钢纤维增强橡胶粉早强混凝土的路用性能

吴伟波，余阳，夏冬桃

（湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068）

0 引言

混凝土路面修复和养护时间长，严重影响了交通的顺畅，早强剂的加入虽能缓解这一问题，但是这类快硬早强混凝土容易开裂、导致耐久性降低，甚至引起强度倒缩[1-2]。废旧橡胶粉在混凝土领域的使用，不仅具有环保意义，还能改善普通混凝土的脆性，提高其韧性、延性和抗裂性能，也能使得混凝土具有良好的隔热、隔声、减震性能。由于基体混凝土具有多组分、多相和多层次的特征[3-4]，只掺加橡胶粉很难综合提高混凝土的性能。已有一些研究涉及到合成纤维与橡胶粉的配合使用，但是合成纤维产品大多数来源于化工产业，这与橡胶资源化利用的环保理念不符。而钢纤维可以由废旧钢材机械加工得到，且钢纤维对混凝土具有显著的阻裂、增强和增韧作用，钢纤维混凝土在隧道支护、机场道面以及桥面铺装等许多工程领域都已得到广泛应用[5]。

将橡胶粉和钢纤维配合使用，能够使2种材料的性能优势互补，弥补早强混凝土抗裂性能的不足，提升钢纤维使用的经济性，改善混凝土的路用性能。虽然目前在用橡胶粉对混凝土改性方面取得了一定的研究进展，但是没有对路用混凝土给出有针对性和实用性的研究结果，同时满足承载能力和正常使用性能要求所需的最佳掺量尚不明确。针对以上问题，本研究设计2组正交试验，分析钢纤维、橡胶粉在低掺量条件下对路用早强混凝土抗压强度和抗折强度的影响，得出水平范围内3种材料的较优掺量，通过对比较优组和普通早强混凝土的抗压强度、抗折强度、抗裂性能和耐磨性能，分析钢纤维和橡胶粉对早强混凝土路用性能的影响，给出能够为实际工程应用提供参考的优选掺量。

1 试验概述

1.1 原材料与配合比

胶凝材料：P·O42.5水泥、S95级粒化高炉矿粉；粗骨料：5～25 mm连续级配碎石；细骨料：中粗河砂，细度模数为3.1；聚羧酸高效减水剂：减水率为21%～28%；早强剂：SBTJK-24型混凝土快速修补剂；钢纤维：大波纹形剪切钢纤维；橡胶粉：由废旧轮胎研磨而成，40目。钢纤维、矿粉和早强剂的主要性能指标分别如表1、表2和表3所示。

表1 钢纤维的主要性能指标

表2 矿粉的主要性能指标

表3 早强剂的主要性能指标

混凝土配合比设计除满足实际施工质量要求外，还应考虑经济性。已有研究表明，粉煤灰会降低混凝土早期强度[6]，因此，配合比设计时未掺加粉煤灰。覃峰和包惠明[7]的研究表明，随着橡胶粉掺量的增加，混凝土的流动性会明显降低，因此，本试验根据橡胶粉掺量的不同，调整减水剂掺量，以确保混凝土坍落度控制在160～180 mm。根据JGJ/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》的要求计算初步配合比，然后进行试配，根据实际情况进行微调，最终得到的配合比见表4。

表4 混凝土的基准配合比 kg/m3

采用如下制备工艺：首先依次加入砂、石2种集料干拌1 min，待集料拌和均匀后加入橡胶粉干拌1 min，然后依次加入水泥、矿粉、早强剂干拌2 min，再将钢纤维均匀撒在搅拌机中干拌3 min，接着称取总用水量的90%倒入搅拌机搅拌3 min，最后将剩余10%的水与减水剂混合均匀，加入搅拌机继续搅拌5 min，制备程序结束。通过对搅拌工艺的进一步规范与细化，解决了钢纤维的结团问题和橡胶粉的吸水团聚问题。

