土的力學(xué)性能研究

陳煒 滕曉丹 曾日平 韋劍標(biāo)

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，混凝土作為一種抗壓強(qiáng)度高但脆性大、抗拉強(qiáng)度低的材料，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足建設(shè)要求，因此在混凝土中摻入橡膠顆粒和鋼纖維成為目前國(guó)內(nèi)外的研究焦點(diǎn)之一。文章介紹的試驗(yàn)主要針對(duì)混凝土在結(jié)構(gòu)中的受力形式，設(shè)置了2種力學(xué)性能測(cè)試——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)，脆性也有所下降；隨著鋼纖維摻入橡膠混凝土中，混凝土的力學(xué)性能得到提升，抗裂能力也得以增強(qiáng)，拉壓比也有上升趨勢(shì)。所以，本試驗(yàn)得出結(jié)論：在混凝土中摻入用廢舊輪胎制成的橡膠顆粒和鋼纖維，不但能起到環(huán)保作用，而且有利于提高混凝土的力學(xué)性能和改善混凝土的脆性，為鋼纖維和橡膠顆粒作為一種混凝土摻料的運(yùn)用提供了有價(jià)值的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】橡膠顆粒；鋼纖維；混凝土；力學(xué)性能；脆性

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU528 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）06-0031-04

0 前言

混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料，具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、強(qiáng)度等級(jí)范圍寬等特點(diǎn)。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土的自重大、脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。而在混凝土中摻入纖維是一種提高混凝土各種性能的重要手段之一，可使得混凝土的抗拉強(qiáng)度、耐疲勞性和變形能力得到提升，其中較常用的有橡膠和鋼纖維。

馮文賢等人[1]進(jìn)行了三點(diǎn)彎拉疲勞性能研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摻入橡膠雖降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但混凝土的韌性、變形性能和疲勞性能均得到了較好的提升。

程偉偉等人[2]從鋼纖維的作用機(jī)理出發(fā)，從理論上說(shuō)明了鋼纖維在混凝土中的受力狀態(tài)和耗能關(guān)系，說(shuō)明鋼纖維在混凝土中能夠很好地承受拉力，而混凝土則發(fā)揮其抗壓的優(yōu)勢(shì)，各取所長(zhǎng)。

張巖[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒對(duì)混凝土強(qiáng)度影響很大，且隨其摻量的增加，混凝土強(qiáng)度下降得更厲害。但當(dāng)摻入鋼纖維時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維橡膠混凝土的劈裂韌性單調(diào)增強(qiáng)。

張?jiān)粕彽热薣4]通過(guò)對(duì)摻鋼纖維的橡膠砂漿力學(xué)強(qiáng)度的研究發(fā)現(xiàn)，鋼改橡膠砂漿強(qiáng)度提高的原因之一是橡膠顆粒的摻入明顯提高砂漿的密實(shí)度。

鋼纖維改性橡膠混凝土是在混凝土基體中同時(shí)加入鋼纖維和橡膠顆粒而制成的新型混凝土，鋼纖維和橡膠顆粒主要通過(guò)物理作用改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不改變混凝土中各種材料的化學(xué)性能。鋼纖維的摻入可有效地提高橡膠混凝土的力學(xué)性能和延性，改善混凝土由于摻入橡膠導(dǎo)致的強(qiáng)度下降的問(wèn)題。本文研究相同摻量的鋼纖維對(duì)不同摻量的橡膠混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

（1）水泥、粗細(xì)骨料：水泥采用海螺牌P.O42.5型普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用廣西南寧市當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的石子，顆粒粒徑為20～25 mm，砂子采用當(dāng)?shù)氐暮由埃?xì)度模數(shù)為2.5，堆疊密度為1 120 kg/m3。

