钢纤维橡胶混凝土力学性能探究范文

摘要：对钢纤维掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维橡胶混凝土进行了立方体抗压试验和四点弯曲试验，并对比了钢纤维掺量对钢纤维橡胶混凝土力学性能的影响。

关键词：钢纤维橡胶混凝土；钢纤维掺量；废旧橡胶；四点弯曲试验；力学性能

0前言

根据中国橡胶协会统计，中国废旧轮胎在2013年就达到了2.99亿条，重达1080万t，并以每年约10%的速度增长，2015年中国废旧轮胎产量已突破3亿条[1]。钢纤维橡胶混凝土（SteelFiberReinforcedRubberConcrete，简称SFRRC）是利用淘汰的轮胎碾碎而成的橡胶颗粒，钢纤维和橡胶颗粒的掺入可使混凝土的韧性、抗裂性、抗震性得到较大程度的提升[2-5]。本文通过改变钢纤维的体积分数，对比了体积分数不同的情况下SFRRC的力学性能，研究了SFRRC相较于普通混凝土（C）和橡胶混凝土（RC）的性能优势，以期为配置性能更优的混凝土材料提供参考。

1试验设计

1.1原材料水泥：P•C32.5级水泥。细骨料：普通河砂，细度模数为2.52的中砂，表观密度2.54g/cm3。粗骨料：碎石，粒径5~20mm。橡胶颗粒：江苏某公司生产，粒径3~4mm。钢纤维：铣削波浪型钢纤维，长度为37mm，厚度为0.6mm，宽度为2mm，抗拉强度为644MPa，密度为7.950kg/m3。

1.2配合比按照普通混凝土设计方法先对C30基体混凝土进行配合比设计，5目橡胶颗粒以10%（27.6kg/m3）体积率取代部分细骨料，在此基础上分别添加体积率0.5%（39kg/m3）、1.0%（78kg/m3）、1.5%（117kg/m3）、2.0%（156kg/m3）的钢纤维。减水剂用量为胶凝材料用量的1.8%，其它各材料用量不变。根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[6]和GB50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》[7]将水灰比定为0.45。

1.3试验方法立方体抗压试验：采用WYA-2000型电液式压力试验机试验机对18个100mm×100mm×100mm的试件进行试验；四点弯曲试验：采用CBT1105-D微机控制电子压力试验机对18个100mm×100mm×400mm的非标准试验梁进行试验，由于是非标准试件，试验测得的结果乘以0.85得到抗折强度值。

2试验结果与分析

2.1立方体抗压强度普通混凝土立方体抗压强度和橡胶掺量为10%的橡胶混凝土立方体抗压强度分别为40.75MPa和37.72MPa，橡胶的加入使得混凝土的抗压强度降低了7.4%。这是因为橡胶作为弹性体材料，比混凝土的强度低很多，在混凝土中形成多处薄弱点；其次，水泥和橡胶分别属于无机化合物和高分子憎水性有机材料，橡胶颗粒和混凝土基体之间由于橡胶表面易吸附一定量气体而形成薄弱黏结面。在RC配比基础上分别加入体积率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维后，试件的抗压强度分别为42.57MPa、43.83MPa、45.79MPa、47.19MPa，比RC试件分别提高了12.9%、16.2%、21.4%、25.1%；比C试件的抗压强度分别提高了4.7%、7.6%、12.7%、15.8%。这是因为钢纤维均匀分布在RC基体内，形成了三维分布网络，起到了桥连作用，同时，由于掺入的钢纤维为波浪形，可以牢固地嵌入到基体中，减少了基体内的空隙部分。钢纤维体积率小于0.5%时，试件的抗压强度随钢纤维体积率变大而增长较快，抗压强度的增长量随着钢纤维体积率增大而逐步平缓，这是因为当钢纤维体积率达到一定数值后，钢纤维在基体内慢慢趋近饱和状态，增加钢纤维掺量将不再提升混凝土立方体抗压强度。（2）试件破坏形态各组试件的破坏形态见图1。在立方体抗压试验过程中，从试验开始阶段观察，C试件在破坏前几乎没有明显征兆，伴随剧烈响声瞬间破坏，并且荷载达到极限后突然降低，上下面的混凝土由于压板的套箍作用破坏时较完整，试件四周混凝土严重脱落，剩下两个类似椎体的部分，整个过程表现为明显的脆性破坏。加入橡胶的RC试件在破坏时没有剧烈的响声，荷载达到极限后跟C试件一样瞬间降低，四周混凝土脱落情况没有C试件严重，试件表面呈现出较多裂缝，表现出一些延性特征。SFRRC试件在破坏时几乎没有声音，试件有很好的完整性，荷载达到极限后缓慢降低，破坏后仍然有一定的抗压能力，表面出现较少裂缝，破坏后用手尝试扒开试块使其分离，依然难以扒开。

