鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土靜態(tài)力學(xué)性能研究

葉建峰，莊金平，顏桂云，潘晨陽

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350118；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福州 350118)

自密實(shí)混凝土具有免振搗或少振搗的特點(diǎn)，可以克服橡膠顆粒上浮的現(xiàn)象，但對于鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的研究尚較為少見。以普通自密實(shí)混凝土為基礎(chǔ)，通過等體積替代砂率分別摻入10%、20%、30%的橡膠顆粒及外摻體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維，配制出鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土。通過對試件進(jìn)行靜態(tài)軸心抗壓試驗(yàn)，根據(jù)試件破壞現(xiàn)象進(jìn)行了觀測和分析，得到鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了鋼纖維和橡膠顆粒的摻量對其力學(xué)性能的影響，最后提出鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土軸心抗壓的本構(gòu)關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥：選用強(qiáng)度等級為P.O.42.5健福牌普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3；中砂，表觀密度為2.65 g/cm3；粒徑9～15 mm的反擊破碎石，密度為2.75 g/cm3；Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.35 g/cm3；廢舊橡膠輪胎切割橡膠顆粒，粒徑為1～2 mm，如圖1(a)所示；矩形、剪切波浪形鋼纖維，如圖1(b)所示；聚羧酸高效減水劑，密度1.1 g/cm3。

圖1 橡膠與鋼纖維材料

1.2 試件配制

根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)[17]與《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)[18]，確定強(qiáng)度等級為C50的基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土配合比。保持粉煤灰、水泥、石子、水灰比不變的基礎(chǔ)上，將NaOH浸泡后橡膠顆粒等體積取代砂子，替代率分別為10%、20%、30%，同時(shí)外摻體積率分別為0.5%、1%、1.5%的剪切波浪型鋼纖維，并略微調(diào)整減水劑用量至鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的流動性良好。為確保橡膠顆粒和鋼纖維的均勻性，先將砂子、橡膠顆粒、鋼纖維、水泥、石子、水泥、粉煤灰依次倒入雙軸攪拌機(jī)干拌，攪拌時(shí)間為60 s；將減水劑融入水中，攪拌中均勻緩慢的加入，加水完成后最后再攪拌120 s。設(shè)計(jì)16組，每組3個(gè)試件共計(jì)48個(gè)150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，留設(shè)150 mm×150 mm×150 mm立方體試件確定自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級，各組配合比如表1所示。

表1 各組試件配合比

1.3 加載方法

采用萬測公司生產(chǎn)的HCT306B微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，先以1 kN/s的速度加載至峰值荷載預(yù)測值的80%后，再以0.1 mm/min的速度位移控制加載方式加載直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

各試件加載過程中破壞現(xiàn)象總體較為相似。在加載初期混凝土試件表面未產(chǎn)生裂紋；荷載達(dá)到峰值荷載80%時(shí)，混凝土試件表面有少量混凝土碎屑剝落，但未出現(xiàn)明顯的裂縫；超過峰值應(yīng)力后，裂紋首先在接近混凝土試件中央的部位出現(xiàn)，伴隨著明顯的劈裂聲后裂紋以“八字形”迅速向混凝土試件的四個(gè)角端蔓延，混凝土試件中部出現(xiàn)向外鼓脹的現(xiàn)象，裂縫的寬度逐漸增加，混凝土試件碎塊部分向外剝落，斜裂紋貫穿整個(gè)截面，最終形成“X”型破壞形態(tài)。圖3給出了典型的破壞形態(tài)。

普通自密實(shí)混凝土棱柱體試件脆性破壞較明顯，如圖3(a)所示，以SCC50為例，除了“八字形”的裂紋外，混凝土棱柱體試件邊緣出現(xiàn)了較長的從上到下的近乎貫通的大裂縫，強(qiáng)度下降迅速，除了明顯的裂縫數(shù)量的增多，寬度的增大外，迅速出現(xiàn)“八字形”及上下貫通形的裂紋，且破壞時(shí)伴隨較大的崩裂聲。

