钢纤维改性橡胶混凝土性能试验研究

张　岩，李厚民，段小龙，王仪政

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



钢纤维改性橡胶混凝土性能试验研究

张岩，李厚民，段小龙，王仪政

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]在 5%、10%、15%、20%橡胶掺量的橡胶混凝土中外掺1.0%体积率的钢纤维，通过立方体劈裂抗拉试验、棱柱体抗折试验，研究了钢纤维橡胶混凝土的力学性能。实验结果表明：橡胶混凝土立方体劈裂抗拉强度和棱柱体抗折强度随橡胶颗粒掺量的增加而明显下降，掺入钢纤维后的钢纤维橡胶混凝土劈裂抗拉强度先降低后提高，棱柱体抗折强度均明显提高，韧性均显著提高 。

[关键词]橡胶混凝土；钢纤维；韧性；劈裂抗拉强度；抗折强度

混凝土掺橡胶后强度下降较大，是阻碍橡胶广泛运用到混凝土中的主要原因。在这种情况下，改性橡胶混凝土就成为混凝土试验研究的方向。Eldin等的试验研究结果显示，水冲洗胶粉后的橡胶混凝土强度比未冲洗的橡胶混凝土强度提高16%[1]。Segre Nadia等[2]和马清文等[3]将胶粉、橡胶颗粒在NaOH等强碱溶液中浸泡后研究，结果不但不会改变橡胶的物理力学性能，并且改性后的橡胶混凝土强度和韧性有不同程度的提高，并改善了其极限荷载下的破坏形态，但是NaOH浸泡处理橡胶颗粒前后对弹性模量的影响规律并不明显。Rostami等通过水清洗橡胶粉后的橡胶混凝土抗压强度比基准混凝土提高16%，四氯化碳溶液处理橡胶粉后的抗压强度提高57%[4]。牛铭山、钱克训等人将聚丙烯纤维掺入橡胶混凝土中研究，结果橡胶混凝土试件的变形、韧性和冲击性能得到明显提高，橡胶混凝土的极限弯拉强度随聚丙烯纤维掺量的增大也明显提高，但是聚丙烯纤维对橡胶混凝土的抗压强度影响不明显[5]。近年来的研究表明，将钢纤维掺入到高强混凝土中，能够明显提高混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，但立方体抗压强度下降，随钢纤维掺量的增加高强混凝土韧性有所提高，但是抗弯加载曲线还是不够平缓饱满[6]。朱江等将钢纤维和少量的橡胶粉复合掺入到高强混凝土中，随钢纤维掺量的增加，对不同粒径橡胶粉的高强橡胶混凝土强度有不同程度的提高，朱江等还通过全掺式和层布式两种方法分别研究了钢纤维改性橡胶混凝土的力学性能，结果表明采用全掺式对橡胶混凝土力学性能改善效果较好[7-8]。钢纤维的掺入提高了高温作用后橡胶混凝土的韧性性能，而且随钢纤维体积率的增加韧性逐渐提高，但高温作用后的钢纤维改性橡胶混凝土的各项强度指标均有下降[9]。

本研究以橡胶混凝土为基础，通过全掺式将钢纤维以1.0%的体积率掺入到不同橡胶掺量的基准混凝土中，采用力加载控制方式对普通混凝土、橡胶混凝土、钢纤维橡胶混凝土进行劈裂抗拉和抗折试验，研究钢纤维对不同橡胶掺量混凝土立方体劈裂抗拉、抗折强度和劈拉、抗折韧性的影响规律。

1实验概况

1.1实验原材料

1)水泥：武汉华新水泥股份有限公司生产的P.C 32.5复合硅酸盐水泥。 2)粗骨料：粒径为5~10 mm，10~20 mm两种，二者掺量之比为4∶6，表观密度2732 kg/m3，级配合格的二级配石灰岩。 3)细骨料：普通中砂，细度模数为2.53，最大粒径为5 mm，表观密度为2543 kg/m3。 4)橡胶颗粒：山东烟台某公司生产的粒径为3~4 mm的橡胶颗粒。 5)钢纤维: 抗拉强度≥800 MPa，长度35 mm，直径0.6 mm的波浪形钢纤维。 6)减水剂：武汉某公司生产的耐系羧酸减水剂，减水率为18%，掺量为胶凝材料的1.8%。 7)水：清洁自来水。

