钢纤维增强自密实橡胶混凝土力学性能研究

蔡树元,封　婷,陈　舒,陈张涛,曹　朋,黄薪维

(盐城工学院 材料工程学院，江苏 盐城　224051)

钢纤维增强自密实橡胶混凝土力学性能研究

蔡树元,封婷,陈舒,陈张涛,曹朋,黄薪维

(盐城工学院 材料工程学院，江苏 盐城224051)

采用正交试验设计的方法，研究了钢纤维掺量、橡胶粉掺量、水胶比和砂率对钢纤维自密实橡胶混凝土力学性能的影响。研究结果表明，钢纤维自密实橡胶混凝土表观密度随着钢纤维掺量的增加而逐渐增加，随着橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加而逐渐减小；抗压强度随着钢纤维掺量、橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加有逐渐减小的趋势；劈裂抗拉强度随着钢纤维掺量的增加而增加，随着橡胶粉掺量增加而减小；拉压比随着钢纤维、橡胶粉掺量的增加逐渐增加,但随着水胶比与砂率的增加，出现了波动。最终得出:钢纤维自密实橡胶混凝土的韧性优于基准自密实混凝土。

钢纤维；橡胶粉；自密实混凝土；正交试验；力学性能；韧性

自密实混凝土(SCC)是一种新型的高性能混凝土，其拌合物具有很高的流动性，无需振捣，拌合物能依靠自重流动充满模具并达到密实，浇筑时不泌水、不离析，有良好的均匀性和稳定性，硬化后的混凝土具有良好的力学性能与耐久性能。因此，自密实混凝土极大地方便了施工，改善了施工环境，加快了施工进度，提高了劳动生产率，降低了工程费用，并提高了混凝土的质量[1-4]。然而，混凝土是一种脆性材料，自密实混凝土也不例外，其抗拉、防冲击、防裂性能差，破坏无先兆；且自密实混凝土为满足自密实要求，浆体用量较大，导致其硬化收缩也大[5-6]。

钢纤维混凝土不仅具有高的抗拉强度、抗折强度和韧性，而且抗裂性能、抗收缩性能良好，极限拉应变大[7-10]。

将废旧橡胶处理成粒状或粉状后掺入到混凝土中，不但能增加混凝土的韧性，改善其抗冲击和抗震性能，同时又能解决大量废旧橡胶的回收利用问题。因此，橡胶混凝土的研究和应用正成为热点[11-13]。

结合钢纤维混凝土、橡胶混凝土的特点，有许多研究者分别对钢纤维自密实混凝土[6,14]、橡胶自密实混凝土[15-18]以及钢纤维橡胶混凝土[19-21]进行了研究。然而，将钢纤维、橡胶同时加入自密实混凝土却鲜有报道。本课题采用正交试验的方法，就钢纤维掺量、橡胶粉掺量、水胶比和砂率4个因素分别选取3个水平组成9组试验，在调节外加剂掺量满足自密实混凝土工作性能的基础上，研究4因素对钢纤维增强自密实橡胶混凝土(SCRCS)力学性能的影响。

1　原材料与试验方法

1.1原材料

水泥，购自江苏八菱海螺水泥有限公司，P.O42.5，表观密度2 894 kg/m3，28 d抗压强度49.5 MPa、抗折强度8.1 MPa；

集料，购自盐城市联鑫混凝土有限公司，其中大石(10～20 mm)表观密度2 750 kg/m3，小石(5～10 mm)表观密度2 710 kg/m3，砂表观密度2 589 kg/m3、细度模数2.7、中砂；