與普通自密實(shí)混凝土相比，鋼纖維自密實(shí)混凝土的破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻蒲有云茐牡男问剑鐖D3(b)所示。以SF0.5為例，鋼纖維自密實(shí)混凝土的彈性階段較長；破壞階段，無明顯的崩裂聲，裂紋出現(xiàn)較晚，有較少的細(xì)小裂紋，且在裂紋擴(kuò)展速度方面明顯要比普通自密實(shí)混凝土緩慢；破壞后，試件表面的裂縫數(shù)量較多但未完全斷裂，且無碎塊，混凝土試件基本上保持原來的外形，只呈現(xiàn)較少的脫皮現(xiàn)象。

橡膠自密實(shí)混凝土棱柱體試件相較于基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土棱柱體試件，混凝土試件表面裂紋較多，試件的完整性較好，如圖3(c)所示。以RR10為例，橡膠自密實(shí)混凝土試件的強(qiáng)度較普通自密實(shí)混凝土試件明顯降低，隨著加載的進(jìn)行，混凝土試件表面的豎向細(xì)小裂紋數(shù)量明顯增多，當(dāng)達(dá)到峰值荷載后，裂紋由于橡膠的存在無法貫通，但“八字形”主裂紋弧度較大，隨著橡膠摻量及粒徑的增加，這種現(xiàn)象更為明顯，表現(xiàn)出與普通自密實(shí)混凝土不同的破壞模式。

鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土試件破壞形式如圖3(d)所示。以SF0.5-RR10為例，相較于普通自密實(shí)混凝土試件，鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土試件的破壞呈現(xiàn)延性破壞的同時(shí)，其完整性也較好。此外，在峰值荷載以前，混凝土試件表面對角線部位出現(xiàn)細(xì)小裂紋，當(dāng)達(dá)到峰值荷載后，裂紋也主要集中于對角線區(qū)域，且出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象，由于內(nèi)部鋼纖維的拉力作用，無貫通性裂紋。

圖3 試件的典型破壞形態(tài)

2.2.2 各因素對自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響

1)橡膠摻量對自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為橡膠摻量對自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響。隨著橡膠摻量的增加(0%～30%)，軸心抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢。在鋼纖維摻量為0.5%情況下?lián)饺?0%、20%、30%橡膠時(shí)，試件軸心抗壓強(qiáng)度分別減少了29.4%、43.1%和49.2%；在鋼纖維摻量為1.0%情況下?lián)饺?0%、20%、30%橡膠時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度分別減少了21.4%、47.8%、49.8%；在鋼纖維摻量為1.5%情況下?lián)饺?0%、20%、30%橡膠時(shí)，試件軸心抗壓強(qiáng)度分別減少了32.3%、52.7%、57.6%。普通自密實(shí)混凝土橡膠摻量在20%、30%時(shí)，橡膠自密實(shí)混凝土試件的軸心抗壓降低了41.2%、39.1%。綜上所述，當(dāng)橡膠摻量為20%、30%時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度下降幅度均較大，而當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度下降幅度較小。

圖4 橡膠摻量對試件軸心抗壓強(qiáng)度的影響

2)鋼纖維摻量對自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為鋼纖維摻量對橡膠鋼纖維自密實(shí)混凝土的影響。在基準(zhǔn)普通自密實(shí)混凝土中分別加入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維，試件軸心抗壓強(qiáng)度較普通自密實(shí)混凝土試件分別提高了5.6%、8.9%、18.2%，呈現(xiàn)隨著鋼纖維摻量逐漸增加而增大的趨勢；在橡膠摻量為10%情況下?lián)饺?.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，試件軸心抗壓強(qiáng)度分別增長了12.4%、26.2%、21.0%，呈現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，軸心抗壓強(qiáng)度先增大后減小的趨勢，其中在試驗(yàn)范圍內(nèi)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值為39.67 MPa；在橡膠摻量為20%情況下?lián)饺?.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，試件軸心抗壓強(qiáng)度變化程度不明顯，分別為26.9、26.34、25.87 MPa；在橡膠摻量為30%情況下?lián)饺?.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，軸心抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降，分別為12.2%、9.2%、15.4%。綜上所述，在普通自密實(shí)混凝土及橡膠摻量較少(10%)的自密實(shí)混凝土中加入鋼纖維時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度有所提高，但當(dāng)自密實(shí)混凝土中的橡膠摻量較高時(shí)(20%、30%)，鋼纖維對橡膠自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度無明顯的增強(qiáng)效果，甚至?xí)霈F(xiàn)小幅下降的現(xiàn)象。

