纤维橡胶混凝土力学特性实验研究

占佳佳 庞建勇,2 姚韦靖

(1. 安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001； 2. 安徽理工大学 省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

全球范围内，每年都有大量废旧轮胎被随意丢弃、掩埋、焚烧，这将造成严重的资源浪费，土壤、大气和水源等也将受到不同程度的破坏。将废旧轮胎制成橡胶混凝土不仅能有效减少“黑色污染”，还可对混凝土的性能进行改良[1]。

冯文贤等人通过实验研究发现在混凝土中掺入适量橡胶粉后，其使用寿命延长，韧性和变形性能也均有所提高[2]。何兆芳等人发现在混凝土中掺入橡胶后，能有效缓解混凝土收缩受到约束时应力的发展[3]。史英豪等人发现橡胶掺量对混凝土的导热系数有显著影响[4]。以上研究表明，在混凝土中掺入橡胶后，其韧性、抗冲击、抗疲劳、隔热等性能得到有效提高，但其力学强度降低，阻碍了橡胶混凝土(rubber concrete,RC)的进一步推广应用[5]。杨晨晨等人研究了玄武岩纤维(BF)对RC力学强度的影响，结果表明掺入适量的纤维能提高RC的抗压强度[6]。Aslani等人发现在RC中掺入聚丙烯纤维(PPF)，能提高其劈裂抗拉强度[7]。梁海军等人在实验中将不同比例的钢纤维(SF)与PPF混合掺入RC中，结果表明掺入0.1% PPF+0.9% SF能显著提高RC的力学强度[8]。

RC的力学性能在低温环境下会发生改变，但目前有关纤维对RC影响的研究主要集中于常温条件，鲜有涉及低温条件。本次研究将3种不同纤维掺入RC中，分别测试RC试件在常温(20 ℃)与低温(-20 ℃)条件下的力学性能，分析低温条件以及不同纤维对RC力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验所用材料有：水泥，P·O 42.5普通硅酸盐水泥；砂子，淮河中砂；石子，连续级配碎石，粒径为5～20 mm；水，自来水；减水剂，聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%；橡胶粉颗粒，粒径约为0.25 mm；纤维包括SF、BF、PPF，其主要性能指标如表1所示。

表1 纤维主要性能指标

橡胶粉颗粒以5%的体积替代率替代混凝土中的细骨料，制备水胶比为0.4、砂率为40%的RC，其配合比如表2所示。采用体积掺入法在RC中掺入不同类型不同掺量的纤维：钢纤维橡胶混凝土(steel fiber rubber concrete，简称SFRC)中SF的体积掺量为0.5%、1%、1.5%，分别定义为SFRC1、SFRC2、SFRC3；玄武岩纤维橡胶混凝土(basalt fiber rubber concrete，简称BFRC)中BF的体积掺量为0.1%、0.2%、0.3%，分别定义为BFRC1、BFRC2、BFRC3；聚丙烯纤维橡胶混凝土(polypropylene fiber rubber concrete，简称PFRC)中PPF的体积掺量为0.05%、0.10%、0.15%，分别定义为PFRC1、PFRC2、PFRC3。分别测试每组试件在常温(20 ℃)与低温(-20 ℃)条件下的抗压强度和劈裂抗拉强度。

表2 RC材料配合比 单位：kg/m3

1.3 实验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081 — 2002)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13 — 2019)，制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的RC标准试件，将试件在标准环境下养护 28 d。所有试件分为2组：一组用于测试试件在常温条件下的力学性能；另一组用于测试试件在低温条件下的力学性能。

本次研究中，混凝土低温力学性能实验是将达到养护龄期的试件放入工业冰箱中(温度为-20 ℃)，恒温冷冻72 h，以确保混凝土试件内部温度达到-20 ℃。取出试件后，立即在常温下对其力学性能进行测试。

2 实验结果分析

各组试件实验结果如表3所示。

表3 各组试件实验结果

2.1 抗压实验结果分析

2.1.1 破坏形态

在低温条件下，各组试件受压后的破坏形态如图1所示。RC试件的裂缝最长最深，并伴有大块状物脱落，试件的完整性遭到严重破坏。相比之下，纤维橡胶混凝土试件的破坏形态则有明显改善。BFRC试件的裂缝减小，试件边缘虽然被压碎，但无块状物脱落，试件基本完整。PFRC试件表面有多处长短不一的细浅裂纹，裂纹间布满淡白色细丝状纤维，大量丝状纤维与基体间的咬合使裂缝没有继续加宽加深，较好地保持了试件的完整性。SFRC试件无明显压碎痕迹，表面有些微表层剥落，剥落处可见裸露的钢纤维，试件几乎完整。从总体外观来看，加入纤维后，试件在常温和低温下的受压破坏形态均得到有效改善，其中钢纤维的效果最佳。