粉煤灰，购自盐城发电有限公司，2级，表观密度2 151 kg/m3；

矿粉，购自盐城市联鑫混凝土有限公司，S95，表观密度2 724 kg/m3；

橡胶粉，购自青岛惠商橡胶有限公司，30目，表观密度1 065 kg/m3；

钢纤维，购自盐城市联鑫混凝土有限公司，直径1 mm，长度4.84 mm，密度按7 800 kg/m3计算；

聚羧酸高效减水剂，购自江苏博特新材料有限公司，型号为PCA-403，固含量22.335%，减水率30%以上；

拌合用水，可饮用的普通自来水。以上材料均符合国家相关标准。

1.2配合比设计

1.2.1基准自密实混凝土配合比

基准自密实混凝土强度等级设计为C60，其配合比以1 m3计算先按JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》，得到计算配合比，经试配满足自密实混凝土工作性能要求，得基准自密实混凝土配合比，见表1。由表1可看出，单方胶凝材料水泥、粉煤灰、矿粉总量571 kg，粉煤灰占20%，矿粉占10%；水胶比取0.31；砂率为0.49，为保证粗集料级配合理，大石与小石比为6∶4；外加剂掺量为1%。

1.2.2钢纤维增强自密实橡胶混凝土(SRCRS)配合比

钢纤维增强自密实橡胶混凝土研究采用正交试验，配合比设计考虑4个影响因素，每个因素取3个水平，见表2。配合比正交试验见表3。外加剂的加入量是根据工作性能达到自密实混凝土要求进行调整的。

表1　基准自密实混凝土配合比

表2　SRCRS配合比设计因素水平表

表3　SRCRS配合比正交试验表

1.3试验方法

(1)搅拌方法

试验拌制的混凝土为15 L，采用手工搅拌。根据表1与表3的配合比，准确称取各原料；依次将砂、水泥、粉煤灰、矿粉、钢纤维、橡胶粉倒在事先润湿的大铁板上，用润湿过的铁铲搅拌均匀；再倒上大石与小石，干拌均匀堆成圆台；在圆台顶部作一凹槽，将已称量好并搅拌均匀的外加剂与水的液体混合物的一半倒入凹槽，仔细翻拌均匀，注意不使水流出；再加入剩余的液体混合物，继续翻拌，直至拌匀为止。整个拌和时间不超过5 min。

(2)工作性能测定

钢纤维增强自密实橡胶混凝土的工作性能用坍落扩展度、扩展时间T500与J环扩展度表示，测定依据JGJ/T283-2012。

(3)试件成型

工作性能测定与调整符合要求后，依据JGJ/T283-2012，将混凝土拌合物分2次装入100 mm×100 mm×100 mm的试模。每次料层厚度基本相同，不振动或插捣；拌合物应高出模口；刮去多余混凝土，待基本收浆后，用抹刀抹平；在(20±5) ℃的房间里放置24 h后从加水算起脱模编号；再在(20±1) ℃、>95%RH的养护箱养护27 d。

(4)力学性能测定

钢纤维增强自密实橡胶混凝土的力学性能用抗压强度、劈裂抗拉强度与拉压比表示。抗压强度、劈裂抗拉强度测定依据GB/T50081-2002进

行，拉压比是所测定的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值。

2　试验结果与分析

2.1基准自密实混凝土性能

2.1.1基准自密实混凝土工作性能

依据表1配合比制作的基准自密实混凝土拌合物坍落扩展度为810 mm、扩展时间T500为6.9 s、J环扩展度为765 mm，坍落扩展度与J环扩展度差值为45。根据JGJ/T283-2012表4、表1和2，基准自密实混凝土的填充性符合SF3与VS1、间隙通过率符合PA1。

