廢輪胎鋼纖維混凝土的彎曲韌性試驗(yàn)研究

高玲玲

（山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，山西 太原 030027）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，廢舊輪胎的回收利用受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。廢舊輪胎主要由橡膠、炭黑以及金屬等組成，具有極高的資源再生利用價(jià)值[1-2]，但不恰當(dāng)?shù)馁A存、再生、處置會(huì)造成環(huán)境和安全問(wèn)題，影響人們的身體健康。因此，如何合理有效地利用和處置廢舊輪胎、防止環(huán)境污染已成為人們必須面對(duì)的問(wèn)題。

目前，廢輪胎主要用于再生橡膠和制作膠粉，而金屬鋼絲部分則沒(méi)有較好的利用渠道[3-4]。由于輪胎用鋼絲多為冷拔或回火鋼絲，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600 MPa，具備優(yōu)異的抗拉、抗彎性能[5]。隨著鋼纖維混凝土的研究應(yīng)用[6-12]以及廢輪胎回收加工工藝的發(fā)展，利用廢輪胎制作鋼纖維，進(jìn)而生產(chǎn)廢輪胎鋼纖維混凝土已成為可能。本文圍繞廢輪胎鋼纖維和廢輪胎鋼纖維混凝土的制備、應(yīng)用展開(kāi)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究廢輪胎鋼纖維混凝土的彎曲韌性，以期為廢輪胎鋼絲的循環(huán)利用提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）廢輪胎鋼纖維：唐山致泰鋼纖維有限公司產(chǎn)，主要經(jīng)抽絲-切斷-整形流程加工獲得，鋼纖維均勻、切口整齊、個(gè)別表面有少量橡膠粘連；普通鋼纖維：唐山致泰鋼纖維有限公司產(chǎn)，鋼纖維均勻、切口整齊、表面亮澤。2種鋼纖維的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維的主要性能指標(biāo)

（2）水泥：山西產(chǎn)威頓P·O42.5，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水泥的主要性能指標(biāo)

（3）粗集料：5～20 mm石灰?guī)r碎石，級(jí)配如表3所示。

表3 粗集料的級(jí)配

（4）細(xì)集料：杜陵河中砂，細(xì)度模數(shù)約2.7，級(jí)配如表4所示。

表4 細(xì)集料的級(jí)配

（5）水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配比

為表征廢輪胎鋼纖維混凝土的韌性，試驗(yàn)以C40混凝土為基體，添加不同摻量的鋼纖維，配制不同體積率的廢輪胎鋼纖維混凝土和普通鋼纖維混凝土，比較二者的彎曲韌性。

混凝土配合比設(shè)計(jì)參照J(rèn)TG/T F30—2015《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》進(jìn)行，基體混凝土配合比（kg）為：m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=195∶380∶833∶981，減水劑摻量以混凝土坍落度達(dá)到30～55 mm為準(zhǔn)。

經(jīng)試配測(cè)試，達(dá)到同等韌性時(shí)廢輪胎鋼纖維體積摻量較普通鋼纖維高。根據(jù)試配結(jié)果，并適當(dāng)擴(kuò)大鋼纖維的摻量，擬定2種鋼纖維的體積摻量如表5所示。

表5 達(dá)到同等韌性時(shí)2種鋼纖維對(duì)應(yīng)的體積摻量

1.3 性能測(cè)試方法

鋼纖維混凝土的彎曲韌性參照ASTM C1018韌度指數(shù)法進(jìn)行測(cè)試，該方法利用理想塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)首先成型350 mm×100 mm×100 mm的小梁試件，標(biāo)養(yǎng)28 d后采用三點(diǎn)彎曲的方式進(jìn)行加載測(cè)試。ASTM C1018提出了第1條裂縫出現(xiàn)時(shí)韌性的測(cè)試方法，并采用3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)鋼纖維混凝土的韌性：第1條裂縫出現(xiàn)時(shí)梁的跨中撓度δ，韌性指標(biāo)I和殘余強(qiáng)度指標(biāo)R。用I和R可衡量鋼纖維混凝土的韌性和能量吸收能力。