1.2试件配合比设计及编号

按照普通混凝土配合比的设计方法对基准混凝土(C)，钢纤维改性橡胶混凝土(SF-RR-C)进行配合比设计，基准混凝土配合比见表1。

表1　基准混凝土配合比　　kg/m3

橡胶颗粒采用等体积替换砂率的方式内掺入基准混凝土(C)，替换率分别为5%、10%、15%、20%, 掺入橡胶颗粒质量分别为13.76 kg/m3、27.5 kg/m3、41.3 kg/m3、55 kg/m3；钢纤维采用全掺式,以体积率为1.0%外掺入橡胶混凝土中，即掺入钢纤维质量为78 kg/m3，全掺式钢纤维改性橡胶混凝土的编号为SFnRRmC，其中n代表钢纤维体积率为1.0，m代表橡胶颗粒掺量分别为5、10、15、20。

1.3试验方法

采用强制式混凝土搅拌机搅拌，所有的试块均采用振动台振捣密实。严格按照GB/T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]和CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》[10]的要求操作，对基准混凝土(素混凝土)、橡胶混凝土、钢纤维橡胶混凝土的基本力学性能试验做对比试验，主要包括立方体的劈裂抗拉强度试验、棱柱体抗折强度试验。

2试验结果及分析

2.1试验数据

利用电子万能试验机进行混凝土的加载试验，均取三块试件极限荷载强度值的平均值为所得结果值，本次试验的立方体劈裂抗拉强度、棱柱体抗折强度值结果见表2。

表2　 钢纤维橡胶混凝土实验结果

2.2试验结果分析

2.2.1立方体劈裂抗拉试验素混凝土立方体、20%橡胶掺量的橡胶混凝土立方体和在其橡胶混凝土基础上外掺1.0%体积率钢纤维的钢纤维橡胶混凝土立方体的劈拉荷载-位移曲线(图1)。

图 1　立方体劈裂抗拉荷载-位移曲线

混凝土的韧性是指基体在开裂后能够继续承受施加荷载的变形能力，材料的强度高而变形性能差或材料的变形性能高而强度较低，其韧性都不好，只有在材料变形性能和强度都高的情况下韧性才好。图1可见，素混凝土和橡胶混凝土在达到极限荷载后试件立即破坏，即只有加载上升段没有下降段，而掺入钢纤维和橡胶颗粒后的素混凝土加载曲线很完整，荷载位移曲线既有上升段也有下降段，表现出在达到极限荷载后还能继续承受荷载，有较好的延性性能；钢纤维橡胶混凝土的劈裂抗拉强度最大，素混凝土强度次之，橡胶混凝土强度最小；在破坏时，素混凝土发出清脆的响亮声，橡胶混凝土发出低沉闷声，而钢纤维橡胶混凝土几乎没有声音，因此钢纤维橡胶混凝土的韧度最好。

基准混凝土在掺入较多橡胶颗粒后立方体劈裂抗拉强度下降较大，不同橡胶掺量的橡胶混凝土外掺1.0%体积率的钢纤维后强度有不同程度提高，以普通混凝土的立方体劈裂抗拉强度为基准，可得到橡胶混凝土、钢纤维改性橡胶混凝土的立方体劈裂抗拉强度与基准混凝土的立方体劈裂抗拉强度的比值，该比值随橡胶掺量的变化见图2。