2.1.2 抗压应力 — 应变曲线

在低温条件下，纤维橡胶混凝土试件的抗压应力 — 应变曲线(见图2)。第1个阶段为压密阶段，此阶段曲线呈微上凹趋势。这是由于纤维橡胶混凝土内部存在孔隙，当其受到外界应力作用后，孔隙发生闭合，表现为应力随应变的增长而缓慢增长。第2个阶段为弹性变形阶段，此阶段曲线呈直线上升趋势。这是由于混凝土内部孔隙大大减少，试件结构更加密实，混凝土骨架在短时间内均匀受压，应力应变之间存在线性关系[9]。第3个阶段为塑性变形阶段，此阶段曲线呈非线性增长，且逐渐达到峰值。这是由于混凝土骨架开始发生破坏，受力分布不均匀，应力与应变的线性关系消失。第4个阶段为破坏阶段，此阶段曲线在达到峰值后迅速降低，存在明显的峰值点。这是由于外界压应力超过了破坏应力，试件的整体结构被破坏。超过峰值应力后，相比基准RC试件,纤维橡胶混凝土试件的曲线下降段更长且更平缓，这说明纤维的加入抑制了RC的破坏进程，有效改善了RC的脆性，其中BF的改善效果最为明显。

图1 试件受压后的破坏形态

图2 低温条件下纤维橡胶混凝土试件的抗压应力 — 应变曲线

2.1.3 抗压强度

在常温、低温条件下，纤维橡胶混凝土试件的抗压强度变化如图3所示。当SF的体积掺量为0～0.5%时，SFRC试件的抗压强度随纤维掺量的增加而增大，最大增幅达到了22.3%。当BF的体积掺量为0～0.1%时，BFRC试件的抗压强度变化不明显；当BF的体积掺量为0.1%～0.2%时，BFRC试件的抗压强度明显增大，当BF的体积掺量为0.3%时，BFRC试件的抗压强度出现负增长。当PPF的体积掺量为0～0.10%时，PFRC试件的抗压强度随PPF掺量的增加而稳定增长，最大增幅为18.4%，当PPF的体积掺量为0.15%时，PFRC试件的抗压强度急剧减小，PPF的最优体积掺量不宜超过0.10%。

纤维的加入在一定程度上弥补了因橡胶所致的混凝土强度减损，提高了RC的抗压承载能力。在合理的掺量范围内，混凝土内部均匀分散的纤维与基体互相咬合、黏结，产生了牵拉作用，因此呈现良好的增强、阻裂效果，且掺量越大效果越明显。当超出一定范围后，过多的纤维无法在基体中均匀分散而聚团，从而使混凝土内部缺陷增多[10-12]。过量的纤维对混凝土抗压强度的增强效果逐步减弱，甚至使其出现负增长。

图3 常温、低温条件下纤维橡胶混凝土试件28 d抗压强度

由图3可知，纤维橡胶混凝土在低温与常温条件下，抗压强度的变化趋势基本一致，且在低温条件下的抗压强度普遍高于常温。这是因为橡胶颗粒具有弹性，当温度从常温降至低温的过程中，橡胶颗粒会发生收缩，使其硬度增大，同时混凝土内部的游离水会冻结成冰晶，这2种变化的耦合作用使得混凝土内部应力重新分布[13]，宏观上表现为纤维橡胶混凝土抗压强度提高。

2.2 抗拉实验结果分析

2.2.1 破坏形态

试件受拉后的破坏形态如图4所示。RC试件首先在中部出现多处微小裂缝。随着荷载的持续加载，裂缝逐渐变宽变深，最终试件迅速劈断，一分为二。RC试件破坏时伴有较大劈裂响声，且在常温条件下的破坏响声更为明显，破坏更加快速、彻底。而加入纤维后的RC试件遭到破坏时仍保持良好的完整性，未出现断裂现象，无法直接用手将其剥开。这说明试件仍保留一定的残余强度，出现了延性破坏[11]。

由此可见，在RC中掺入纤维，能有效改善其受拉后的破坏形态，使其结构可靠度得到提高。掺入SF对RC抗拉力学性能增强效果最好，SFRC试件受拉后的破坏形态最佳，试件整体性保存最完好。