1.2 试验方法

在表4基准配合比基础上，试验设计2组钢纤维橡胶粉混凝土正交试验组和1组普通早强混凝土作为对照组，正交组试验设计如表5所示，对照组外掺15%早强剂。早强剂和橡胶粉掺量均按占胶凝材料质量计，钢纤维按混凝土的体积率外掺。

表5 正交试验设计

抗压强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体标准试件，抗折强度采用150 mm×150 mm×550 mm的梁式试件，根据CECS 13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》第6.9条规定的三分点法进行加载试验。耐磨性能试验采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体标准试件，按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的T 0567—2005水泥混凝土耐磨性试验方法，以试件磨损面上单位面积磨损量Gc作为评定耐磨性能的指标。抗裂性能试验采用圆环法，试件为外径425 mm、内径305 mm的混凝土圆环，壁厚60 mm，高度为100 mm，如图1所示，裂缝观测如图2所示。正交试验得出较优组后，与对照组分别进行强度、抗裂性能和耐磨性能的对比试验，分析钢纤维、橡胶粉对早强混凝土性能的影响。

图1 圆环抗裂试验

图2 裂缝观测

2 正交试验结果与分析

各组混凝土强度试验结果如表6所示。直观分析法通过比较极差大小，即平均效果值的最大值与最小值之差，判断得出最优条件，但直观分析无法估计试验过程中必然存在的误差大小，无法获知分析精度。而方差分析则可以将因素水平的变化所引起的试验结果间的差异与误差的波动区分开来。因此，综合2种分析结果能更准确地找出最优组合。由于正交试验误差的自由度fe通常较小，F检验只有当fe较大时检验的灵敏度才较高。因此，在正交试验中，如果fe≤5，则增加一级进行评定[8]，分析结果如表7和表8所示。在表8中，当F＞99时，认为因素的影响特别显著，记为“***”；当 99≥F＞19时，认为因素的影响为显著，记为“**”；当19≥F＞9时，认为因素的影响较为显著，记为“*”；当9＞F≥4时，认为因素的影响不显著，记为“△”；当 F＜4 时，认为因素没有影响，记为“/”。

表6 正交试验结果

表7 极差分析结果

表8 方差分析结果

由表7、表8可以得出，3种材料对抗压强度的影响程度为：早强剂＞橡胶粉＞钢纤维。混凝土3 d抗压强度的最佳掺量为：正交组Ⅰ，早强剂15%、钢纤维0.50%、橡胶粉5%；正交组Ⅱ，早强剂15%、钢纤维1.25%、橡胶粉1%。28 d抗压强度的最佳掺量为：正交组Ⅰ，早强剂15%、钢纤维0.75%、橡胶粉5%；正交组Ⅱ，早强剂15%、钢纤维1.25%、橡胶粉1%。3种材料对抗折强度的影响程度为：早强剂＞钢纤维＞橡胶粉。混凝土3 d抗折强度的最佳掺量为：正交组Ⅰ，早强剂15%、钢纤维0.50%、橡胶粉9%；正交组Ⅱ，早强剂15%、钢纤维1.25%、橡胶粉3%。28 d抗折强度的最佳掺量为：正交组Ⅰ，早强剂15%、钢纤维0.50%、橡胶粉5%；正交组Ⅱ，早强剂15%、钢纤维1.25%、橡胶粉3%。

根据JTG/T F30—2014关于配合比的规定，设计弯拉强度决定了面层水泥混凝土、钢纤维混凝土、碾压混凝土的28 d弯拉强度均值，也决定了钢纤维体积掺量、钢纤维含量特征值和水灰比；根据JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》关于设计参数的规定，水泥混凝土路面的极限状态设计表达式是以弯拉强度标准值作为判断标准，水泥混凝土的设计强度应采用28 d龄期的弯拉强度，材料设计参数中的试配弯拉强度均值、旧混凝土路面结构参数中的弯拉弹性模量标准值也是由弯拉强度标准值确定。因此，弯拉强度是路用混凝土设计和验收最主要的指标。已有研究表明，通过掺入不同含量橡胶粉的水泥混凝土力学、干缩和耐磨性能试验，发现当橡胶粉掺量不大于3.5%时，混凝土抗压强度略有降低，但满足设计要求，其抗折强度则有一定程度的提高，并能有效减少水泥砂浆的干缩，提高混凝土的路用性能[9]。综合考虑混凝土的强度、施工情况和工程经济效益，确定较优配比为：正交组Ⅰ，早强剂15%、钢纤维0.50%、橡胶粉5%；正交组Ⅱ，早强剂15%、钢纤维1.25%、橡胶粉3%。

