不同水膠比的塑鋼纖維橡膠混凝土力學(xué)性能研究

薛　剛，侯　帥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，包頭　014010)

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不同水膠比的塑鋼纖維橡膠混凝土力學(xué)性能研究

薛剛，侯帥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，包頭014010)

在水膠比分別為0.36、0.42、0.48的情況下，分別對(duì)普通混凝土、橡膠混凝土、塑鋼纖維橡膠混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入橡膠顆粒后，混凝土強(qiáng)度有所降低，塑鋼纖維有助于提高橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度。相同水膠比下，塑鋼纖維對(duì)橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高作用明顯，折壓比和拉壓比均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，塑鋼纖維摻量宜控制在6～8 kg/m3之間。

橡膠顆粒； 塑鋼纖維； 力學(xué)性能； 水膠比

1　引　言

近年來汽車工業(yè)發(fā)展迅速，廢舊輪胎產(chǎn)量越來越大。廢舊輪胎不易降解，不論焚燒、填埋、堆放都嚴(yán)重污染環(huán)境橡膠混凝土能有效利用廢舊橡膠[1]，與普通混凝土相比具有良好的韌性、較高的延性、優(yōu)良的抗?jié)B抗凍和抗沖擊等性能，且能回收利用資源。加入橡膠顆粒會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度降低，是橡膠混凝土廣泛應(yīng)用的障礙[2-5]。塑鋼纖維是一種新型增強(qiáng)增韌纖維，具有耐久性好、質(zhì)量輕、纖維分散好、易于攪拌等合成軟纖維的優(yōu)點(diǎn)[6]，塑鋼纖維的摻入可以明顯改善橡膠混凝土的力學(xué)性能，可一定程度上彌補(bǔ)橡膠在混凝土中負(fù)面效應(yīng)[7-10]。

本文主要通過不同水膠比下?lián)饺胨茕摾w維所得橡膠混凝土的抗壓性能、劈裂抗拉、抗折性能等力學(xué)試驗(yàn)，得出塑鋼纖維在何種水膠比下效果優(yōu)良，同時(shí)得到塑鋼纖維摻入對(duì)橡膠混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

(1)水泥：采用P·O42.5R級(jí)普通早強(qiáng)型硅酸鹽水泥。

(2)中砂，細(xì)度2.82，含泥量3.42%，表觀密度2604.6 kg/m3，堆積密度1545.0 kg/m3，孔隙率34.6%。

(4)橡膠顆粒：細(xì)度為5～10目，堆積密度為610 kg/m3。

(5)塑鋼纖維：密度0.91 kg/m3，當(dāng)量直徑為0.65～1.0 mm，長(zhǎng)度30～40 mm，斷裂延伸率11%，熔點(diǎn)169 ℃，燃點(diǎn)582 ℃，抗拉強(qiáng)度620 MPa，彈性模量6129 MPa，無吸水性，抗酸堿性強(qiáng)。

(6)水：普通飲用自來水。

(7)粉煤灰為Ⅱ級(jí),礦渣粉為Ⅱ級(jí)。

表1水泥物理性能指標(biāo)

Tab.1Physical properties of cement

Densityg/cm3Standardconsistencywaterquantity/%Fineness/%SoundnessSettingtime/minInitialFinal2.8256Qualified2h4h

2.2配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度指標(biāo)為C30，砂率為40%，水膠比0.36、0.42、0.48。未摻加橡膠顆粒和塑鋼纖維的普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土。橡膠顆粒粒徑為5-10目，代替10%體積的砂，將橡膠顆粒加入到混凝土中；在橡膠混凝土的基礎(chǔ)上外摻塑鋼纖維0 kg/m3、2 kg/m3、4 kg/m3、6 kg/m3、8 kg/m3、10 kg/m3；按膠凝材料的12.5%摻入粉煤灰，膠凝材料的12.5%摻入礦渣粉。抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度所需試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度所需試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組3個(gè)試件。

表2橡膠混凝土的配合比(括號(hào)內(nèi)為基準(zhǔn)混凝土用量)

Tab.2Mix proportion of Rubber Concrete (The amount of concrete in parentheses)

Water-binderratioCement(kg/m3)Flyash(kg/m3)Slagpowder(kg/m3)Water(kg/m3)Sand(kg/m3)Rubber(kg/m3)Crushedstone(kg/m3)0.363005050144686(762)30(0)11440.423005050168676(752)29.6(0)11290.483005050192669(743)29.3(0)1114

2.3試驗(yàn)設(shè)備

在塑鋼纖維橡膠混凝土的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)過程中，攪拌設(shè)備采用60 L強(qiáng)制式試驗(yàn)攪拌機(jī)。立方體抗壓試驗(yàn)儀器為WHY-2000型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，劈裂抗拉試驗(yàn)試驗(yàn)采用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，抗折實(shí)驗(yàn)用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。

