不同水胶比的塑钢纤维橡胶混凝土力学性能研究

薛　刚，侯　帅

(内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，包头　014010)



不同水胶比的塑钢纤维橡胶混凝土力学性能研究

薛刚，侯帅

(内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，包头014010)

在水胶比分别为0.36、0.42、0.48的情况下，分别对普通混凝土、橡胶混凝土、塑钢纤维橡胶混凝土进行了抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能的试验研究。试验结果表明：掺入橡胶颗粒后，混凝土强度有所降低，塑钢纤维有助于提高橡胶混凝土的抗压强度。相同水胶比下，塑钢纤维对橡胶混凝土的抗折强度和抗拉强度的提高作用明显，折压比和拉压比均呈现先增大后减小趋势，塑钢纤维掺量宜控制在6～8 kg/m3之间。

橡胶颗粒； 塑钢纤维； 力学性能； 水胶比

1　引　言

近年来汽车工业发展迅速，废旧轮胎产量越来越大。废旧轮胎不易降解，不论焚烧、填埋、堆放都严重污染环境橡胶混凝土能有效利用废旧橡胶[1]，与普通混凝土相比具有良好的韧性、较高的延性、优良的抗渗抗冻和抗冲击等性能，且能回收利用资源。加入橡胶颗粒会导致混凝土抗压、抗折、抗拉强度降低，是橡胶混凝土广泛应用的障碍[2-5]。塑钢纤维是一种新型增强增韧纤维，具有耐久性好、质量轻、纤维分散好、易于搅拌等合成软纤维的优点[6]，塑钢纤维的掺入可以明显改善橡胶混凝土的力学性能，可一定程度上弥补橡胶在混凝土中负面效应[7-10]。

本文主要通过不同水胶比下掺入塑钢纤维所得橡胶混凝土的抗压性能、劈裂抗拉、抗折性能等力学试验，得出塑钢纤维在何种水胶比下效果优良，同时得到塑钢纤维掺入对橡胶混凝土各项力学性能的影响规律。

2　试　验

2.1试验材料

(1)水泥：采用P·O42.5R级普通早强型硅酸盐水泥。

(2)中砂，细度2.82，含泥量3.42%，表观密度2604.6 kg/m3，堆积密度1545.0 kg/m3，孔隙率34.6%。

(4)橡胶颗粒：细度为5～10目，堆积密度为610 kg/m3。

(5)塑钢纤维：密度0.91 kg/m3，当量直径为0.65～1.0 mm，长度30～40 mm，断裂延伸率11%，熔点169 ℃，燃点582 ℃，抗拉强度620 MPa，弹性模量6129 MPa，无吸水性，抗酸碱性强。

(6)水：普通饮用自来水。

(7)粉煤灰为Ⅱ级,矿渣粉为Ⅱ级。

表1水泥物理性能指标

Tab.1Physical properties of cement

Densityg/cm3Standardconsistencywaterquantity/%Fineness/%SoundnessSettingtime/minInitialFinal2.8256Qualified2h4h

2.2配合比设计

设计的混凝土强度指标为C30，砂率为40%，水胶比0.36、0.42、0.48。未掺加橡胶颗粒和塑钢纤维的普通混凝土作为基准混凝土。橡胶颗粒粒径为5-10目，代替10%体积的砂，将橡胶颗粒加入到混凝土中；在橡胶混凝土的基础上外掺塑钢纤维0 kg/m3、2 kg/m3、4 kg/m3、6 kg/m3、8 kg/m3、10 kg/m3；按胶凝材料的12.5%掺入粉煤灰，胶凝材料的12.5%掺入矿渣粉。抗压强度、劈裂抗拉强度所需试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度所需试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组3个试件。

表2橡胶混凝土的配合比(括号内为基准混凝土用量)

Tab.2Mix proportion of Rubber Concrete (The amount of concrete in parentheses)

Water-binderratioCement(kg/m3)Flyash(kg/m3)Slagpowder(kg/m3)Water(kg/m3)Sand(kg/m3)Rubber(kg/m3)Crushedstone(kg/m3)0.363005050144686(762)30(0)11440.423005050168676(752)29.6(0)11290.483005050192669(743)29.3(0)1114

2.3试验设备

在塑钢纤维橡胶混凝土的力学性能测试试验过程中，搅拌设备采用60 L强制式试验搅拌机。立方体抗压试验仪器为WHY-2000型微机控制全自动压力试验机，劈裂抗拉试验试验采用TYE-2000B型压力试验机进行加载，抗折实验用万能试验机进行加载。

