钢纤维改性橡胶混凝土的力学性能研究

陈炜 滕晓丹 曾日平 韦剑标

【摘 要】随着经济社会的发展，混凝土作为一种抗压强度高但脆性大、抗拉强度低的材料，已经无法满足建设要求，因此在混凝土中掺入橡胶颗粒和钢纤维成为目前国内外的研究焦点之一。文章介绍的试验主要针对混凝土在结构中的受力形式，设置了2种力学性能测试——混凝土立方体抗压强度测试和劈裂抗拉强度测试。试验结果表明，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的力学性能呈下降趋势，脆性也有所下降；随着钢纤维掺入橡胶混凝土中，混凝土的力学性能得到提升，抗裂能力也得以增强，拉压比也有上升趋势。所以，本试验得出结论：在混凝土中掺入用废旧轮胎制成的橡胶颗粒和钢纤维，不但能起到环保作用，而且有利于提高混凝土的力学性能和改善混凝土的脆性，为钢纤维和橡胶颗粒作为一种混凝土掺料的运用提供了有价值的依据。

【关键词】橡胶颗粒；钢纤维；混凝土；力学性能；脆性

【中图分类号】TU528 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0031-04

0 前言

混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料，具有抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽等特点。但随着社会经济的发展，混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等缺点限制了它的应用。而在混凝土中掺入纤维是一种提高混凝土各种性能的重要手段之一，可使得混凝土的抗拉强度、耐疲劳性和变形能力得到提升，其中较常用的有橡胶和钢纤维。

冯文贤等人[1]进行了三点弯拉疲劳性能研究，实验结果表明掺入橡胶虽降低了混凝土的抗压强度，但混凝土的韧性、变形性能和疲劳性能均得到了较好的提升。

程伟伟等人[2]从钢纤维的作用机理出发，从理论上说明了钢纤维在混凝土中的受力状态和耗能关系，说明钢纤维在混凝土中能够很好地承受拉力，而混凝土则发挥其抗压的优势，各取所长。

张岩[3]通过实验发现，掺入橡胶颗粒对混凝土强度影响很大，且随其掺量的增加，混凝土强度下降得更厉害。但当掺入钢纤维时，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维橡胶混凝土的劈裂韧性单调增强。

张云莲等人[4]通过对掺钢纤维的橡胶砂浆力学强度的研究发现，钢改橡胶砂浆强度提高的原因之一是橡胶颗粒的掺入明显提高砂浆的密实度。

钢纤维改性橡胶混凝土是在混凝土基体中同时加入钢纤维和橡胶颗粒而制成的新型混凝土，钢纤维和橡胶颗粒主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，不改变混凝土中各种材料的化学性能。钢纤维的掺入可有效地提高橡胶混凝土的力学性能和延性，改善混凝土由于掺入橡胶导致的强度下降的问题。本文研究相同掺量的钢纤维对不同掺量的橡胶混凝土力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）水泥、粗细骨料：水泥采用海螺牌P.O42.5型普通硅酸盐水泥，粗骨料采用广西南宁市当地产的石子，颗粒粒径为20～25 mm，砂子采用当地的河砂，细度模数为2.5，堆叠密度为1 120 kg/m3。

（2）橡胶颗粒：在常温下将废旧轮胎粉碎到20目的橡胶颗粒，堆积密度为440 kg/m3，粒径为1～5 mm。

（3）钢纤维：弯钩形，密度为7 850 kg/m3，长径比为45。

1.2 试验配合比

（1）经计算和实验室试配确定试验配合比见表1。

（2）将钢纤维按1.5%的体积率掺入，以橡胶掺入量5%、10%、15%、20%为试验变量，得到表2的试验掺量。

1.3 试件的尺寸、数目、制作及养护

1.3.1 试件的尺寸及数目

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002），各组试件的尺寸、数量和试验内容见表3。

1.3.2 钢纤维橡胶混凝土的搅拌、成型和养护

钢纤维橡胶混凝土的制备工艺与普通混凝土基本相同，但在投料顺序、搅拌时间上需要按规定严格控制，本试验采用强制性搅拌机搅拌来保证钢纤维橡胶混凝土混合料的质量和均匀性，本试件制作流程如下。

（1）根据材料配合比的设计要求，将砂、水泥、水、石头、橡胶、钢纤维提前称好重量备用。

（2）清刷模具后，内壁刷油。

（3）将砂子和水泥倒入搅拌机，搅拌30 s，再将石子倒入搅拌机，搅拌30 s。为避免橡胶和钢纤维在搅拌过程中发生聚集现象，把橡胶和钢纤维分为5等份，每15 s倒入1份，最后加水搅拌60 s。

