鋼纖維改性橡膠混凝土的力學性能研究

陳煒 滕曉丹 曾日平 韋劍標

【摘 要】隨著經濟社會的發展，混凝土作為一種抗壓強度高但脆性大、抗拉強度低的材料，已經無法滿足建設要求，因此在混凝土中摻入橡膠顆粒和鋼纖維成為目前國內外的研究焦點之一。文章介紹的試驗主要針對混凝土在結構中的受力形式，設置了2種力學性能測試——混凝土立方體抗壓強度測試和劈裂抗拉強度測試。試驗結果表明，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的力學性能呈下降趨勢，脆性也有所下降；隨著鋼纖維摻入橡膠混凝土中，混凝土的力學性能得到提升，抗裂能力也得以增強，拉壓比也有上升趨勢。所以，本試驗得出結論：在混凝土中摻入用廢舊輪胎制成的橡膠顆粒和鋼纖維，不但能起到環保作用，而且有利于提高混凝土的力學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用提供了有價值的依據。

【關鍵詞】橡膠顆粒；鋼纖維；混凝土；力學性能；脆性

【中圖分類號】TU528 【文獻標識碼】A 【文章編號】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，具有抗壓強度高、耐久性好、強度等級范圍寬等特點。但隨著社會經濟的發展，混凝土的自重大、脆性大、抗拉強度低等缺點限制了它的應用。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]進行了三點彎拉疲勞性能研究，實驗結果表明摻入橡膠雖降低了混凝土的抗壓強度，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]從鋼纖維的作用機理出發，從理論上說明了鋼纖維在混凝土中的受力狀態和耗能關系，說明鋼纖維在混凝土中能夠很好地承受拉力，而混凝土則發揮其抗壓的優勢，各取所長。

張巖[3]通過實驗發現，摻入橡膠顆粒對混凝土強度影響很大，且隨其摻量的增加，混凝土強度下降得更厲害。但當摻入鋼纖維時，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增強。

張云蓮等人[4]通過對摻鋼纖維的橡膠砂漿力學強度的研究發現，鋼改橡膠砂漿強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度。

鋼纖維改性橡膠混凝土是在混凝土基體中同時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物理作用改善混凝土的內部結構，不改變混凝土中各種材料的化學性能。鋼纖維的摻入可有效地提高橡膠混凝土的力學性能和延性，改善混凝土由于摻入橡膠導致的強度下降的問題。本文研究相同摻量的鋼纖維對不同摻量的橡膠混凝土力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）水泥、粗細骨料：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地產的石子，顆粒粒徑為20～25 mm，砂子采用當地的河砂，細度模數為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，長徑比為45。

1.2 試驗配合比

（1）經計算和實驗室試配確定試驗配合比見表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%為試驗變量，得到表2的試驗摻量。

1.3 試件的尺寸、數目、制作及養護

1.3.1 試件的尺寸及數目

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002），各組試件的尺寸、數量和試驗內容見表3。

1.3.2 鋼纖維橡膠混凝土的攪拌、成型和養護

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、攪拌時間上需要按規定嚴格控制，本試驗采用強制性攪拌機攪拌來保證鋼纖維橡膠混凝土混合料的質量和均勻性，本試件制作流程如下。

（1）根據材料配合比的設計要求，將砂、水泥、水、石頭、橡膠、鋼纖維提前稱好重量備用。

（2）清刷模具后，內壁刷油。

（3）將砂子和水泥倒入攪拌機，攪拌30 s，再將石子倒入攪拌機，攪拌30 s。為避免橡膠和鋼纖維在攪拌過程中發生聚集現象，把橡膠和鋼纖維分為5等份，每15 s倒入1份，最后加水攪拌60 s。

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

（5）澆筑成型24 h后脫模，送入標準養護室進行養護28 d。

2 鋼纖維橡膠混凝土的力學性能試驗

2.1 鋼纖維橡膠混凝土的立方體抗壓強度

2.1.1 試驗方法

鋼纖維橡膠混凝土立方體抗壓強度試驗共設計了10組100 cm×100 cm×100 cm的試塊，每組3個，共計30個試塊。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GBT 50081—2002）和《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13：2009）的規定，在2 000 kN電液萬能試驗機上測定混凝土立方體的抗壓強度。由于試件在振搗成型時，鋼纖維在混凝土中的分布由三維亂向分布趨于二維分布，所以在加壓時用試件成型的側面作為承壓面，加載速度取0.5 MPa/s均勻加載，當試件急劇變形并破壞時，停止加載，并記錄試驗數據。

2.1.2 試驗結果及分析

本試驗各立方體抗壓強度試驗結果見表4，強度比為橡膠混凝土、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的立方體抗壓強度分別為31.26 MPa、29.47 MPa、29.04 MPa、27.11 MPa、24.13 MPa。可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土立方體抗壓強度明顯降低，最大降低了23%，主要原因如下：①橡膠顆粒作為一種低強度的塑性材料，在代替細骨料摻入混凝土時，造成混凝土表觀密度降低，密實度有所減小，并在混凝土中形成軟弱點，隨著摻量的增加，軟弱點也隨之增加，從而形成大量軟弱處，導致混凝土立方體抗壓強度大幅降低。②橡膠屬于高分子憎水性材料，而水泥是一種無機化合物，橡膠顆粒表面容易吸附氣體，于混凝土基體間產生薄弱的結構面，從而導致混凝土立方體抗壓強度降低。