3　结果与讨论

3.1破坏形态

基准混凝土、橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试块抗压试验破坏形态见图1。

水产养殖中水环境污染的类型主要分为外源性污染和自身污染。外源性污染主要是指天然水体的污染。在水产养殖中，天然水体环境是最为重要的内容，一旦出现污染的情况，将会直接影响水产养殖质量。目前水产养殖中外源性污染主要体现在3个方面。

从图1看到，由立方体抗压破坏形态来看，塑钢纤维橡胶混凝土试块和橡胶混凝土试块比基准混凝土试块在受压破坏后形态更完整，基本保持原有形状。基准混凝土受压时先是有微小裂缝出现，随着荷载的增加，裂纹迅速扩展且宽度增大，逐渐贯穿在一起，受压破坏后发生脆裂，试块表面混凝土外鼓、剥落；橡胶混凝土在受压破坏后出现了大的裂缝，没有脆裂和明显的剥落现象，比基准混凝土整体性好，基本保持完整；塑钢纤维橡胶混凝土试件破坏时无明显贯穿裂缝出现，出现了许多细裂缝，受压过程完成后，试块保持完整。在整个受压过程中，由于混凝土试块内塑钢纤维均匀乱向分布，一定程度限制了裂缝的发展。

图1　试块抗压破坏情况(a)基准混凝土；(b)橡胶混凝土；(c)塑钢纤维橡胶混凝土Fig.1　Benchmark specimen compression damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

基准混凝土、橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试块抗拉试验破坏形态见图2。

图2　试块抗拉破坏情况(a)基准混凝土；(b)橡胶混凝土；(c)塑钢纤维橡胶混凝土Fig.2　Specimen tensile damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

由图2可以看出，混凝土劈裂抗拉试验中，随着荷载的增加，基准混凝土和橡胶混凝土表面出现裂缝，达到最大抗拉强度时，试块在劈裂面完整的断开成两部分，并且听到有明显的响声，说明混凝土在达到极限荷载时突然断裂的。而掺有塑钢纤维的橡胶混凝土，随着荷载的增大，没有出现像基准混凝土和橡胶混凝土那样完全断开、一分为二的现象，强度在达到顶峰后逐渐降低，试块沿劈裂面有条明显的裂纹，在劈裂破坏后比较完好，在混凝土中加入塑钢纤维，能够有效的抑制裂缝的产生及延伸，增大了混凝土破坏时的延性。

基准混凝土、橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试块抗折试验破坏形态见图3。

图3　试块抗折破坏情况(a)基准混凝土；(b)橡胶混凝土；(c)塑钢纤维橡胶混凝土Fig.3　Specimen bending damage(a)concrete;(b)rubber concrete;(c)plastic fiber rubber concrete

由图3可以看出，基准混凝土和橡胶混凝土受拉区出现裂缝后迅速扩展，在极限荷载作用下脆断。而塑钢纤维橡胶混凝土则表现为延性破坏，出现细小裂缝拓展速度较慢，没有出现贯穿性裂纹，试块从实验仪器取下后呈现较好的连接状态。由于塑钢纤维是高抗拉强度材料，掺入在混凝土内部相互搭接、错综分布，能够有效的延缓开裂时间阻止裂缝发展，降低开裂破坏程度，保持了试块的完整性。

3.2抗压强度

表3抗压强度

Tab.3Compressive strength

TestNo.7dcompressivestrength/MPa28dcompressivestrength/MPa0.36-JZ32.251.50.36-SG-02943.70.36-SG-229.546.50.36-SG-43048.70.36-SG-629.749.40.36-SG-828.948.60.36-SG-1028.747.90.42-JZ2745.80.42-SG-021.936.90.42-SG-222.837.70.42-SG-42338.60.42-SG-624.942.50.42-SG-823.440.90.42-SG-1022.939.50.48-JZ22.739.00.48-SG-018.731.00.48-SG-220.732.40.48-SG-420.732.90.48-SG-621.534.90.48-SG-819.834.60.48-SG-1018.532.1

基准混凝土、橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土在不同水胶比下7 d、28 d抗压强度变化如图4所示。

