钢纤维橡胶混凝土力学性能分析

李征

（华北水利水电大学，河南 郑州450000）

水泥混凝土作为建筑行业的传统材料,具有取材容易,可模性好,耐久性好,抗压强度高等一系列优势,因此在建筑行业中被广泛应用。但是,水泥混凝土也具有抗拉强度低,自重大等明显的缺点。强度越高脆性表现得越明显,抵抗突发荷载和疲劳冲击荷载的能力越低, 混凝土高强化与高脆化的矛盾限制了普通混凝土的发展和应用。我国已经成为世界废橡胶产生量最大的国家之一,废旧橡胶最主要的来源就是废旧轮胎,据统计,在全球范围内每年产生近15 亿条废弃轮胎,且速度在不断增长[1]。橡胶是一种在自然条件下难以分解的高分子弹性材料,它不溶于水,难溶于有机溶剂,且不易腐烂,按传统的方法进行处理,费用昂贵。在当今世界各国提倡循环经济、环保社会的环境下,如何合理有效地回收废弃轮胎并将之变废为宝已成为各国学者研究的热点。橡胶具有较好的弹性,可塑性好,耐磨性强,耐久性及阻尼性好等特点,因此在改善混凝土性能的研究中,研究者发现将橡胶颗粒做为骨料掺入混凝土不仅可以消耗大量的废弃橡胶,为橡胶废弃物的处理提供合理选择,而且具有改善混凝土耐磨性、抗渗性并降低混凝土密度等优点。 若将橡胶颗粒部分替代细骨料掺入到混凝土中,橡胶颗粒的掺入可增强混凝土的能量吸收能力,使其高脆性得到改善,延性得到提高。橡胶混凝土在抗冲击韧性、抗疲劳开裂、抗冻、抗冲刷及降噪隔音等方面均优于普通混凝土。但研究也发现：橡胶混凝上的抗压强度、抗裂抗拉强度和抗折强度会因为橡胶颗粒的加入而降低[2-4],并会随着橡胶颗粒掺量的增加而急剧下降,从而影响了橡胶混凝上的进一步推广应用。若将钢纤维掺到橡胶混凝土中,则能发挥钢纤维对混凝上的阻裂、增强、增韧作用,改善由于橡胶颗粒的掺入所带来的混凝土抗拉强度和抗折强度降低的问题,进一步提高橡胶混凝土的抗冲击和抗疲劳性能[5-8]。中国工程院院士吴中伟教授认为：复合化是水泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强是其核心[9]。钢纤维橡胶混凝土将发挥复合材料性能优势的叠加效应, 进一步提高橡胶混凝土的力学性能,特别是其抗疲劳和抗冲击性能,使再生橡胶混凝土这种新型的绿色环保建筑材料能够得到进一步的开发与应用。本文针对以上情况分析在橡胶混凝土中掺入钢纤维,对比分析钢纤维混凝土和橡胶混凝土的力学性能差异化的主要原因。

1 工作性能

混凝土的工作性能是指新拌水泥混凝土易于各工序施工操作(搅拌、运输、浇注、捣实等)并能获得质量均匀、成型密实的性能,其含义包含流动性、粘聚性及保水性。橡胶混凝土的工作性能主要受橡胶颗粒的掺量,橡胶颗粒的大小以及表面粗糙程度的影响。橡胶颗粒的加入会明显影响混凝土的工作性能,随着橡胶颗粒掺量的增加,混凝土的塌落度会降低,当橡胶掺量低于10%时,混凝土的塌落度下降幅度较小,当橡胶掺量大于10%时,混凝土的塌落度下降明显,当橡胶掺量达到45%左右时,橡胶混凝土的塌落度几乎为零。橡胶颗粒具有更大的比表面积,橡胶颗粒的掺加,导致骨料的总表面积增大,致使骨料表面附着的水泥浆减少,从而导致混凝土的流动性降低。在橡胶混凝土中掺入钢纤维,随着钢纤维掺量的增多,混凝土的塌落度大幅度下降,这是由于钢纤维在混凝土中相当于短的小细钢筋,钢纤维的支蓬作用,大大影响了混凝土的流动性。