圖5 鋼纖維摻量對試件軸心抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.3 各因素對橡膠混凝土彈性模量的影響

1)橡膠摻量對橡膠自密實(shí)混凝土彈性模量的影響

圖6為橡膠摻量對鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的彈性模量的影響。可以看出，隨著橡膠摻量的逐漸增加，鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的彈性模量基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。僅橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時(shí)的彈性模量分別為3.48×104、2.36×104、2.52×104、1.89×104MPa；鋼纖維摻量為0.5%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時(shí)，試件彈性模量分別為3.17×104、2.02×104、2.12×104、1.87×104MPa；鋼纖維摻量為1.0%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時(shí)，試件彈性模量分別為2.2×104、2.02×104、1.98×104、1.85×104MPa；鋼纖維摻量為1.5%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時(shí)，試件的彈性模量分別為2.7×104、2.87×104、1.95×104、1.78×104MPa。綜上所述，無論普通自密實(shí)混凝土還是鋼纖維自密實(shí)混凝土，橡膠的摻入使試件的彈性模量有明顯的減小，而隨著橡膠摻量的增多，各試件的彈性模量逐漸降低。

圖6 橡膠摻量對試件彈性模量的影響

2)鋼纖維摻量對自密實(shí)混凝土彈性模量的影響

圖7為鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的彈性模量的影響。當(dāng)普通自密實(shí)混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的彈性模量較普通自密實(shí)混凝土降低了8.9%、36.8%、22.4%；當(dāng)在摻量為10%的橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0.5%、1.0%的鋼纖維時(shí)，試件的彈性模量分別降低了14.4%；14.4%，當(dāng)加入鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，試件的彈性模量增加了17.7%，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)在摻量為20%的橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的彈性模量分別降低了15.9%、21.4%、22.6%；當(dāng)在摻量為30%的橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的彈性模量分別降低了1.1%、2.1%、5.8%。綜上所述，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量總體上呈降低的趨勢，但降低的幅度有減小的趨勢。

圖7 鋼纖維摻量對試件彈性模量的影響

2.2.4 各因素對自密實(shí)混凝土峰值應(yīng)變的影響

1)橡膠摻量對自密實(shí)混凝土峰值應(yīng)變的影響

圖8為橡膠摻量對鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土峰值應(yīng)變的影響規(guī)律圖。當(dāng)自密實(shí)混凝土中摻入10%、20%、30%橡膠時(shí)，橡膠自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變較基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土分別增加了14.4%、8.2%、1.1%，呈現(xiàn)先隨橡膠摻量的增加先增大后減小的趨勢，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)摻入10%橡膠時(shí)，峰值應(yīng)變達(dá)到最大值，為2 318.65 με。在鋼纖維摻量為0.5%的情況下，隨橡膠摻量的增加鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)摻入10%的橡膠時(shí)，峰值應(yīng)變增加了1.96%，當(dāng)摻入20%、30%橡膠后分別減小了20.6%、12.7%，在摻入10%橡膠時(shí)，峰值應(yīng)變達(dá)到最大值2 521.18 με；在鋼纖維摻量為1.0%情況下?lián)饺?0%、20%、30%橡膠時(shí)，鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變較基準(zhǔn)鋼纖維自密實(shí)混凝土分別增加了13.5%、8.5%、2.4%，呈現(xiàn)先隨橡膠摻量的增加先增大后減小的趨勢，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)摻入10%橡膠時(shí)，峰值應(yīng)變達(dá)到最大值，為2 471.18 με；在鋼纖維摻量為1.5%情況下?lián)饺?0%、20%、30%橡膠時(shí)，鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變較基準(zhǔn)鋼纖維自密實(shí)混凝土分別增加了7.49%、10%、10.3%，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，峰值應(yīng)變最大為2 453.45 με。可以看出，橡膠的摻入總體上提高了鋼纖維自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變。