韌性指標(biāo)I根據(jù)混凝土小梁第1條裂縫出現(xiàn)時(shí)的變形及其相對(duì)應(yīng)的斷裂能量來(lái)確定。其定義的韌性指標(biāo)有3個(gè)：I5、I10和I30（或I20），計(jì)算方法如圖1所示，分別為3.0δ、5.5δ和15.5δ處曲線所包圍的面積與δ處曲線所包圍的面積比值。對(duì)于殘余強(qiáng)度指數(shù) R，該方法引進(jìn)了 3 個(gè)系數(shù)：R5，10、R10，20和 R10，30，其中 R5，10=20（I10-I5），R10，20=10（I20-I10），R10，30=5（I30-I10）。

圖1 ASTM C1018韌度指數(shù)法

ASTM C1018 韌度指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)有：韌性指標(biāo) I5、I10、I20、I30無(wú)量綱，不受試件形狀、尺寸的影響，便于不同性能和不同試件尺寸的鋼纖維混凝土進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-撓度曲線

不同體積摻量廢輪胎鋼纖維混凝土、普通鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同體積摻量廢輪胎鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線

圖3 不同體積摻量普通鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線

由圖2、圖3可見(jiàn)，素混凝土小梁（未摻鋼纖維的試件）底部一旦開(kāi)裂則迅速擴(kuò)張到頂部，屬脆性破壞。摻入鋼纖維后，混凝土小梁初次開(kāi)裂的荷載呈現(xiàn)較大幅度的上升，達(dá)到開(kāi)裂荷載后斷裂；斷裂后，仍然能夠依靠鋼纖維與混凝土的粘結(jié)承受較大荷載，從而提高了小梁的延性和韌性，改變了其破壞方式。

隨鋼纖維摻量的增加，2種混凝土小梁試件開(kāi)裂后的最大跨中撓度均不斷提高，即使裂縫最終貫穿整個(gè)截面，小梁仍能承擔(dān)一定荷載，而且這種現(xiàn)象隨鋼纖維摻量的增加更加明顯。荷載-撓度曲線則表現(xiàn)為：初裂后曲線更趨飽滿、荷載二次峰值越來(lái)越高。

2.2 鋼纖維體積摻量和類型對(duì)混凝土彎曲韌性的影響

在荷載-撓度曲線的基礎(chǔ)上，依據(jù)前述方法計(jì)算廢輪胎鋼纖維混凝土、普通鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)和剩余強(qiáng)度系數(shù)如表6所示。

表6 2種鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)和剩余強(qiáng)度系數(shù)

由表6可見(jiàn)，隨鋼纖維體積摻量的增加，2種鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)均不斷增大，且I30的增速大于I20，I20的增速大于I10，I5最小。即：隨纖維體積摻量的增加，混凝土越接近理想彈塑性材料。同時(shí)，在荷載作用后期，鋼纖維摻量越高，越能體現(xiàn)出優(yōu)越的韌性。剩余強(qiáng)度系數(shù)R10，30均明顯大于R10，20也能體現(xiàn)出這一觀點(diǎn)。

對(duì)比2種鋼纖維的增韌效果可以發(fā)現(xiàn)：體積摻量相近時(shí)，普通鋼纖維混凝土較廢輪胎鋼纖維的韌性指數(shù)高30%～40%，這可能與廢輪胎鋼纖維的加工工藝、外形特征等因素有關(guān)。若要達(dá)到相同的韌性，則廢輪胎鋼纖維的體積摻量需較普通鋼纖維增加25%～45%。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）摻入廢輪胎鋼纖維對(duì)水泥混凝土的彎曲韌性具有明顯的提高作用，同廢輪胎膠粉一樣，廢輪胎鋼纖維也可以作為綠色筑路材料進(jìn)行資源循環(huán)利用。

（2）隨鋼纖維體積摻量的增加，初裂后荷載-撓度曲線更趨飽滿、荷載二次峰值不斷提高，混凝土越接近理想彈塑性材料。

（3）鋼纖維體積摻量相同時(shí)，普通鋼纖維混凝土的彎曲韌性明顯高于廢輪胎鋼纖維。若要達(dá)到相同韌性指數(shù)，廢輪胎鋼纖維的摻量需較普通鋼纖維增加25%～45%。

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