图 2　立方体劈裂抗拉强度比变化图

由表2和图2可见，5%橡胶掺量的混凝土立方体劈裂抗拉强度比基准混凝土提高2%，可能是因为5%橡胶掺量等体积替换后基体的颗粒级配更优，橡胶掺量为10%、15%、20%的混凝土立方体劈裂强度都降低，降低量分别为11%、18%、23%，因为随橡胶颗粒掺量的增加，橡胶与基体之间形成的薄弱面增多，导致橡胶混凝土立方体的劈裂抗拉强度逐渐下降，掺入钢纤维后试块的劈裂抗拉强度得到相应提高。5%、10%橡胶掺量的混凝土掺入1.0%体积率的钢纤维后劈裂抗拉强度分别下降10.3%、6.6%；而15%、20%橡胶掺量的混凝土掺入1.0%体积率钢纤维后劈裂抗拉强度分别提高66.9%、66.3%，且此时钢纤维橡胶混凝土的劈裂抗拉强度大于基准混凝土的强度。这是因为橡胶颗粒作为一种软弹性体材料掺入基准混凝土内，在劈裂抗拉时产生较大变形，相对基体材料而言，此时抗拉强度非常大的钢纤维起到了很好的抗拉作用，混凝土劈裂抗拉强度提高。但是相对于基准混凝土来说，橡胶颗粒和钢纤维的掺入均与基体形成了薄弱粘结面， 5%、10%橡胶掺量的混凝土内弹性体材料较少，使很少的钢纤维起到有效的抗拉作用，并且这部分有效作用小于因为橡胶颗粒和钢纤维掺入形成薄弱面使强度降低的作用；15%、20%橡胶掺量的橡胶混凝土内由于有更多的弹性体材料，促使更多的钢纤维起到有效抗拉作用，这部分有效作用大于因为橡胶颗粒和钢纤维掺入形成薄弱面使强度降低的作用，橡胶掺量达到15%时，钢纤维橡胶混凝土劈裂强度最大，随着橡胶量继续增加强度反而降低，是因薄弱面的增多促使劈裂抗拉强度下降，但是此时的劈裂抗拉强度仍大于素混凝土的强度，比素混凝土提高7.9%。

2.2.2棱柱体抗折度试验素混凝土棱柱体、20%橡胶掺量的橡胶混凝土棱柱体和在其橡胶混凝土基础上外掺1.0%体积率钢纤维的钢纤维橡胶混凝土棱柱体的抗折荷载-位移曲线，如图3所示。

图 3　棱柱体抗折荷载-位移曲线

由图3可见，素混凝土达到极限荷载后立即破坏，为脆性破坏，即韧性最差；橡胶混凝土加载曲线虽不像素混凝土那样达到极限荷载后立即截止，但还是急剧下降，且强度小于素混凝土强度，其韧性还是很差；1.0%钢纤维掺量的橡胶混凝土抗折强度最大，且加载曲线在达到极限荷载后缓慢下降，荷载曲线比前两者都要饱满完整，抗折破坏时的声音与劈裂抗拉时的相似。破坏过程中，基准混凝土和橡胶混凝土试件的跨中从出现裂缝到破坏需要的时间都很短，破坏时只有一条裂缝，表现出“一裂即断”的脆性破坏特征，而加入1.0%钢纤维后试件在达到抗折极限荷载时，先在试件的中间底部出现一条裂缝，继续加载底部出现多条细小的裂缝，最后试件破坏，并且试件没有完全断开，表现出“裂而不断”的延性破坏性质。

由表2可得，基准混凝土掺入5%、10%、15%、20%体积率的橡胶颗粒后，其棱柱体抗折强度明显降低，降低量分别为3.3%、16.1%、19.4%、22.1%；在上述橡胶掺量的橡胶混凝土中掺入体积率为1.0%的钢纤维后，其抗折强度明显提高且比相同橡胶掺量的橡胶混凝土抗折强度分别提高6.6%、6.6%、17.8%、45.6%，以普通混凝土的棱柱体抗折强度为基准，可得到钢纤维改性橡胶混凝土的棱柱体抗折强度与基准混凝土的棱柱体抗折强度的比值，该比值随橡胶体积掺量的变化见图4。