图4 试件受拉后的破坏形态

2.2.2 抗拉应力 — 应变曲线

在低温条件下，纤维橡胶混凝土试件的抗拉应力 — 应变曲线如图5所示。与RC试件的不同，在达到峰值应力后，纤维橡胶混凝土试件的抗拉应力 — 应变曲线没有持续下降，而是经历小段下降后在拐点处继续上升，直至达到第2次峰值后平缓下降。这是因为当纤维橡胶混凝土应力第1次达到峰值时，混凝土骨架结构经历了纤维从基体中拔出断裂的过程，此过程中抗拉强度仍有微弱提升，表现出一定的应变硬化现象[14]。这说明掺入纤维不仅可以提高RC的受拉应力峰值，还能延长其破坏过程，使其延性更好，抵抗破坏变形的能力更强。

2.2.3 抗拉强度

在常温、低温条件下，纤维橡胶混凝土试件的劈裂抗拉强度如图6所示，纤维橡胶混凝土的抗拉强度随纤维掺量的增加先增大后减小。这是由于加入纤维后，RC试件的界面特性发生改变，其内部形成了良好的纤维网格，有效抑制了裂纹的初步产生，阻止了微观裂纹向宏观裂缝的发展，同时纤维能抵抗部分外部荷载[15]，使RC试件基体的劈裂抗拉强度提高。随着纤维掺量的不断增大，过多的纤维不能和骨料较好结合，RC的和易性和流动性受到影响，形成了多个薄弱面，纤维的增强作用逐渐无法抵消薄弱面的减弱作用，最终在宏观上表现为RC试件的抗拉强度降低。当SF的体积掺量为0～0.5%时，SFRC试件的抗拉强度增幅最大，当SF的体积掺量为0.5%～1.0%时，SFRC试件的抗拉强度达到最大，SF的最大体积掺量应低于1.0%。当BF的体积掺量为0.2%时，BFRC试件的抗拉强度达到最大，增幅高达24.8%。当PPF的体积掺量为0～0.10%时，PFRC试件的抗拉强度近乎呈线性增长，当PPF的体积掺量超过0.10%时，PFRC试件的抗拉强度随着PPF体积掺量的增加而减小，PPF的最优体积掺量为0.10%。

图5 低温条件下纤维橡胶混凝土试件的抗拉应力 — 应变曲线

图6 常温、低温条件下纤维橡胶混凝土试件28 d劈裂抗拉强度

由图6可知，纤维橡胶混凝土在低温条件下的抗拉强度总体上略高。从微观层面分析，RC中含有较多微孔，在低温条件下微孔中大量的自由水和毛细水会凝结成冰，使RC中的微裂缝、微空洞等被填充，从而使基体密实度增加[14]，抵抗外部荷载的能力提高。

2.4 拉压比分析

混凝土拉压比为其抗拉强度与抗压强度之比，是评价混凝土脆性的主要指标。拉压比越大，表示混凝土脆性越小，韧性越好[16]。通过实验得到各组纤维橡胶混凝土试件的拉压比，如图7所示。可以看出，不同纤维可使RC试件的拉压比得到不同程度的提高。当SF的体积掺量为0～0.5%时，RC试件的拉压比提高幅度较小，当SF的体积掺量超过0.5%时，其提高作用增强。当BF的体积掺量为0.1%～0.2%时，RC试件的拉压比增幅减小，结合强度对比分析，此掺量范围内，BF对RC试件抗拉性能的影响更大。当PPF的体积掺量为0.10%～0.15%时，RC试件的拉压比急剧增大，这是因为过量PPF使RC试件的抗压强度出现负增长，但其抗拉强度仍处于不断增长的状态。

图7 常温、低温条件下纤维橡胶混凝土试件的拉压比

由图7可知，纤维橡胶混凝土拉压比随着纤维掺量的增加而增大，但过量的纤维将对RC的强度产生不利影响。在常温和低温条件下，纤维橡胶混凝土拉压比的变化趋势一致，低温条件下的拉压比略高。这说明在低温条件下，纤维对RC脆性和韧性的改善效果更好。

3 结 语

掺入各种纤维对RC力学强度有不同程度的提高作用，SF的最优体积掺量为0.5%，BF的最优体积掺量为0.2%，PPF的最优体积掺量为0.10%。在RC中掺入纤维后，其力学强度在低温条件下的变化趋势与在常温条件下基本一致，低温条件下纤维对橡胶混凝土的力学强度增强效果更明显。

SF、BF、PPF这3种纤维均能显著改善RC试件的破坏形态，提高其韧性与抗变形能力。由于BF弹性模量较高，在试件内不仅可有效承重，又可强化水泥基体间的黏结力，因此对橡胶混凝土的力学特性改善效果最好。