3　結(jié)果與討論

3.1破壞形態(tài)

基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土及塑鋼纖維橡膠混凝土試塊抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)見圖1。

水產(chǎn)養(yǎng)殖中水環(huán)境污染的類型主要分為外源性污染和自身污染。外源性污染主要是指天然水體的污染。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，天然水體環(huán)境是最為重要的內(nèi)容，一旦出現(xiàn)污染的情況，將會(huì)直接影響水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖中外源性污染主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

從圖1看到，由立方體抗壓破壞形態(tài)來看，塑鋼纖維橡膠混凝土試塊和橡膠混凝土試塊比基準(zhǔn)混凝土試塊在受壓破壞后形態(tài)更完整，基本保持原有形狀。基準(zhǔn)混凝土受壓時(shí)先是有微小裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增加，裂紋迅速擴(kuò)展且寬度增大，逐漸貫穿在一起，受壓破壞后發(fā)生脆裂，試塊表面混凝土外鼓、剝落；橡膠混凝土在受壓破壞后出現(xiàn)了大的裂縫，沒有脆裂和明顯的剝落現(xiàn)象，比基準(zhǔn)混凝土整體性好，基本保持完整；塑鋼纖維橡膠混凝土試件破壞時(shí)無明顯貫穿裂縫出現(xiàn)，出現(xiàn)了許多細(xì)裂縫，受壓過程完成后，試塊保持完整。在整個(gè)受壓過程中，由于混凝土試塊內(nèi)塑鋼纖維均勻亂向分布，一定程度限制了裂縫的發(fā)展。

圖1　試塊抗壓破壞情況(a)基準(zhǔn)混凝土；(b)橡膠混凝土；(c)塑鋼纖維橡膠混凝土Fig.1　Benchmark specimen compression damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土及塑鋼纖維橡膠混凝土試塊抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)見圖2。

圖2　試塊抗拉破壞情況(a)基準(zhǔn)混凝土；(b)橡膠混凝土；(c)塑鋼纖維橡膠混凝土Fig.2　Specimen tensile damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

由圖2可以看出，混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)中，隨著荷載的增加，基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土表面出現(xiàn)裂縫，達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，試塊在劈裂面完整的斷開成兩部分，并且聽到有明顯的響聲，說明混凝土在達(dá)到極限荷載時(shí)突然斷裂的。而摻有塑鋼纖維的橡膠混凝土，隨著荷載的增大，沒有出現(xiàn)像基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土那樣完全斷開、一分為二的現(xiàn)象，強(qiáng)度在達(dá)到頂峰后逐漸降低，試塊沿劈裂面有條明顯的裂紋，在劈裂破壞后比較完好，在混凝土中加入塑鋼纖維，能夠有效的抑制裂縫的產(chǎn)生及延伸，增大了混凝土破壞時(shí)的延性。

基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土及塑鋼纖維橡膠混凝土試塊抗折試驗(yàn)破壞形態(tài)見圖3。

圖3　試塊抗折破壞情況(a)基準(zhǔn)混凝土；(b)橡膠混凝土；(c)塑鋼纖維橡膠混凝土Fig.3　Specimen bending damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

由圖3可以看出，基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫后迅速擴(kuò)展，在極限荷載作用下脆斷。而塑鋼纖維橡膠混凝土則表現(xiàn)為延性破壞，出現(xiàn)細(xì)小裂縫拓展速度較慢，沒有出現(xiàn)貫穿性裂紋，試塊從實(shí)驗(yàn)儀器取下后呈現(xiàn)較好的連接狀態(tài)。由于塑鋼纖維是高抗拉強(qiáng)度材料，摻入在混凝土內(nèi)部相互搭接、錯(cuò)綜分布，能夠有效的延緩開裂時(shí)間阻止裂縫發(fā)展，降低開裂破壞程度，保持了試塊的完整性。

3.2抗壓強(qiáng)度

表3抗壓強(qiáng)度

Tab.3Compressive strength

TestNo.7dcompressivestrength/MPa28dcompressivestrength/MPa0.36-JZ32.251.50.36-SG-02943.70.36-SG-229.546.50.36-SG-43048.70.36-SG-629.749.40.36-SG-828.948.60.36-SG-1028.747.90.42-JZ2745.80.42-SG-021.936.90.42-SG-222.837.70.42-SG-42338.60.42-SG-624.942.50.42-SG-823.440.90.42-SG-1022.939.50.48-JZ22.739.00.48-SG-018.731.00.48-SG-220.732.40.48-SG-420.732.90.48-SG-621.534.90.48-SG-819.834.60.48-SG-1018.532.1

基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土及塑鋼纖維橡膠混凝土在不同水膠比下7 d、28 d抗壓強(qiáng)度變化如圖4所示。