图 4　抗折强度比变化图

由表2和图4可见，不同掺量橡胶的橡胶混凝土外掺入1.0%体积率的钢纤维后抗折强度均提高，但不同橡胶掺量的橡胶混凝土强度提高不同。橡胶掺量小于10%时，随着橡胶掺量的增加，钢纤维橡胶混凝土强度下降；当橡胶掺量达到10%之后，钢纤维橡胶混凝土抗折强度随着橡胶掺量的增加迅速增大，这是由于橡胶颗粒和钢纤维的掺入均与基体混凝土形成薄弱的粘结面，而橡胶颗粒是低弹性模量物质，其表面先出现裂缝并开始逐渐向两端扩展，之后钢纤维发挥抗拉作用。钢纤维的掺入虽提高了橡胶混凝土抗折强度，但仍小于基准混凝土抗折强度，因为起到抗拉作用的钢纤维较少，钢纤维提供的抗拉作用小于因薄弱面造成强度降低的作用，随着橡胶颗粒继续增加，促使更多的钢纤维提供抗拉作用，导致钢纤维橡胶混凝土抗折强度迅速提高，直到橡胶掺量达到20%时抗折强度达到5.14 MPa比素混凝土抗折强度提高13.5%，这说明了有效部分钢纤维提供的抗拉作用大于因较多薄弱面而降低的作用。

3结论

本文通过对不同橡胶掺量的橡胶混凝土外掺1.0%体积率钢纤维的劈裂抗拉和抗折试验的研究分析，主要得到以下结论：

1)相对于素混凝土，橡胶混凝土的劈裂抗拉韧性和抗折韧性基本无影响，利用钢纤维改性的橡胶混凝土的劈裂和抗折韧性有显著提高，不同橡胶掺量时韧性提高量也不同。

2)掺入橡胶使混凝土的劈裂抗拉和抗折强度下降，且随橡胶掺量的增加下降量增大；相对于橡胶混凝土，外掺1.0%体积率的钢纤维时其劈拉和抗折强度有显著提高，橡胶掺量为20%时，其劈拉和抗折强度均已大于素混凝土的强度，且分别比素混凝土高7.9%和13.5%。

[参考文献]

[1]Eldin N N, Senouci A B. Rubber-tire particles as concrete aggregate[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 1993, 5(4): 478-496

[2]Segre Nadia, Monteiro Paulo J M, Sposito Garrison. Surface characterization of recycled tire rubber to be used in cement paste matrix[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 2482.

[3]马清文，乐金朝，姜燕. NaOH预处理对橡胶混凝土力学性能的影响[J].中外公路，2011(06):229-233.

[4]Rostami H, Leppre J, Silverstraim T, et al. Use of recycled rubber tires in concrete[C] //Dhir R K(Ed.)，Proceedings of the International Conference on Concrete 2000, University of Dundee[A]. Scotland, UK, 1993:391-399.

[5]牛铭山，钱克训. 聚丙烯纤维对橡胶混凝土韧性特征的影响研究[J].路基工程，2014(02):111-115.

[6]姚武.钢纤维高强混凝土的力学性能研究[J].新型建筑材料，1999(10):18-19.

[7]朱江，陈传锋，朱志文，等.钢纤维改性再生橡胶高强混凝土性能试验研究[J].混凝土，2009(05):86-89.

[8]朱江，李旭东，张东升.不同分布的钢纤维改性橡胶混凝土性能研究[J].混凝土，2013(03):69-72.

[9]李旭东. 高温前后钢纤维改性橡胶混凝土力学性能试验研究[D].广东：广东工业大学，2013.

[10] GB/T50081-2002 ，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：建筑工业出版社，2003.

[11] CECS13：2009， 纤维混凝土试验方法标准[S].北京：人民交通出版社，2009.

[责任编校： 张岩芳]

Experimental Study on Properties of Rubber Concrete Modified by Steel Fiber

ZHANG Yan, LI Houmin, DUAN Xiaolong, WANG Yizheng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech. ,Wuhan430068,China)

Abstract：The properties of steel fiber with volume fraction of 1.0% modified the rubber concrete with 5%, 10%, 15%, 20% four different dosage were tested and analyzed, through cub plitting tensile test and prismoid flexural test. Test results show that rubber concrete cube splitting tensile strength and prismoid flexural strength reduced obviously along with increasing rubber; the addition of steel fiber first improved the cube splitting tensile strength and then reduced; the prismoid flexural strength of rubber concrete modified by steel fiber was improved obviously, the toughness was also significantly improved.

Keywords：rubber concrete; steel fiber; toughness; splitting tensile strength; flexural strength

[中图分类号]TU528.572

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0104-04

[作者简介]张岩(1988-)， 男， 河南新乡人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为结构工程

[基金项目]湖北省桥梁中心开放基金(QLZX2014007)

[收稿日期]2015-02-04