2.2抗折强度试验C试件和RC试件的抗折强度分别为5.53MPa和4.97MPa，橡胶的加入使得混凝土的抗折强度降低了10.1%。在RC配比的基础上分别加入体积率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维后，试件的抗折强度分别为5.89MPa、5.30MPa、7.17MPa、7.94MPa，比RC试件分别提高了18.5%、6.6%、44.3%、59.8%。钢纤维和橡胶颗粒与基体形成薄弱的黏结面，此现象可缓解混凝土内部应力集中现象，使得宏观裂缝转为许多微观裂缝。当钢纤维体积率太小时，对抗折强度的提升不明显，这是因为少量钢纤维随机分布在RC基体中时，由于数量太少，钢纤维之间无法很好地形成纤维网络，所以，对抗折强度的提升效果不明显。当钢纤维数量达到一定程度后，纤维之间形成纤维网络，此时对于混凝土抗拉强度增强作用远大于薄弱面的减弱作用，所以，随着钢纤维体积率变大，抗折强度也会变大。根据之前学者们的研究，钢纤维体积率有一个临界值，超过这个临界值，随着钢纤维体积率的增大，抗折强度会随之减小。

（2）折压比通过以上试验计算得出的数据，得到各组混凝土试件的折压比。由表中数据可以看出，除了钢纤维掺量为1.0%的SFRRC，在RC中加入各体积率钢纤维，不同程度上提高了混凝土的折压比，说明钢纤维的加入减小了RC材料的脆性特征，增加了材料的韧性，且达到一定掺量后，增强幅度较大。钢纤维掺量为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%时，其折压比分别为RC材料的100.2%、91.7%、119.0%和127.7%。

（3）抗折破坏形态图3为各类型试件的抗折破坏形态，从左至右分别为C试件、SF0RR10C试件、SF0.5RR10C试件、SF1.0RR10C试件、SF1.5RR10C试件、SF2.0RR10C试件。从试验开始阶段观察，C试件在断裂破坏前几乎无明显征兆，伴随剧烈清脆声瞬间破坏，并且荷载达到极限后瞬间变为零，整个过程为明显的脆性破坏，其断面较整齐；加入橡胶的试件在断裂破坏时声音较柔和低沉，荷载达到极限后跟C试件一样瞬间降低，其断面为锯齿状。SFRRC试件在破坏时，在试件底部正中位置出现裂缝，并随着加载裂纹缓慢向上延伸，荷载达到极限后缓慢降低，破坏后仍然有一定的抗折能力。这是因为试件在受压开裂过程中，钢纤维受拉从RC基体中拔出消耗了大量的能量，大大提升了混凝土的韧性。（4）位移-荷载曲线使用CBT1105-D型SANS微机控制电子压力试验机进行抗折试验时绘制了C试件、RC试件和SFRRC试件的位移-荷载曲线，C试件的位移-荷载曲线接近直线，随着所加荷载达到极限时，试件瞬间破坏，并一分为二，试验机立即停止加载，所以曲线只有上升段，没有下降段，突出了C试件的脆性破坏特征。由图5可见，RC试件的位移-荷载曲线在开始阶段斜率较小，表明随着位移的增加，荷载的增长较缓慢，表现出弹性特征，随后斜率变大，曲线接近直线，达到极限荷载后，试件瞬间断裂但没有完全一分为二，曲线出现较陡的下降段，说明橡胶的加入对混凝土的脆性特征有一定的改善作用。SFRRC试件的位移-荷载曲线在开始阶段斜率极小，说明在加载开始阶段，随着变形的增大，荷载的增长极其缓慢，加载过程中基体内的宏观裂缝被橡胶颗粒阻碍转化成大量微观裂缝，当裂缝扩展到钢纤维时，由于钢纤维材料的抗拉强度远大于RC基体，裂缝扩展速度进一步降低。随着加载的持续，曲线上升段整体接近直线，但局部上有波动，达到极限荷载时，试件整体的完整性很好，下降段与上升段的陡峭程度较相近，较平缓、饱满，说明SFRRC试件在破坏后仍有较好的抗折性能。

3结论

（1）5目橡胶颗粒的加入对于混凝土的抗压强度有明显降低作用，橡胶颗粒掺量为10%的混凝土，其抗压强度降低了7.4%。钢纤维对RC的抗压强度有一定提升作用，加入0.5%的钢纤维即可填补橡胶带来的强度损失。钢纤维的体积率为0~2.0%时，混凝土强度随着钢纤维掺量的增大而提高，最大提高幅度为25.1%。破坏过程中，RC试件产生的外观裂纹比C试件细，而SFRRC试件产生的外观裂缝比RC更细且更多，且SFRRC试件破坏后仍有较强的抗压能力，材料整体性更强，说明钢纤维和橡胶协同作用使得混凝土的延性增强。（2）5目橡胶颗粒的加入对于混凝土的抗折强度有明显降低作用，橡胶颗粒掺量为10%的混凝土，其抗折强度降低了10.1%。钢纤维对RC的抗折强度有非常明显提升作用，最大可提高59.8%。与C、RC试件相比，SFRRC试件破坏后仍有较强的抗折能力，材料整体性更强，不会瞬间完全断开，说明钢纤维和橡胶协同作用使得混凝土的韧性增强。

作者：严智卓；周金枝；周陈旭 单位：湖北工业大学土木建筑与环境学院