纖維改性橡膠混凝土力學性能研究

陳一逸 郭鵬 張皓月

摘 要：纖維納米改性橡膠混凝土（SFNS-CRC）是一種新型環保的高性能混凝土。本試驗選用橡膠體積摻量為5%和10%的橡膠混凝土，考慮4種不同鋼纖維體積率（0、0.5%、1.0%、1.5%），3種不同納米二氧化硅摻量（0、1%、2%），通過不同的混合物配合比，分別進行立方體抗壓強度和軸心抗壓強度分析，以及應力應變曲線分析，并探究軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的換算關系，得出鋼纖維、納米二氧化硅的最佳摻入量，鋼纖維摻入量與混凝土峰值應力的關系，以及纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強度與立方體的抗壓強度比值集中在0.74到0.84。

關鍵詞：鋼纖維;納米二氧化硅;立方體抗壓強度;軸心抗壓強度;應力應變曲線

中圖分類號：TU528.572 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0092-04

Abstract： Fiber nano-modified rubber concrete （SFNS-CRC） is a new type of environmentally friendly high performance concrete. In this experiment， rubber concrete with rubber volume content of 5% and 10%， considering four different steel fiber volume ratios （0， 0.5%， 1.0%， 1.5%） and three different nano-silica content （0， 1%， 2%） was selected to analyze cubic compressive strength and axial compressive strength， stress-strain curve， and to explore the axial compressive strength and cubic compressive strength. According to the conversion relationship of compressive The conversion relationship of volume compressive strength was obtained. The optimum amount of steel fiber and nano-silica， the relationship between the amount of steel fiber and the peak stress of concrete were obtained. The ratio of axial compressive strength to cubic compressive strength of fiber nano-modified rubber concrete was 0.74 to 0.84.

Keywords： steel fiber;nano-silica;cube compressive strength;axial compressive strength;stress strain curve

據估計，每年有將近1億個輪胎使用壽命結束，其中50%以上的輪胎未經任何處理就被丟棄。到2030年底，每年的輪胎數量將達到12億（包括所儲存的輪胎，將有5億個輪胎定期被丟棄）[1]。廢棄橡膠的不易降解性不僅會對自然環境產生不可逆的危害，而且極易通過生態循環進入人體，對人體的泌尿系統和神經系統造成損傷。因此，如何妥善處理日益增加的廢舊輪胎橡膠已經成為全球環境與資源研究的一個熱點問題。而橡膠水泥土和橡膠混凝土的開發和應用開辟了回收利用廢舊輪胎橡膠的一個新思路。雖然橡膠混凝土相比于普通混凝土有著經濟、環保的優勢，但其強度較弱，因此應用也受到了限制。目前，有學者向橡膠混凝土中加入NaOH溶液、膠乳、合成樹脂和乳化瀝青等來改善橡膠混凝土的性能[2-5];也有學者發現，在橡膠混凝土中加入鋼纖維、納米二氧化硅能顯著提高其力學性能[6-9]。本文主要研究常溫下鋼纖維和納米二氧化硅改性橡膠混凝土的力學性能。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗采用42.5MP的普通波特蘭水泥（P.O 42.5），采用粒徑為5～20mm、相對體積質量為2.66、連續級配的碎石粗集料;采用細度模數為3.40、比重為2.65的河沙細集料。此外，端彎鉤鋼纖維長度為35mm，長徑比為64，抗拉強度為1 345MPa;納米二氧化硅平均粒徑30nm，表觀密度為30～60g/L;橡膠顆粒粒徑1～2mm。25%減水率的萘甲醛減水劑用來保證混凝土混合物的坍落度在30～60mm。

1.2 混合物配合比

本試驗的主要目的是探究纖維納米改性橡膠混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值。橡膠粉和鋼屑的混合比例遵循體積百分比法，而硅烷混合法是水泥的等效替代方法，即水泥的置換。表1給出了8種混凝土混合物的配合比例。

1.3 試件制備和試驗過程

混凝土的制備過程：首先將粗細骨料混合攪拌90s，然后逐漸加入鋼纖維混合攪拌180s，保證鋼纖維均勻分散，若出現鋼纖維球狀交織物，表明鋼纖維未均勻分散，應繼續攪拌;然后依次加入橡膠和水泥（如果混合物包括納米二氧化硅，將納米二氧化硅與水拌和），確保混合物的均勻性;最后把減水劑充分溶解在水中并倒進攪拌器內，再攪拌180s。當拌和完成后，立即測試混凝土坍落度，保證混凝土混合物具有較好的工作性能，然后將試樣在150mm×150mm×150mm和150mm×150mm×300mm的標準塑料模具中澆筑，振動臺振動密實成型后，室內靜置24h后拆除模具，然后將試塊放入溫度（20[±]2）℃、相對濕度95%以上的標準養護室內養護28d后取出晾干。抗壓性能試驗在3 000kN電液伺服試驗機進行，恒定加載速率為0.5MPa/s[10]。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度和軸心抗壓強度及其分析

立方體抗壓強度、軸心抗壓強度有效強度值如表2所示。表2中的每組試件，同一溫度取3個試塊試驗結果的算術平均值作為28d立方體抗壓和軸心抗壓強度有效強度值。

根據表2的數據，遵循控制變量原則，繪制其他集料含量一樣而不同鋼纖維摻量的混凝土抗壓強度折線圖，如圖1所示;繪制不同鋼纖維摻量混凝土與普通混凝土抗壓強度對比柱狀圖，如圖2所示。繪制其他集料含量一致而不同納米二氧化硅摻量的混凝土抗壓強度折線圖，如圖3所示;繪制不同納米摻量混凝土與普通混凝土抗壓強度對比柱狀圖，如圖4所示。

2.2 應力應變曲線及分析

圖5是橡膠為摻量為5%，鋼纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%的新型混凝土的應力應變曲線，都經歷了上升階段、下降階段、收斂階段。其中，上升段都經歷了彈性階段、彈塑性階段、內部裂縫形成階段。與不摻加鋼纖維的基準混凝土相比，其他三種混凝土的彈性階段都所加長，即彈性極限值有所增加，而且應力應變曲線在相同軸向位移值時所對應的荷載值都有所提升，特別是鋼纖維摻量為1.0%的CR5SF1。可見，在相同橡膠摻量的基礎上，加入鋼纖維會提升混凝土的抗壓能力，但并不是鋼纖維摻量越多強度提升越多，在達到一定值之后，強度會有所下降。

2.3 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的換算關系

根據表1及表2的數據，繪制軸心抗壓與立方體抗壓的關系表，如表3所示，以及強度比值散點圖，如圖6所示。可見，兩者的比值結果穩定在一定范圍內，并對結果進行分析。

從表格和圖可以看出，在纖維改性橡膠混凝土中加入納米二氧化硅后，纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強度與立方體的抗壓強度比值變化較為穩定;纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強度與立方體的抗壓強度比值集中在0.74～0.84（舍去一組比值為0.92偏差較大的數據）。

3 結論

①適量鋼纖維的摻入能提高普通混凝土的抗壓強度，而摻入量過多會引起強度的削弱，最佳的摻量為1%左右。

②適量納米二氧化硅的摻入會提升普通混凝土的抗壓強度，并且在0.5%～2%的摻量增加過程中，沒有出現強度減弱的現象。

③隨著鋼纖維摻量的增加，應力應變曲線的峰值應力有所提升，其中摻量為1%的混凝土的峰值應力最大。

④根據纖維納米改性橡膠混凝土的軸心抗壓強度與立方體的抗壓強度比值的計算，其比值集中在0.74～0.84。

參考文獻：

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