圖8 橡膠摻量對試件峰值應(yīng)變的影響

2)鋼纖維摻量對自密實(shí)混凝土峰值應(yīng)變的影響

圖9為鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變的影響規(guī)律圖。當(dāng)在普通自密實(shí)混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的峰值應(yīng)變分別為1 983.78、2 471.85、2 137.38、2 200.52 με；當(dāng)在10%摻量橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的峰值應(yīng)變分別為2 318.65、2 521.18、2 471.18、2 259.21 με；當(dāng)在20%摻量橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的峰值應(yīng)變分別為2 160.92、1 960.67、2 335.4、2 445.45 με；當(dāng)在30%摻量橡膠自密實(shí)混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時(shí)，試件的峰值應(yīng)變分別為1 985.42、2 158.97、2 190.18、2 453.45 με。可以看出，鋼纖維的摻入量對鋼纖維橡膠混凝土的峰值應(yīng)變普遍有增強(qiáng)的效果，但沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

圖9 鋼纖維摻量對試件峰值應(yīng)變的影響

2.3 鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型

x=ε/εc，

y=σ/fc，

(2)

上升段y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3，

(3)

下降段：y=x/[b(x-1)2+x]。

(4)

根據(jù)各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得式(2)～式(4)中各參數(shù)的解析表達(dá)式如下

a=1.5，b=7e-3.3ρr(1+3.3ρs)，

(5)

fc=fc0e-2.2ρr(1+3.3ρs)，

(6)

(7)

式中：ρr為橡膠摻量，其摻量適用范圍為0～30%；ρs為鋼纖維摻量，其摻量適用范圍為0～1.5%；fc0為基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度。由預(yù)算公式計(jì)算的曲線如圖2所示，預(yù)測曲線與試驗(yàn)曲線總體上吻合良好。

3 結(jié) 論

1)鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土試件的破壞呈現(xiàn)出延性特征，破壞的同時(shí)完整性也較好，雖出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象，但沒有出現(xiàn)貫通性裂紋。

2)隨著橡膠摻量的提高，試件軸心抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)橡膠的摻入量為20%、30%時(shí)，無論是普通自密實(shí)混凝土還是各摻量的鋼纖維自密實(shí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度下降幅度均較大，而當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，各試件的軸心抗壓強(qiáng)度下降較小。

3)在橡膠摻量較少(10%)的自密實(shí)混凝土中加入鋼纖維時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度有少量的提高，隨著鋼纖維摻量的提高，強(qiáng)度也逐漸增大，但當(dāng)橡膠摻量較高時(shí)(20%、30%)，鋼纖維對橡膠自密實(shí)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度無明顯的增強(qiáng)效果，甚至?xí)霈F(xiàn)較小的下降現(xiàn)象。

4)隨著橡膠摻量的增多，各試件的彈性模量逐漸降低；鋼纖維的摻入降低了普通自密實(shí)混凝土的彈性模量，但隨著鋼纖維摻量提高，彈性模量降低幅度減小。

5)橡膠的摻入提高了自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變，在試驗(yàn)范圍內(nèi)當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，峰值應(yīng)變的增加量最大，峰值應(yīng)變的最大增大量在10%；鋼纖維的摻入量對鋼纖維橡膠混凝土的峰值應(yīng)變普遍有增強(qiáng)的效果。