（4）卸料澆筑于试模中，拌和物应稍高于试模表面，采用振动台振捣成型，待试件表面出浆且气泡不再增多，停止振动，刮去多余拌和物，用刮刀抹平表面。

（5）浇筑成型24 h后脱模，送入标准养护室进行养护28 d。

2 钢纤维橡胶混凝土的力学性能试验

2.1 钢纤维橡胶混凝土的立方体抗压强度

2.1.1 试验方法

钢纤维橡胶混凝土立方体抗压强度试验共设计了10组100 cm×100 cm×100 cm的试块，每组3个，共计30个试块。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GBT 50081—2002）和《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：2009）的规定，在2 000 kN电液万能试验机上测定混凝土立方体的抗压强度。由于试件在振捣成型时，钢纤维在混凝土中的分布由三维乱向分布趋于二维分布，所以在加压时用试件成型的侧面作为承压面，加载速度取0.5 MPa/s均匀加载，当试件急剧变形并破坏时，停止加载，并记录试验数据。

2.1.2 试验结果及分析

本试验各立方体抗压强度试验结果见表4，强度比为橡胶混凝土、钢纤维混凝土、钢纤维橡胶混凝土与普通混凝土抗压强度的比值。

由表4可知，掺入0%、5%、10%、15%、20%的橡胶颗粒的普通混凝土R0SF0、R5SF0、R10SF0、R15SF0、R20SF0的立方体抗压强度分别为31.26 MPa、29.47 MPa、29.04 MPa、27.11 MPa、24.13 MPa。可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土立方体抗压强度明显降低，最大降低了23%，主要原因如下：①橡胶颗粒作为一种低强度的塑性材料，在代替细骨料掺入混凝土时，造成混凝土表观密度降低，密实度有所减小，并在混凝土中形成软弱点，随着掺量的增加，软弱点也随之增加，从而形成大量软弱处，导致混凝土立方体抗压强度大幅降低。②橡胶属于高分子憎水性材料，而水泥是一种无机化合物，橡胶颗粒表面容易吸附气体，于混凝土基体间产生薄弱的结构面，从而导致混凝土立方体抗压强度降低。

而掺入1.5%的钢纤维时，对每一种橡胶混凝土立方体抗压强度的提高程度分别为32%、24%、11%、8%、4%，若将钢纤维橡胶混凝土与素混凝土进行比较，则掺1.5%钢纤维+不同掺量的橡胶混凝土立方体抗压强度分别提高了32%、17%、3%、-6%、-12%，即随着钢纤维的加入，普遍提高了橡胶混凝土的立方体抗压强度。但是当橡胶掺量为15%、20%时，钢纤维橡胶混凝土的强度相较素混凝土仍会降低，其主要原因如下：①混凝土内部存在许多不同大小的裂缝和软弱点，在外荷载作用下，这些裂缝和软弱点会率先发育，因为应力集中而引起扩展，最终导致混凝土破坏，钢纤维在混凝土中均匀地分布，起到锚固作用，使混凝土由受单向压力转化为受三向压力，等同于在抗压时限制了混凝土的侧向变形。②掺入橡胶后，橡胶颗粒能有效地降低裂缝的应力强度，限制裂缝的变形，从而影响裂缝的发展。③当橡胶掺量为15%、20%时，混凝土的密实性遭到强烈的破坏，导致掺入钢纤维所提高的强度无法抵消橡胶颗粒掺量过大带来的强度降低。

从实验现象中可以发现，素混凝土在抗压过程中，临界裂缝一旦出现，混凝土结构便迅速破坏。而橡胶混凝土即便达到极限强度，也没有立即破坏，而是有一个明显的塑性破坏过程。分析原因主要是橡胶颗粒在混凝土基体内提供减缓应力集中程度的作用十分明显，再加上钢纤维承受部分拉应力，阻碍了裂缝的发展。这说明了橡胶和钢纤维起到了增强混凝土韧性的作用。

2.2 钢纤维橡胶混凝土立方体的劈裂抗拉强度

2.2.1 试验方法

混凝土是一种主要用于受压的脆性材料，然而在很多结构构件中也用作受拉，所以劈裂抗拉强度也是混凝土的主要基本力学性能指标，且直接影响了钢筋混凝土的开裂和变形性能。橡胶的掺入可以改善混凝土的脆性特征，但会导致混凝土的强度急剧下降。如若在橡胶混凝土中掺入钢纤维，凭借钢纤维优越的阻裂特性，不仅能改善橡胶混凝土的低强度问题，还可以使混凝土的韧性得到进一步的提升。

本试验共设计了10组150 cm×150 cm×150 cm的试块，每组3个，共计30个试块。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GBT 50081—2002）的规定，在500 kN电子万能试验机上测定混凝土立方体劈裂抗拉强度，加载速度取0.05 MPa/s均匀加载，当试件急剧变形并破坏时，停止加载，并记录试验数据。