3 对比试验与分析

3.1 强度对比与分析

由正交组Ⅰ得出的较优配比记为X组，由正交组Ⅱ得出的较优配比记为G组，作为对照组的普通早强混凝土记为D组，强度对比试验结果如表9所示。

表9 3组混凝土强度对比

由表9可见：

（1）相比于对照组D，X组3 d抗压强度降低了7.67%，G组则提高了4.88%，28 d抗压强度分别降低了18.41%、6.03%；从3 d龄期到28 d龄期，优选配比的X组、G组相对于自身而言，抗压强度分别提高了39.5%、41.5%。偏高掺量的橡胶粉对混凝土抗压强度的增长率起到了一定的抑制作用，但是并不影响抗压强度的总体增长趋势；适宜掺量的钢纤维和橡胶粉配合使用，对混凝土的抗压强度没有明显影响。

（2）相比于对照组D，X组、G组3 d抗折强度分别提高了11.54%、19.23%，X组的28 d抗折强度降低了2.53%，G组的28 d抗折强度提高了17.72%；从3 d龄期到28 d龄期，优选配比的X组、G组相对于自身而言，抗折强度分别提高了32.8%、50.0%。钢纤维和橡胶粉的配合使用，能够对早龄期的抗折强度起到一定的提升作用；当橡胶粉掺量偏高时，也会对抗折强度的增长起到一定的抑制作用，但是抑制的程度相对于抗压强度而言要小得多；当钢纤维和橡胶粉的掺量适宜时，抗折强度能够得到有效提高。

3.2 抗裂性能对比与分析

圆环开裂的工作原理：混凝土试件受到内模的均匀径向约束，同时也受到水泥水化产生的自收缩和水分蒸发产生的干缩的影响，当这些影响产生的拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时，混凝土出现开裂。通过开裂时间以及裂纹的宽度和条数即可综合评定混凝土的抗裂性能，试验结果如表10所示，裂缝宽度发展趋势如图3所示。

表10 圆环抗裂试验结果

图3 裂缝宽度发展趋势

分析表10和图3可知，路用早强混凝土中掺入适量的钢纤维和橡胶粉，能够有效延缓混凝土的开裂时间，缩小初始裂缝宽度。优选G组的抗裂性能表现最优，开裂经时是普通早强混凝土D组的3.8倍，最大裂缝宽度减小了32.8%。对于橡胶粉掺量偏高而钢纤维掺量偏低的X组，裂缝的最大宽度甚至超过了D组普通早强混凝土，这是因为橡胶粉掺量偏高时，引入的空气造成混凝土孔隙增加，同时橡胶粉在荷载作用下，其变形与周围的水化反应产物、粗集料不一致，因而其周围界面产生较大的应力，增大了微裂缝的产生。对于G组而言，适量橡胶粉能够充分发挥其低弹性模量的材料特性，为包括塑性收缩、自收缩和干缩在内的混凝土收缩变形行为提供了变形空间，并缓冲由上述变形行为产生的内应力，消除空隙中的应力集中；适量的钢纤维与基体间的粘结力使得裂缝周围产生与集中应力方向相反的应力场，造成尖端应力集中减弱，有效阻止微裂缝的扩展[10]。