由圖4可以得出，摻入橡膠顆粒后，混凝土試塊的7 d抗壓強(qiáng)度降低，隨著塑鋼纖維摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度有先增加后降低的趨勢(shì)。在水膠比為0.48時(shí)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度損失17.6%，加入塑鋼纖維后抗壓強(qiáng)度在摻量為6 kg/m3時(shí)達(dá)到最大，比橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度提高了15%，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度損失了5%。水膠比為0.42時(shí)，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度減少了19%，在塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大，比橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度提高了13%。水膠比為0.36時(shí)，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度減少了10%，塑鋼纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度損失了6%。

圖4　抗壓強(qiáng)度 (a)7 d;(b)28 dFig.4　Compressive strength (a)7 d;(b)28 d

由圖4可以看到，橡膠顆粒的加入導(dǎo)致混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度有不同程度的降低。在水膠比為0.48時(shí)橡膠混凝土強(qiáng)度損失最大達(dá)到20%，加入塑鋼纖維后抗壓強(qiáng)度先增高后降低，在6 kg/m3時(shí)達(dá)到最大。在水膠比0.36時(shí)，塑鋼纖維摻量6 kg/m3時(shí)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土僅降低了4%。3種水膠比下塑鋼纖維摻量6 kg/m3時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時(shí)，水膠比0.36的抗壓強(qiáng)度與水膠比0.42和0.48相比，強(qiáng)度提高了16%和41%，水膠比小的混凝土試件破壞的時(shí)間較長(zhǎng)，完整性相對(duì)較好。

橡膠顆粒摻入混凝土后，混凝土在荷載下承載面積減小，導(dǎo)致了混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，加入塑鋼纖維后混凝土中形成三維亂向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以約束混凝土受壓過程的橫向膨脹，有利于提高塑鋼纖維橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度。

3.3劈裂抗拉強(qiáng)度

三種水膠比混凝土抗拉強(qiáng)度變化見圖5。從圖中得到，三種水膠比下，摻入橡膠顆粒后，混凝土抗拉強(qiáng)度降低，隨著塑鋼纖維摻量的增加，抗拉強(qiáng)度先呈上升趨勢(shì)后呈下降趨勢(shì)，峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在6 kg/m3。在三種水膠比下，橡膠混凝土抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土下降了7%左右。水膠比為0.36時(shí)，塑鋼纖維摻量6 kg/m3時(shí)的抗拉強(qiáng)度比橡膠混凝土抗拉強(qiáng)度提高28%，比基準(zhǔn)混凝土抗拉強(qiáng)度提高18%。塑鋼纖維摻量6 kg/m3時(shí)，水膠比0.36的抗拉強(qiáng)度比水膠比0.42和0.48的抗拉強(qiáng)度提高了7%和21%。由此說明塑鋼纖維可以改善混凝土的抗拉性能。

由表4可知，隨著纖維增加，混凝土的拉壓比基本呈先增大后減小的趨勢(shì)，塑鋼纖維橡膠混凝土拉壓比比基準(zhǔn)混凝土最大能提高28%，說明塑鋼纖維的摻入改善了混凝土的脆性問題。加入橡膠顆粒后，抗拉強(qiáng)度明顯降低，但橡膠混凝土的拉壓比比基準(zhǔn)混凝土大，說明橡膠顆粒的摻入不利于抗拉強(qiáng)度，但一定程度上改善混凝土的脆性。

表4塑鋼纖維對(duì)混凝土拉壓比的影響

Tab.4Influence of plastic fiber on the tensile-compression strength of concrete

Water-binderratioJZSG=0SG=2SG=4SG=6SG=8SG=100.360.05690.06200.06320.06690.07020.06810.06760.420.05920.06800.07110.07490.07580.07410.07420.480.06310.07320.07530.07750.07940.07750.0788

圖5　不同水膠比下劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.5　Splitting tensile strength with the different water-binder ratio

圖6　不同水膠比下抗折強(qiáng)度Fig.6　Flexural strength with the different water-binder ratio

3.4抗折強(qiáng)度

三種水膠比混凝土抗折強(qiáng)度變化見圖6。從圖中得到，三種水膠比下，摻入橡膠顆粒后，混凝土抗折強(qiáng)度降低，隨著塑鋼纖維摻量的增加，抗折強(qiáng)度先呈上升趨勢(shì)后呈下降趨勢(shì)。水膠比為0.36時(shí)，塑鋼纖維摻量6 kg/m3試件的抗折強(qiáng)度最大，塑鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度比橡膠混凝土抗折強(qiáng)度提高23%，比基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度提高13%。水膠比為0.42時(shí)，塑鋼纖維摻量8 kg/m3時(shí)試件的抗折強(qiáng)度最大，塑鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度比橡膠混凝土抗折強(qiáng)度提高24%，比基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度提高17%。水膠比為0.48時(shí)，塑鋼纖維摻量8 kg/m3抗折強(qiáng)度最大，塑鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度比橡膠混凝土抗折強(qiáng)度提高29%，比基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度提高19%。水膠比0.36的塑鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度最大值比水膠比0.42和0.48的抗折強(qiáng)度提高了3%和9%。塑鋼纖維能夠改善混凝土的抗折強(qiáng)度主要原因是亂向分布的纖維能夠抑制混凝土內(nèi)部裂縫的開展，延緩破壞，纖維被拉斷或拔出，最終混凝土試件被破壞。