2.1.2基准自密实混凝土力学性能

依据表1配合比制作的基准自密实混凝土硬化后表观密度为2 453 kg/m3，28 d抗压强度67.6 MPa、劈裂抗拉强度5.50 MPa，拉压比为0.08。

2.2正交试验结果与分析

2.2.1正交试验结果

钢纤维增强自密实橡胶混凝土试件(以下简称试件)28 d表观密度与力学性能正交试验结果见表4。

由表4可得试件28 d表观密度与力学性能，正交试验的直观分析结果见表5、表6。

表4　试件28 d表观密度与力学性能正交试验结果

表5　试件28 d表观密度与抗压强度直观分析

表6　试件28 d劈裂抗拉强度与拉压比直观分析

2.2.2各因素对28 d表观密度的影响

由表5可见，从k1、k2至k3，随着钢纤维掺量的增加，试件28 d的表观密度逐渐增加；随着橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加，试件28 d的表观密度逐渐减小。从表5极差R可以看出，各因素影响程度依次为：橡胶粉掺量>水胶比>砂率>钢纤维掺量，其中尤以橡胶粉掺量的影响最为显著，极差约为水胶比与砂率的2倍，水胶比、砂率与钢纤维掺量的影响则较为接近。

2.2.3各因素对28 d抗压强度的影响

由表5可见，从k1、k2至k3，随着钢纤维掺量、橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加，试件28 d的抗压强度均表现出逐渐减小的趋势。

从表5中极差R可以看出，各因素影响程度依次为：橡胶粉掺量>水胶比>砂率>钢纤维掺量，其中也是以橡胶粉掺量的影响最为显著。从表5与图4还可以看出，从k1到k3随着钢纤维掺量、水胶比与砂率的增加，对应于k1、k2抗压强度的值，减小是很小的，而由k2到k3，降低较大。与基准自密实混凝土相比，各个平均值均小于基准自密实混凝土28 d的抗压强度67.6 MPa。

2.2.4各因素对28d劈裂抗拉强度的影响

由表6可见，从k1、k2至k3，随着钢纤维掺量的增加，试件28 d的劈裂抗拉强度增加，由4.92 MPa增加到6.15 MPa，增加了1.23 MPa；随着橡胶粉掺量的增加，试件28 d的劈裂抗拉强度则逐渐下降，下降了0.87 MPa；随着水胶比与砂率的增加，试件28 d的劈裂抗拉强度均出现了波动。从表6极差R可以看出，各因素影响程度依次为：水胶比>砂率>钢纤维掺量>橡胶粉掺量，其中也是以水胶比、砂率的影响较为显著。

2.2.5各因素对28 d拉压比的影响

拉压比的大小可以反映混凝土的延性和抗变形能力。由表6可见，从k1、k2至k3，随着钢纤维掺量的增加，试件28 d的拉压比增加，由0.09增加到0.12，增加了33%；橡胶粉掺量的增加，试件28 d的拉压比也逐渐增加，由0.10增加到0.12，增加了20%；但随着水胶比与砂率的增加，试件28 d的拉压比均出现了波动，前者波动近40%、 后者也达20%。从表6中极差R可以看出，各因素影响程度依次为：水胶比>钢纤维掺量>砂率=胶粉掺量。与基准自密实混凝土相比，各个平均值均大于基准自密实混凝土28 d的拉压比0.08，由此说明，由于钢纤维、橡胶粉掺入到自密实混凝土中，其脆性减小，韧性变大，大大提高了试件的抗裂、抗冲击的能力。

从28 d拉压比来看，试验范围较好的方案是钢纤维掺量为1.5%、橡胶粉掺量为18%、水胶比为0.33、砂率为49%。

2.3试件被破坏的外观形态

2.3.1受压破坏

在抗压强度试验过程中，当基准自密实混凝土试件受压达到极限时迅速出现裂纹，只听嘭一声试件很快碎裂；受压破坏之后基准自密实混凝土试件残体呈双锥型，周围留下许多混凝土碎片，属典型的脆性破坏，见图1a。而钢纤维增强自密实橡胶混凝土试件受压到一定程度时，沿受压方向开始出现竖向裂纹，随后裂纹逐渐扩展，且竖向裂纹逐渐增多；达到极限破坏时，试件仍呈现原始形状，断裂声沉闷，表现出明显的韧性特征，见图2。