由图4可以得出，掺入橡胶颗粒后，混凝土试块的7 d抗压强度降低，随着塑钢纤维掺量的增加混凝土抗压强度有先增加后降低的趋势。在水胶比为0.48时橡胶混凝土抗压强度比基准混凝土抗压强度损失17.6%，加入塑钢纤维后抗压强度在掺量为6 kg/m3时达到最大，比橡胶混凝土抗压强度提高了15%，相对于基准混凝土抗压强度损失了5%。水胶比为0.42时，橡胶混凝土抗压强度比基准混凝土抗压强度减少了19%，在塑钢纤维掺量为6 kg/m3时强度达到最大，比橡胶混凝土抗压强度提高了13%。水胶比为0.36时，橡胶混凝土抗压强度比基准混凝土抗压强度减少了10%，塑钢纤维橡胶混凝土抗压强度相对于基准混凝土抗压强度损失了6%。

图4　抗压强度 (a)7 d;(b)28 dFig.4　Compressive strength (a)7 d;(b)28 d

由图4可以看到，橡胶颗粒的加入导致混凝土试块28 d抗压强度有不同程度的降低。在水胶比为0.48时橡胶混凝土强度损失最大达到20%，加入塑钢纤维后抗压强度先增高后降低，在6 kg/m3时达到最大。在水胶比0.36时，塑钢纤维掺量6 kg/m3时的抗压强度达到最大，相对于基准混凝土仅降低了4%。3种水胶比下塑钢纤维掺量6 kg/m3时混凝土抗压强度达到最大。塑钢纤维掺量为6 kg/m3时，水胶比0.36的抗压强度与水胶比0.42和0.48相比，强度提高了16%和41%，水胶比小的混凝土试件破坏的时间较长，完整性相对较好。

橡胶颗粒掺入混凝土后，混凝土在荷载下承载面积减小，导致了混凝土的抗压强度降低，加入塑钢纤维后混凝土中形成三维乱向网状结构，可以约束混凝土受压过程的横向膨胀，有利于提高塑钢纤维橡胶混凝土抗压强度。

3.3劈裂抗拉强度

三种水胶比混凝土抗拉强度变化见图5。从图中得到，三种水胶比下，掺入橡胶颗粒后，混凝土抗拉强度降低，随着塑钢纤维掺量的增加，抗拉强度先呈上升趋势后呈下降趋势，峰值点均出现在6 kg/m3。在三种水胶比下，橡胶混凝土抗拉强度比基准混凝土下降了7%左右。水胶比为0.36时，塑钢纤维掺量6 kg/m3时的抗拉强度比橡胶混凝土抗拉强度提高28%，比基准混凝土抗拉强度提高18%。塑钢纤维掺量6 kg/m3时，水胶比0.36的抗拉强度比水胶比0.42和0.48的抗拉强度提高了7%和21%。由此说明塑钢纤维可以改善混凝土的抗拉性能。

由表4可知，随着纤维增加，混凝土的拉压比基本呈先增大后减小的趋势，塑钢纤维橡胶混凝土拉压比比基准混凝土最大能提高28%，说明塑钢纤维的掺入改善了混凝土的脆性问题。加入橡胶颗粒后，抗拉强度明显降低，但橡胶混凝土的拉压比比基准混凝土大，说明橡胶颗粒的掺入不利于抗拉强度，但一定程度上改善混凝土的脆性。

表4塑钢纤维对混凝土拉压比的影响

Tab.4Influence of plastic fiber on the tensile-compression strength of concrete

Water-binderratioJZSG=0SG=2SG=4SG=6SG=8SG=100.360.05690.06200.06320.06690.07020.06810.06760.420.05920.06800.07110.07490.07580.07410.07420.480.06310.07320.07530.07750.07940.07750.0788

图5　不同水胶比下劈裂抗拉强度Fig.5　Splitting tensile strength with the different water-binder ratio

图6　不同水胶比下抗折强度Fig.6　Flexural strength with the different water-binder ratio

3.4抗折强度

三种水胶比混凝土抗折强度变化见图6。从图中得到，三种水胶比下，掺入橡胶颗粒后，混凝土抗折强度降低，随着塑钢纤维掺量的增加，抗折强度先呈上升趋势后呈下降趋势。水胶比为0.36时，塑钢纤维掺量6 kg/m3试件的抗折强度最大，塑钢纤维橡胶混凝土抗折强度比橡胶混凝土抗折强度提高23%，比基准混凝土抗折强度提高13%。水胶比为0.42时，塑钢纤维掺量8 kg/m3时试件的抗折强度最大，塑钢纤维橡胶混凝土抗折强度比橡胶混凝土抗折强度提高24%，比基准混凝土抗折强度提高17%。水胶比为0.48时，塑钢纤维掺量8 kg/m3抗折强度最大，塑钢纤维橡胶混凝土抗折强度比橡胶混凝土抗折强度提高29%，比基准混凝土抗折强度提高19%。水胶比0.36的塑钢纤维橡胶混凝土抗折强度最大值比水胶比0.42和0.48的抗折强度提高了3%和9%。塑钢纤维能够改善混凝土的抗折强度主要原因是乱向分布的纤维能够抑制混凝土内部裂缝的开展，延缓破坏，纤维被拉断或拔出，最终混凝土试件被破坏。