3.3 耐磨性能对比与分析

为了进一步确定钢纤维、橡胶粉对耐磨性能的影响程度，增加了2组不同钢纤维掺量早强混凝土进行对比，单位面积磨损量测试结果如表11所示。

表11 混凝土耐磨性能对比

由表11可见，相对于普通早强混凝土D组而言，D1组、D2组单位面积的磨损量分别降低了20.2%、24.1%，而D2组的钢纤维掺量是D1组的2.5倍，说明钢纤维能够在一定程度上提高混凝土的耐磨性能，但是钢纤维对于耐磨性能的改善并没有随着掺量的增加而显著提升，单就对于耐磨性能的改善而言，低掺量的钢纤维就已经能够发挥良好的效果；优选组X、G单位面积的磨损量相对于D组分别降低了47.2%、58.3%，而G组的橡胶粉掺量只有X组的60%，这表明过高掺量的橡胶粉对混凝土的耐磨性能产生了负面影响；适宜掺量的钢纤维和橡胶粉配合使用能够显著改善混凝土的耐磨性能，且橡胶粉对于耐磨性能的改善起到了主要作用。

水泥混凝土路面的耐磨性能是一项极其重要的耐久性指标，关系到路面抗滑性能和行车安全，可根据不同的机理和条件分为多种磨损方式，其中磨粒磨损和疲劳磨损是最主要的2种磨损方式。磨粒磨损可通过路面使用过程中的清洗等养护工作得到有效缓解，而疲劳磨损也被理解为一种断裂形式，因此，解决疲劳磨损主要取决于路面混凝土的材料性能，具体来说是取决于混凝土各组分之间的界面粘结性能。橡胶粉作为一种惰性组分添加到混凝土中，不影响混凝土凝结硬化过程中的水化反应产物，而且极为粗糙的颗粒表面使得其与水泥石之间呈锯齿状的结合面，这种微观结构层次上的牢靠咬合状态也即是良好的粘结性能。此外，橡胶粉低弹性模量的材料特性使得橡胶粉颗粒能够作为可变形粒子群有效提高混凝土的变形能力，再加上橡胶本身就是一种耐磨材料，在磨耗作用下，橡胶粉改性的混凝土不易发生微观结构的断裂，各组分不会被轻易剥离。

综合上述关于抗压强度、抗折强度、抗裂性能和耐磨性能的分析，同时考虑路用早强混凝土的承载能力、正常使用性能和工程经济效益，本研究建议钢纤维、橡胶粉和早强剂按照以下掺量配合使用：三者均为外掺，钢纤维体积掺量优选1.00%～1.25%，早强剂掺量优选12%～15%；橡胶粉的粒径优选40目，掺量优选3.0%～3.5%。给出的优选掺量适用于各种路用早强混凝土的配制，特别适用于常用的C35、C40路面混凝土和C50桥面铺装混凝土，能够为对于力学性能、韧性、抗裂性能和抗剥蚀性能要求较高的工程提供参考。

4 结论

（1）橡胶粉、钢纤维、早强剂对混凝土抗压强度的影响顺序为早强剂＞橡胶粉＞钢纤维，对抗折强度的影响顺序为早强剂＞钢纤维＞橡胶粉。

（2）相对于普通早强混凝土，双掺橡胶粉和钢纤维的路用早强混凝土的抗压强度最大提高了4.88%，抗折强度的增幅为11%～20%；钢纤维能够略微提升早强混凝土的抗压强度，而抗折强度的增强作用明显；偏高掺量的橡胶粉对抗压强度和抗折强度都会起到一定的抑制作用，但是对于抗折强度的抑制程度相对于抗压强度而言要小得多。

（3）适宜掺量的橡胶粉和钢纤维能够在不影响抗压强度并且显著提高抗折强度的前提下，有效改善混凝土的抗裂性能和耐磨性能；优选G组的抗裂性能和耐磨性能都表现最优，开裂经时是普通早强混凝土D组的3.8倍，最大裂缝宽度减小了32.8%，单位面积磨损量降低了58.3%；体积掺量为0.5%以下的低掺量钢纤维就已经能够对耐磨性能发挥良好的效果，对耐磨性能的改善由橡胶粉起主要作用。

（4）综合考虑路用早强混凝土的承载能力和正常使用性能，结合工程经济效益和实用性，建议钢纤维体积掺量优选1.00%～1.25%，早强剂和橡胶粉按照胶凝材料的质量优选外掺分别为12%～15%、3.0%～3.5%。

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