（2）橡膠顆粒：在常溫下將廢舊輪胎粉碎到20目的橡膠顆粒，堆積密度為440 kg/m3，粒徑為1～5 mm。

（3）鋼纖維：彎鉤形，密度為7 850 kg/m3，長(zhǎng)徑比為45。

1.2 試驗(yàn)配合比

（1）經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室試配確定試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

（2）將鋼纖維按1.5%的體積率摻入，以橡膠摻入量5%、10%、15%、20%為試驗(yàn)變量，得到表2的試驗(yàn)摻量。

1.3 試件的尺寸、數(shù)目、制作及養(yǎng)護(hù)

1.3.1 試件的尺寸及數(shù)目

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002），各組試件的尺寸、數(shù)量和試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表3。

1.3.2 鋼纖維橡膠混凝土的攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)

鋼纖維橡膠混凝土的制備工藝與普通混凝土基本相同，但在投料順序、攪拌時(shí)間上需要按規(guī)定嚴(yán)格控制，本試驗(yàn)采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)攪拌來(lái)保證鋼纖維橡膠混凝土混合料的質(zhì)量和均勻性，本試件制作流程如下。

（1）根據(jù)材料配合比的設(shè)計(jì)要求，將砂、水泥、水、石頭、橡膠、鋼纖維提前稱(chēng)好重量備用。

（2）清刷模具后，內(nèi)壁刷油。

（3）將砂子和水泥倒入攪拌機(jī)，攪拌30 s，再將石子倒入攪拌機(jī)，攪拌30 s。為避免橡膠和鋼纖維在攪拌過(guò)程中發(fā)生聚集現(xiàn)象，把橡膠和鋼纖維分為5等份，每15 s倒入1份，最后加水?dāng)嚢?0 s。

（4）卸料澆筑于試模中，拌和物應(yīng)稍高于試模表面，采用振動(dòng)臺(tái)振搗成型，待試件表面出漿且氣泡不再增多，停止振動(dòng)，刮去多余拌和物，用刮刀抹平表面。

（5）澆筑成型24 h后脫模，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d。

2 鋼纖維橡膠混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 鋼纖維橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

2.1.1 試驗(yàn)方法

鋼纖維橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10組100 cm×100 cm×100 cm的試塊，每組3個(gè)，共計(jì)30個(gè)試塊。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50081—2002）和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS13：2009）的規(guī)定，在2 000 kN電液萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度。由于試件在振搗成型時(shí)，鋼纖維在混凝土中的分布由三維亂向分布趨于二維分布，所以在加壓時(shí)用試件成型的側(cè)面作為承壓面，加載速度取0.5 MPa/s均勻加載，當(dāng)試件急劇變形并破壞時(shí)，停止加載，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)各立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，強(qiáng)度比為橡膠混凝土、鋼纖維混凝土、鋼纖維橡膠混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度的比值。

由表4可知，摻入0%、5%、10%、15%、20%的橡膠顆粒的普通混凝土R0SF0、R5SF0、R10SF0、R15SF0、R20SF0的立方體抗壓強(qiáng)度分別為31.26 MPa、29.47 MPa、29.04 MPa、27.11 MPa、24.13 MPa?？梢钥闯?，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度明顯降低，最大降低了23%，主要原因如下：①橡膠顆粒作為一種低強(qiáng)度的塑性材料，在代替細(xì)骨料摻入混凝土?xí)r，造成混凝土表觀密度降低，密實(shí)度有所減小，并在混凝土中形成軟弱點(diǎn)，隨著摻量的增加，軟弱點(diǎn)也隨之增加，從而形成大量軟弱處，導(dǎo)致混凝土立方體抗壓強(qiáng)度大幅降低。②橡膠屬于高分子憎水性材料，而水泥是一種無(wú)機(jī)化合物，橡膠顆粒表面容易吸附氣體，于混凝土基體間產(chǎn)生薄弱的結(jié)構(gòu)面，從而導(dǎo)致混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低。