表5塑钢纤维对混凝土折压比的影响

Tab.5Influence of plastic fiber on the flexural-compression strength of concrete

Water-binderratioJZSG=0SG=2SG=4SG=6SG=8SG=100.360.08580.09290.09350.09300.10120.10180.09640.420.08890.10380.10770.11010.10820.11660.09770.480.09770.11320.11570.11940.12110.13090.1280

由表5可以看出折压比基本呈先增大后减小的趋势，三种水胶比的混凝土折压比都是在8 kg/m3时达到最大。加入橡胶颗粒后，抗折强度明显降低，但橡胶混凝土的折压比优于基准混凝土折压比，说明橡胶颗粒的掺入不利于抗折强度，但一定程度上改变了混凝土的韧性。

4　结　论

本文通过对基准混凝土、橡胶混凝土、塑钢纤维橡胶混凝土的抗压、抗拉及抗折强度的力学试验研究，分析了橡胶颗粒替代部分细骨料后的混凝土及不同掺量塑钢纤维对橡胶混凝土的基本力学性能的影响，得出下列结论：

(1)加入橡胶颗粒的混凝土的抗压强度降低，掺加塑钢纤维后提高了橡胶混凝土的抗压强度，有先增大后减小的趋势，掺量6 kg/m3时的抗压强度仅比基准混凝土降低4%，比橡胶混凝土提高15%。基准混凝土受压破坏后发生脆裂，试块表面混凝土外鼓、剥落；橡胶混凝土在受压破坏后出现了大的裂缝，没有明显的剥落现象；塑钢纤维橡胶混凝土试件破坏时裂缝多而细，试块保持完整;

(2)同一水胶比下，塑钢纤维橡胶混凝土抗拉强度和抗折强度随着纤维掺量有先增大后减小。塑钢纤维橡胶混凝土的抗拉强度比橡胶混凝土和基准混凝土的抗拉强度最大提高28%和18%。塑钢纤维橡胶混凝土抗折强度比基准混凝土最大提高19%，比橡胶混凝土抗折强度最大提高29%。同一纤维掺量时，水胶比越小，三种强度越高，试验过程中，试件达到破坏时间越长。基准混凝土和橡胶混凝土断裂成两部分，塑钢纤维橡胶混凝土试件能够保持完整性;

(3)三种水胶比下混凝土的折压比和拉压比均是先增大后降低趋势。橡胶混凝土拉压比大于基准混凝土，一定程度上改善混凝土的脆性。拉压比在塑钢纤维掺量6 kg/m3时最大，折压比在8 kg/m3时最大;

(4)综合来看，制备塑钢纤维橡胶混凝土时，塑钢纤维掺量宜控制在6 kg/m3-8 kg/m3之间。

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Mechanical Property of Plastic Fiber Rubber Concrete with the Different Water-binder Ratio

XUEGang,HOUShuai

(Architecture and Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

Based on the water-binder ratio of 0.36, 0.42, 0.48, the testing and analyses were conducted on the compressive strength, tensile strength and flexural strength of concrete, rubber concrete and plastic fiber rubber concrete separately. The result showed that the compressive strength of concrete was decreased with the incorporation of rubber particles while the plastic fiber can improve the compressive strength of rubber concrete. Under the same water-binder ratio, plastic fiber can significantly improve the flexural and tensile strength of rubber concrete, the tensile-compression strength and flexural-compression strength were all showing the trend of decreasing after increasing. Based on the testing result, the dosage of plastic fiber should be controlled within 6-8 kg/m3.

Rubber particles;plastic fiber;mechanical characteristics;water-binder ratio

国家自然科学基金项目(51368042)；内蒙古自治区自然科学基金(2011MS0716)

薛刚(1968-)，男，博士，教授.主要从事橡胶混凝土的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1552-06