2.2.2 试验结果及分析

本试验各立方体抗压强度试验结果见表5，强度比为橡胶混凝土、钢纤维混凝土、钢纤维橡胶混凝土与普通混凝土立方体劈裂抗拉强度的比值。

由表5可以得出，仅掺入5%、10%、15%、20%的橡胶颗粒的混凝土相较素混凝土劈裂抗拉强度下降，且随着掺量的增加下降得更严重，最高下降27%，这与抗压强度下降的主要原因大致相同，因为橡胶作为低强度的塑性材料，易在混凝土内部形成薄弱的软弱点，并且与混凝土基体产生薄弱面，且随着掺量的增加，混凝土内部的软弱点和薄弱面逐渐增加，造成劈裂抗拉强度显著地下降。

而在掺入1.5%的钢纤维后，钢纤维橡胶混凝土相对0%、5%、10%、15%、20%掺量的橡胶混凝土的劈裂抗拉强度明显提高，最高提高61%，对应为掺入5%的橡胶颗粒和1.5%的钢纤维的R5SF1.5钢纤维橡胶混凝土。从强度比可以看出，随着橡胶颗粒掺量的提高，钢纤维橡胶混凝土的劈裂抗拉强度呈下降趋势，R5SF1.5的橡胶混凝土相对R0SF1.5的橡胶混凝土强度略有提升，其原因应该是掺入少量的橡胶使得混凝土密实性提高，混凝土受力有效面积增大，导致混凝土受拉强度有所提高。钢纤维作为一种高强度的阻裂材料，在混凝土基体中起到桥梁的作用，可以阻止裂缝的发展，分担了很大一部分混凝土承担的拉应力。而橡胶颗粒则是有缓和裂缝尖端应力集中程度的作用，因此在掺1.5%钢纤维的混凝土中掺入5%的橡胶颗粒有助于小幅度提高劈裂抗拉强度。

此外，通过观察实验现象可以发现，在达到最大抗拉强度时，圆弧形垫块几乎嵌入混凝土，而混凝土并未发生较大变形而导致开裂破坏，可知钢纤维的加入有助于提高混凝土的抗裂性能和变形性能，阻碍了临界裂缝的发展。

2.3 钢纤维橡胶混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的关系

2.3.1 拉压比

拉压比即混凝土立方体劈裂抗拉强度和立方体抗压强度的比值，是作为评定力学性能的指标之一，可以在一定程度上反映混凝土的脆性性能，拉压比越小，混凝土越脆；反之脆性越低，意味着混凝土韧性越高。表6为本次试验各配合比混凝土立方体劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的比值。

由表6可以分析得出以下结论。

（1）随着橡胶颗粒的掺入，混凝土的脆性性能并不会降低，反而呈小幅度提升的趋势，这是因为橡胶颗粒的掺入导致混凝土密实度减小，这与强度降低的原因大致一样，这里不再赘述。

（2）钢纤维的掺入起到连接裂缝的作用，橡胶混凝土开裂后能够继续承受荷载，很好地提高了混凝土的韧性，而由于橡胶颗粒能够有效地降低混凝土基体内部的裂缝尖端应力集中程度，因此钢纤维和橡胶颗粒混掺相对于只掺钢纤维的混凝土的拉压比有小幅度的提升，即脆性性能有所降低，其中最佳的搭配是掺15%的橡胶颗粒和1.5%的钢纤维的R15SF1.5，其拉压比为0.111 0。

3 结论

（1）橡胶混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度随着橡胶颗粒掺入量的增多而降低，并且仅掺入橡胶颗粒时，混凝土的脆性性能有所提升。

（2）混凝土掺入钢纤维后，混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度显著提高。并且，钢纤维的加入有助于阻碍混凝土裂缝的发展，减弱混凝土脆性性能。

（3）摻入5%的橡胶颗粒和1.5%的钢纤维组合的钢纤维橡胶混凝土劈裂抗拉强度提高最多，掺入15%的橡胶颗粒和1.5%的钢纤维组合的钢纤维混凝土对混凝土脆性性能的减弱最为明显。

参 考 文 献

[1]冯文贤，刘锋，郑万虎.橡胶混凝土疲劳性能的试验研究[J].建筑材料学报，2012（4）：469-473.

[2]程伟伟，姚韦靖.钢纤维混凝土力学性能的试验研究[J].四川建材，2016（8）：12-14.

[3]张岩.钢纤维改性橡胶混凝土力学性能试验研究[D].武汉：湖北工业大学，2015.

[4]张云莲，周宏凯，李启令.废旧轮胎橡胶改性水泥基材料的试验研究[J].混凝土，2008（5）：68-70.

[责任编辑：钟声贤]