图1　基准SCC受力破坏外观Fig.1　The appearance of benchmark SCC specimens destroyed

2.3.2劈裂抗拉破坏

在劈裂抗拉强度试验过程中，当基准自密实混凝土试件受劈裂抗拉作用达到极限时，沿着受压方向出现裂纹；裂纹沿竖直方向发展，只听嘭一声试件迅速碎裂，变成几乎相同的两片，也表现出典型的脆性破坏，见图1b。而钢纤维增强自密实橡胶混凝土试件受劈裂抗拉作用到一定程度时，沿受压方向开始出现竖向裂纹，随后裂纹逐渐扩展，宽度逐渐增大；达到极限破坏时，试件沿竖向只出现一条裂纹，断裂声沉闷，也表现出明显的韧性特征，见图3。从图3可以看出编号C、E、I试件的施力面上有比较深的垫条留下的压痕，而编号C、E、I是橡胶粉掺量最多的试件，说明橡胶粉的加入使试件的韧性特征更为明显。

2.4机理分析

2.4.1表观密度

橡胶粉表观密度为1 065 kg/m3，钢的表观密

图2　正交试验试件受压破坏外观Fig.2　The appearance of orthogonal experimental specimens destroyed after compression

图3　正交试验试件劈裂抗拉破坏形态Fig.3　The appearance of orthogonal experimental specimens destroyed after split-tension

度为7 800 kg/m3，砂的表观密度为2 589 kg/m3,当橡胶粉等体积代替砂掺入混凝土中，表现出随着橡胶粉掺量增多，单位体积混凝土质量减小，试件的表观密度减小；而钢纤维以体积率0.5%、1.0%与1.5%加入混凝土中，表现出随着钢纤维掺量增多，单位体积混凝土质量增加，试件的表观密度增加。

2.4.2抗压强度

首先橡胶粉自身承受抗压的能力要比普通水泥混凝土差得多，当橡胶粉掺入混凝土中，橡胶粉界面处就会成为薄弱点，当受到外力作用后，橡胶粉处产生应力集中，整体承载能力下降；其次，橡胶粉本身是一种有机高分子材料，对水泥混凝土材料来说，是一种惰性材料，两者不发生化学反应，界面粘结力有所下降，当受到压力作用时易达到抗压极限值；再次，橡胶粉作为一种弹性体，本身变形能力强，当受到外力作用时会发生较大的变形，而水泥混凝土变形能力相对较小，当橡胶粉部位受到压力作用发生较大变形时，可能会使粘结的水泥混凝土由于较大变形而出现裂缝；最后，同等掺量下，当粒径较小时改性水泥混凝土薄弱面会相对增加，表现出随着橡胶粉掺量增多，试件的抗压强度减小。

对于钢纤维来说，钢纤维本身的抗压强度很高，所以改性混凝土的抗压强度主要取决于混凝土与橡胶粉形成的强度。由于钢纤维断面呈圆形，与混凝土浆体的握裹力较差；加之随着钢纤维的增多，钢纤维与浆体、骨料之间可能形成架空，反而不利于抗压强度的发挥。因此试件的抗压强度随着钢纤维掺量的增大而下降，钢纤维掺得越多，其抗压强度下降幅度越大。

2.4.3劈裂抗拉强度

橡胶粉是一种高分子材料，与水泥浆体粘结较弱，界面粘结强度较低。橡胶粉可以看作分布在砂浆或混凝土内的微小弹簧体，破坏来源于橡胶微粒周边的水泥基材料产生应力集中而受拉开裂；而橡胶微粒本身又有很好的抗拉特性，同时亦分布众多短纤维，阻碍了裂缝的进一步发展。当水泥混凝土试件内部所受拉力达到一定数值时，试件出现裂缝并随着荷载的增加向橡胶微粒方向发展，当裂纹到达胶粒与水泥浆体接触面时，裂纹被微小弹簧体钝化，能量在胶粒体内积蓄，应力集中消失。由于橡胶微粒弹性模量小，变形能力强。在积蓄能量过程中它能承受很大的应变，从而变脆性破坏为延性破坏，延长了试件破坏的时间。当试件达到极限荷载并积蓄静压时，裂纹将沿胶粒表面扩展，继而和其他裂纹相接，致使内部裂纹贯通，试件破坏。因而造成橡胶粉掺量增多，试件的劈裂抗拉强度减小。