表5塑鋼纖維對(duì)混凝土折壓比的影響

Tab.5Influence of plastic fiber on the flexural-compression strength of concrete

Water-binderratioJZSG=0SG=2SG=4SG=6SG=8SG=100.360.08580.09290.09350.09300.10120.10180.09640.420.08890.10380.10770.11010.10820.11660.09770.480.09770.11320.11570.11940.12110.13090.1280

由表5可以看出折壓比基本呈先增大后減小的趨勢(shì)，三種水膠比的混凝土折壓比都是在8 kg/m3時(shí)達(dá)到最大。加入橡膠顆粒后，抗折強(qiáng)度明顯降低，但橡膠混凝土的折壓比優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土折壓比，說明橡膠顆粒的摻入不利于抗折強(qiáng)度，但一定程度上改變了混凝土的韌性。

4　結(jié)　論

本文通過對(duì)基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土、塑鋼纖維橡膠混凝土的抗壓、抗拉及抗折強(qiáng)度的力學(xué)試驗(yàn)研究，分析了橡膠顆粒替代部分細(xì)骨料后的混凝土及不同摻量塑鋼纖維對(duì)橡膠混凝土的基本力學(xué)性能的影響，得出下列結(jié)論：

(1)加入橡膠顆粒的混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，摻加塑鋼纖維后提高了橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度，有先增大后減小的趨勢(shì)，摻量6 kg/m3時(shí)的抗壓強(qiáng)度僅比基準(zhǔn)混凝土降低4%，比橡膠混凝土提高15%。基準(zhǔn)混凝土受壓破壞后發(fā)生脆裂，試塊表面混凝土外鼓、剝落；橡膠混凝土在受壓破壞后出現(xiàn)了大的裂縫，沒有明顯的剝落現(xiàn)象；塑鋼纖維橡膠混凝土試件破壞時(shí)裂縫多而細(xì)，試塊保持完整;

(2)同一水膠比下，塑鋼纖維橡膠混凝土抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量有先增大后減小。塑鋼纖維橡膠混凝土的抗拉強(qiáng)度比橡膠混凝土和基準(zhǔn)混凝土的抗拉強(qiáng)度最大提高28%和18%。塑鋼纖維橡膠混凝土抗折強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土最大提高19%，比橡膠混凝土抗折強(qiáng)度最大提高29%。同一纖維摻量時(shí)，水膠比越小，三種強(qiáng)度越高，試驗(yàn)過程中，試件達(dá)到破壞時(shí)間越長(zhǎng)。基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土斷裂成兩部分，塑鋼纖維橡膠混凝土試件能夠保持完整性;

(3)三種水膠比下混凝土的折壓比和拉壓比均是先增大后降低趨勢(shì)。橡膠混凝土拉壓比大于基準(zhǔn)混凝土，一定程度上改善混凝土的脆性。拉壓比在塑鋼纖維摻量6 kg/m3時(shí)最大，折壓比在8 kg/m3時(shí)最大;

(4)綜合來看，制備塑鋼纖維橡膠混凝土?xí)r，塑鋼纖維摻量宜控制在6 kg/m3-8 kg/m3之間。

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Mechanical Property of Plastic Fiber Rubber Concrete with the Different Water-binder Ratio

XUEGang,HOUShuai

(Architecture and Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

Based on the water-binder ratio of 0.36, 0.42, 0.48, the testing and analyses were conducted on the compressive strength, tensile strength and flexural strength of concrete, rubber concrete and plastic fiber rubber concrete separately. The result showed that the compressive strength of concrete was decreased with the incorporation of rubber particles while the plastic fiber can improve the compressive strength of rubber concrete. Under the same water-binder ratio, plastic fiber can significantly improve the flexural and tensile strength of rubber concrete, the tensile-compression strength and flexural-compression strength were all showing the trend of decreasing after increasing. Based on the testing result, the dosage of plastic fiber should be controlled within 6-8 kg/m3.

Rubber particles;plastic fiber;mechanical characteristics;water-binder ratio

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368042)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2011MS0716)

薛剛(1968-)，男，博士，教授.主要從事橡膠混凝土的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1552-06