而摻入1.5%的鋼纖維時，對每一種橡膠混凝土立方體抗壓強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度。但是當橡膠摻量為15%、20%時，鋼纖維橡膠混凝土的強度相較素混凝土仍會降低，其主要原因如下：①混凝土內部存在許多不同大小的裂縫和軟弱點，在外荷載作用下，這些裂縫和軟弱點會率先發育，因為應力集中而引起擴展，最終導致混凝土破壞，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化為受三向壓力，等同于在抗壓時限制了混凝土的側向變形。②摻入橡膠后，橡膠顆粒能有效地降低裂縫的應力強度，限制裂縫的變形，從而影響裂縫的發展。③當橡膠摻量為15%、20%時，混凝土的密實性遭到強烈的破壞，導致摻入鋼纖維所提高的強度無法抵消橡膠顆粒摻量過大帶來的強度降低。

從實驗現象中可以發現，素混凝土在抗壓過程中，臨界裂縫一旦出現，混凝土結構便迅速破壞。而橡膠混凝土即便達到極限強度，也沒有立即破壞，而是有一個明顯的塑性破壞過程。分析原因主要是橡膠顆粒在混凝土基體內提供減緩應力集中程度的作用十分明顯，再加上鋼纖維承受部分拉應力，阻礙了裂縫的發展。這說明了橡膠和鋼纖維起到了增強混凝土韌性的作用。

2.2 鋼纖維橡膠混凝土立方體的劈裂抗拉強度

2.2.1 試驗方法

混凝土是一種主要用于受壓的脆性材料，然而在很多結構構件中也用作受拉，所以劈裂抗拉強度也是混凝土的主要基本力學性能指標，且直接影響了鋼筋混凝土的開裂和變形性能。橡膠的摻入可以改善混凝土的脆性特征，但會導致混凝土的強度急劇下降。如若在橡膠混凝土中摻入鋼纖維，憑借鋼纖維優越的阻裂特性，不僅能改善橡膠混凝土的低強度問題，還可以使混凝土的韌性得到進一步的提升。

本試驗共設計了10組150 cm×150 cm×150 cm的試塊，每組3個，共計30個試塊。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GBT 50081—2002）的規定，在500 kN電子萬能試驗機上測定混凝土立方體劈裂抗拉強度，加載速度取0.05 MPa/s均勻加載，當試件急劇變形并破壞時，停止加載，并記錄試驗數據。

2.2.2 試驗結果及分析

本試驗各立方體抗壓強度試驗結果見表5，強度比為橡膠混凝土、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度下降，且隨著摻量的增加下降得更嚴重，最高下降27%，這與抗壓強度下降的主要原因大致相同，因為橡膠作為低強度的塑性材料，易在混凝土內部形成薄弱的軟弱點，并且與混凝土基體產生薄弱面，且隨著摻量的增加，混凝土內部的軟弱點和薄弱面逐漸增加，造成劈裂抗拉強度顯著地下降。

而在摻入1.5%的鋼纖維后，鋼纖維橡膠混凝土相對0%、5%、10%、15%、20%摻量的橡膠混凝土的劈裂抗拉強度明顯提高，最高提高61%，對應為摻入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度呈下降趨勢，R5SF1.5的橡膠混凝土相對R0SF1.5的橡膠混凝土強度略有提升，其原因應該是摻入少量的橡膠使得混凝土密實性提高，混凝土受力有效面積增大，導致混凝土受拉強度有所提高。鋼纖維作為一種高強度的阻裂材料，在混凝土基體中起到橋梁的作用，可以阻止裂縫的發展，分擔了很大一部分混凝土承擔的拉應力。而橡膠顆粒則是有緩和裂縫尖端應力集中程度的作用，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度。

此外，通過觀察實驗現象可以發現，在達到最大抗拉強度時，圓弧形墊塊幾乎嵌入混凝土，而混凝土并未發生較大變形而導致開裂破壞，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展。

2.3 鋼纖維橡膠混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的關系

2.3.1 拉壓比

拉壓比即混凝土立方體劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度的比值，是作為評定力學性能的指標之一，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為本次試驗各配合比混凝土立方體劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的比值。

由表6可以分析得出以下結論。

（1）隨著橡膠顆粒的摻入，混凝土的脆性性能并不會降低，反而呈小幅度提升的趨勢，這是因為橡膠顆粒的摻入導致混凝土密實度減小，這與強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，橡膠混凝土開裂后能夠繼續承受荷載，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部的裂縫尖端應力集中程度，因此鋼纖維和橡膠顆粒混摻相對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 結論

（1）橡膠混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強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，混凝土的脆性性能有所提升。

（2）混凝土摻入鋼纖維后，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度顯著提高。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混凝土脆性性能的減弱最為明顯。

參 考 文 獻

[1]馮文賢，劉鋒，鄭萬虎.橡膠混凝土疲勞性能的試驗研究[J].建筑材料學報，2012（4）：469-473.

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

[3]張巖.鋼纖維改性橡膠混凝土力學性能試驗研究[D].武漢：湖北工業大學，2015.

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

[責任編輯：鐘聲賢]