而摻入1.5%的鋼纖維時(shí)，對(duì)每一種橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的提高程度分別為32%、24%、11%、8%、4%，若將鋼纖維橡膠混凝土與素混凝土進(jìn)行比較，則摻1.5%鋼纖維+不同摻量的橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別提高了32%、17%、3%、-6%、-12%，即隨著鋼纖維的加入，普遍提高了橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)橡膠摻量為15%、20%時(shí)，鋼纖維橡膠混凝土的強(qiáng)度相較素混凝土仍會(huì)降低，其主要原因如下：①混凝土內(nèi)部存在許多不同大小的裂縫和軟弱點(diǎn)，在外荷載作用下，這些裂縫和軟弱點(diǎn)會(huì)率先發(fā)育，因?yàn)閼?yīng)力集中而引起擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土破壞，鋼纖維在混凝土中均勻地分布，起到錨固作用，使混凝土由受單向壓力轉(zhuǎn)化為受三向壓力，等同于在抗壓時(shí)限制了混凝土的側(cè)向變形。②摻入橡膠后，橡膠顆粒能有效地降低裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度，限制裂縫的變形，從而影響裂縫的發(fā)展。③當(dāng)橡膠摻量為15%、20%時(shí)，混凝土的密實(shí)性遭到強(qiáng)烈的破壞，導(dǎo)致?lián)饺脘摾w維所提高的強(qiáng)度無(wú)法抵消橡膠顆粒摻量過(guò)大帶來(lái)的強(qiáng)度降低。

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以發(fā)現(xiàn)，素混凝土在抗壓過(guò)程中，臨界裂縫一旦出現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)便迅速破壞。而橡膠混凝土即便達(dá)到極限強(qiáng)度，也沒(méi)有立即破壞，而是有一個(gè)明顯的塑性破壞過(guò)程。分析原因主要是橡膠顆粒在混凝土基體內(nèi)提供減緩應(yīng)力集中程度的作用十分明顯，再加上鋼纖維承受部分拉應(yīng)力，阻礙了裂縫的發(fā)展。這說(shuō)明了橡膠和鋼纖維起到了增強(qiáng)混凝土韌性的作用。

2.2 鋼纖維橡膠混凝土立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.1 試驗(yàn)方法

混凝土是一種主要用于受壓的脆性材料，然而在很多結(jié)構(gòu)構(gòu)件中也用作受拉，所以劈裂抗拉強(qiáng)度也是混凝土的主要基本力學(xué)性能指標(biāo)，且直接影響了鋼筋混凝土的開(kāi)裂和變形性能。橡膠的摻入可以改善混凝土的脆性特征，但會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度急劇下降。如若在橡膠混凝土中摻入鋼纖維，憑借鋼纖維優(yōu)越的阻裂特性，不僅能改善橡膠混凝土的低強(qiáng)度問(wèn)題，還可以使混凝土的韌性得到進(jìn)一步的提升。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10組150 cm×150 cm×150 cm的試塊，每組3個(gè)，共計(jì)30個(gè)試塊。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50081—2002）的規(guī)定，在500 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度，加載速度取0.05 MPa/s均勻加載，當(dāng)試件急劇變形并破壞時(shí)，停止加載，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)各立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，強(qiáng)度比為橡膠混凝土、鋼纖維混凝土、鋼纖維橡膠混凝土與普通混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的比值。

由表5可以得出，僅摻入5%、10%、15%、20%的橡膠顆粒的混凝土相較素混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降，且隨著摻量的增加下降得更嚴(yán)重，最高下降27%，這與抗壓強(qiáng)度下降的主要原因大致相同，因?yàn)橄鹉z作為低強(qiáng)度的塑性材料，易在混凝土內(nèi)部形成薄弱的軟弱點(diǎn)，并且與混凝土基體產(chǎn)生薄弱面，且隨著摻量的增加，混凝土內(nèi)部的軟弱點(diǎn)和薄弱面逐漸增加，造成劈裂抗拉強(qiáng)度顯著地下降。