钢纤维的抗拉能力很强，当钢纤维掺入混凝土中，与混凝土形成桥接作用，在承受拉力时各个钢纤维发挥桥接作用，钢纤维越多，发挥的作用越大，从而导致试件的劈裂抗拉强度随着钢纤维掺量的增大而增大。

2.4.4拉压比

橡胶粉本身是弹性材料， 其抗拉能力优于胶凝材料浆体的抗折能力，当破坏的裂纹扩展至胶粒时受一定程度的阻碍，混凝土的韧性提高，表现为混凝土的变形能力增加，而且随着橡胶粉掺量的增大试件的拉压比提升；各个钢纤维的桥接作用又使得混凝土中的抗拉能力强于抗压能力，表现为随着钢纤维掺量增多，试件的拉压比增大。

3　结论

(1)钢纤维自密实橡胶混凝土表观密度随着钢纤维掺量的增加而逐渐增加，随着橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加而逐渐减小；各因素对试件密度的影响程度依次为：橡胶粉掺量>水胶比>砂率>钢纤维掺量，橡胶粉掺量的影响最为显著。

(2)钢纤维自密实橡胶混凝土抗压强度随着钢纤维掺量、橡胶粉掺量、水胶比与砂率的增加表现出逐渐减小的趋势。各因素对试件抗压强度的影响程度依次为：橡胶粉掺量>水胶比>砂率>钢纤维掺量，以橡胶粉掺量的影响最为显著。

(3)钢纤维自密实橡胶混凝土劈裂抗拉强度随着钢纤维掺量的增加而增加，随着橡胶粉掺量增加而减小。各因素对试件劈裂抗拉强度的影响程度依次为：水胶比>砂率>钢纤维掺量>胶粉掺量。

(4)钢纤维自密实橡胶混凝土拉压比随着钢纤维、橡胶粉掺量的增加逐渐增加；但随着水胶比与砂率的增加，出现了波动。各因素对试件的拉压比影响程度依次为：水胶比>钢纤维掺量>砂率=胶粉掺量。

(5)从拉压比看，钢纤维自密实橡胶混凝土的韧性优于基准自密实混凝土。

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(责任编辑：张英健)

Research on Mechanical Properties of Self-compacting Rubberized Concrete Reinforced with Steel-fiber

CAI Shuyuan, FENG Ting, CHENG Shu, CHENG Zhangtao, CAO Peng, HUANG Xinwei

(School of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology， Yancheng Jiangsu224051, China)

The influence of the dosage of steel fiber, the content of rubber powder, the water-binder ratio and the sand ratio on mechanical properties of Self-compacting Rubberized Concrete Reinforced with Steel-fiber (SRCRS) were researched by means of orthogonal experiment. The research results showed that density of SRCRS increased with the increase of added dosage of steel-fiber and the decrease of rubber added content, the water-binder ratio and the sand ratio; The compressive strength of SRCRS decreased with the increase of added dosage of steel-fiber, rubber added content, the water-binder ratio and the sand ratio; The splitting tensile strength increased with the increase of steel fiber content, and the decrease of rubber powder content; The ratio of tension to compression increased tremendously with the increase of steel fiber, rubber powder content. But with the increase of water-binder ratio and sand ratio, there was a wave of volatility. A conclusion can be drawn that the toughness of SRCRS is much better than that of ordinary self-compacting concrete in the end.

Steel-fiber； rubber powder； Self-compacting concrete; Orthogonal experiment； Mechanical properties; toughness

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503016

2015-04-23

2014年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目

蔡树元(1963-)，男，江苏盐城人，讲师，硕士，主要研究方向为材料科学与工程、固体废弃物资源化利用。

X705

A

1671-5322(2015)03-0068-07