2 力学性能

2.1 钢纤维的掺入对橡胶混凝土抗压强度影响的分析。混凝土的抗压强度研究包括立方体抗压强度和轴心抗压强度, 研究表明,随着橡胶颗粒的掺加,导致混凝土的力学性能发生了降低。主要原因如下：(1)在橡胶混凝土中,混凝土拌合物为无机材料,而橡胶颗粒为有机材料,两者的物理和化学性质存着较大差异,相容性较差,橡胶混凝土在受压时,两者共同作用的机理相互影响,导致抗压能力下降。(2)橡胶颗粒作为有机憎水材料,在橡胶混凝土中橡胶颗粒与水泥砂浆的粘结作用相对薄弱,在橡胶混凝土在受压时,很容易在这些薄弱面产生裂缝,进而发生破坏。同时,橡胶颗粒的强度低,橡胶颗粒的存在也增加了混凝土薄弱点,因此导致其抗压能力降低。(3)在橡胶混凝土的硬化过程中,由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化,在橡胶颗粒与砂浆界面上产生了分布不均匀的拉应力,它足以破坏橡胶颗粒与砂浆的界面,形成许多分布很乱的界面微裂缝,这些裂缝的存在也会导致橡胶混凝土的抗压强度变弱。(4)橡胶颗粒的亲水性较差,在橡胶混凝土成型的过程中,在橡胶颗粒的表面很容易吸附小气泡,使其孔隙率变大,进一步导致橡胶颗粒和水泥砂浆的结合面薄弱。(5)橡胶颗粒的密度较小,在橡胶混凝土的制备过程中,尤其是振实这一环节,随着振动台的振动,橡胶颗粒会向上游走的微小移动,容易在橡胶颗粒的下表面形成空隙,在橡胶混凝土受压时,这些微小裂缝和空隙容易发展和贯连,进而形成宏观裂缝,使橡胶混凝土的更早的发生破坏,失去承压能力。在橡胶混凝土中加入钢纤维,能够一定程度上增强混凝土的抗压强度。究其原因,我们发现：无论是普通混凝土还是橡胶混凝土在其硬化成型的过程中由于各种各样的原因不可避免的形成了微裂纹、气泡、孔穴,混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的,其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到产生宏观裂纹,导致混凝土失稳破裂的过程。而钢纤维的存在,一定程度上延缓了这一过程。具体原因有：(1)在混凝土试块受力时,裂缝尖端的应力集中,由于钢纤维的存在,钢纤维将这部分应力传递给裂缝两侧的混凝土,从而缓解了应力集中现象的加剧,减缓了试块破坏的进程。(2)在试块受压裂缝发展的过程中,由于钢纤维的存在,杂乱无章分布的钢纤维在混凝土基体内起到桥连抗拉的作用, 延缓微观裂缝的发展和变大,减缓了宏观裂缝的产生和贯通,从而提高了承载力。(3)钢纤维的掺入也使混凝土的密实度提高,孔隙率下降,钢纤维与钢纤维之间嵌套着混凝土材料,会产生类似于套箍作用,将骨料紧紧包裹缠绕,这在一定程度上使试块的抗压能力得到提升。

2.2 钢纤维的掺入对橡胶混凝土抗拉抗折强度影响的分析。混凝土的抗拉抗折强度研究包括立方体劈裂抗拉强度和抗折强度,研究表明,随着橡胶颗粒的掺加,导致混凝土的力学性能发生了降低。主要原因如下：(1)橡胶颗粒本身是一种低强度的材料,在混凝土中掺入橡胶颗粒,对于混凝土来说相当于引入了软弱的内部结构,形成了内部软弱点,导致了立方体劈裂抗拉强度的下降。(2)橡胶颗粒作为有机材料与无机材料混凝土之间的粘结作用并不好,两者之间形成薄弱的粘结面,在橡胶混凝土受力时极易开裂,从而导致立方体劈裂抗拉强度的降低。(3)橡胶颗粒作为憎水材料,在橡胶混凝土的制备成型过程中容易在橡胶表面吸附小气泡,在橡胶混凝土硬化后这些小气泡导致了在橡胶混凝土承受拉应力时的有效面积减少,进一步导致橡胶混凝土的劈裂抗拉强度的降低。在橡胶混凝土中加入钢纤维,能够明显增强混凝土的抗拉和抗折强度。主要原因如下：(1)钢纤维橡胶混凝土作为一个多相材料,钢纤维的掺入相当于在其内部加入了小的细短钢筋, 而且在橡胶混凝土内部无序的分布,形成一个三维的网络,起到了很好的桥连抗拉的作用,有效的阻碍了混凝土中裂缝的发展。(2)钢纤维的抗拉强度远远大于混凝土的抗拉强度,也能够提高混凝土的抗拉强度。而且在钢纤维橡胶混凝土受拉受折时,部分的钢纤维被拔出,消耗了一部分能量。(3)当混凝土出现裂缝以后,钢纤维的存在拉结着裂缝两侧的基体,能够使两侧的基体的应力相互传递,发挥了降低裂缝尖端应力的作用。

3 结论

普通混凝土的强度高,但是塑性差,在普通混凝土中加入橡胶颗粒,能够改善混凝土的塑性,但是也会降低混凝土的强度,我们再在橡胶混凝土中掺入钢纤维,不仅能能够弥补因为橡胶的加入导致的强度下降,而且能够保留橡胶混凝土的塑性。对于普通混凝土而言,钢纤维橡胶混凝土能够改善普通混凝土的塑性,整体性,同时强度不降低,甚至也得到增强,这一特点,拓展了混凝土的应用场景,为建筑行业提供了更好的材料和选择。