而在摻入1.5%的鋼纖維后，鋼纖維橡膠混凝土相對(duì)0%、5%、10%、15%、20%摻量的橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提高，最高提高61%，對(duì)應(yīng)為摻入5%的橡膠顆粒和1.5%的鋼纖維的R5SF1.5鋼纖維橡膠混凝土。從強(qiáng)度比可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的提高，鋼纖維橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，R5SF1.5的橡膠混凝土相對(duì)R0SF1.5的橡膠混凝土強(qiáng)度略有提升，其原因應(yīng)該是摻入少量的橡膠使得混凝土密實(shí)性提高，混凝土受力有效面積增大，導(dǎo)致混凝土受拉強(qiáng)度有所提高。鋼纖維作為一種高強(qiáng)度的阻裂材料，在混凝土基體中起到橋梁的作用，可以阻止裂縫的發(fā)展，分擔(dān)了很大一部分混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力。而橡膠顆粒則是有緩和裂縫尖端應(yīng)力集中程度的作用，因此在摻1.5%鋼纖維的混凝土中摻入5%的橡膠顆粒有助于小幅度提高劈裂抗拉強(qiáng)度。

此外，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，圓弧形墊塊幾乎嵌入混凝土，而混凝土并未發(fā)生較大變形而導(dǎo)致開(kāi)裂破壞，可知鋼纖維的加入有助于提高混凝土的抗裂性能和變形性能，阻礙了臨界裂縫的發(fā)展。

2.3 鋼纖維橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

2.3.1 拉壓比

拉壓比即混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的比值，是作為評(píng)定力學(xué)性能的指標(biāo)之一，可以在一定程度上反映混凝土的脆性性能，拉壓比越小，混凝土越脆；反之脆性越低，意味著混凝土韌性越高。表6為本次試驗(yàn)各配合比混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值。

由表6可以分析得出以下結(jié)論。

（1）隨著橡膠顆粒的摻入，混凝土的脆性性能并不會(huì)降低，反而呈小幅度提升的趨勢(shì)，這是因?yàn)橄鹉z顆粒的摻入導(dǎo)致混凝土密實(shí)度減小，這與強(qiáng)度降低的原因大致一樣，這里不再贅述。

（2）鋼纖維的摻入起到連接裂縫的作用，橡膠混凝土開(kāi)裂后能夠繼續(xù)承受荷載，很好地提高了混凝土的韌性，而由于橡膠顆粒能夠有效地降低混凝土基體內(nèi)部的裂縫尖端應(yīng)力集中程度，因此鋼纖維和橡膠顆?；鞊较鄬?duì)于只摻鋼纖維的混凝土的拉壓比有小幅度的提升，即脆性性能有所降低，其中最佳的搭配是摻15%的橡膠顆粒和1.5%的鋼纖維的R15SF1.5，其拉壓比為0.111 0。

3 結(jié)論

（1）橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻入量的增多而降低，并且僅摻入橡膠顆粒時(shí)，混凝土的脆性性能有所提升。

（2）混凝土摻入鋼纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提高。并且，鋼纖維的加入有助于阻礙混凝土裂縫的發(fā)展，減弱混凝土脆性性能。

（3）摻入5%的橡膠顆粒和1.5%的鋼纖維組合的鋼纖維橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高最多，摻入15%的橡膠顆粒和1.5%的鋼纖維組合的鋼纖維混凝土對(duì)混凝土脆性性能的減弱最為明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馮文賢，劉鋒，鄭萬(wàn)虎.橡膠混凝土疲勞性能的試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2012（4）：469-473.

[2]程偉偉，姚韋靖.鋼纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].四川建材，2016（8）：12-14.

[3]張巖.鋼纖維改性橡膠混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]張?jiān)粕?，周宏凱，李啟令.廢舊輪胎橡膠改性水泥基材料的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2008（5）：68-70.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]