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摘要：對鋼纖維摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的鋼纖維橡膠混凝土進(jìn)行了立方體抗壓試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并對比了鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠混凝土力學(xué)性能的影響。

關(guān)鍵詞：鋼纖維橡膠混凝土；鋼纖維摻量；廢舊橡膠；四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)；力學(xué)性能

0前言

根據(jù)中國橡膠協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國廢舊輪胎在2013年就達(dá)到了2.99億條，重達(dá)1080萬t，并以每年約10%的速度增長，2015年中國廢舊輪胎產(chǎn)量已突破3億條[1]。鋼纖維橡膠混凝土（SteelFiberReinforcedRubberConcrete，簡稱SFRRC）是利用淘汰的輪胎碾碎而成的橡膠顆粒，鋼纖維和橡膠顆粒的摻入可使混凝土的韌性、抗裂性、抗震性得到較大程度的提升[2-5]。本文通過改變鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)，對比了體積分?jǐn)?shù)不同的情況下SFRRC的力學(xué)性能，研究了SFRRC相較于普通混凝土（C）和橡膠混凝土（RC）的性能優(yōu)勢，以期為配置性能更優(yōu)的混凝土材料提供參考。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1原材料水泥：P•C32.5級水泥。細(xì)骨料：普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.52的中砂，表觀密度2.54g/cm3。粗骨料：碎石，粒徑5~20mm。橡膠顆粒：江蘇某公司生產(chǎn)，粒徑3~4mm。鋼纖維：銑削波浪型鋼纖維，長度為37mm，厚度為0.6mm，寬度為2mm，抗拉強(qiáng)度為644MPa，密度為7.950kg/m3。

1.2配合比按照普通混凝土設(shè)計(jì)方法先對C30基體混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，5目橡膠顆粒以10%（27.6kg/m3）體積率取代部分細(xì)骨料，在此基礎(chǔ)上分別添加體積率0.5%（39kg/m3）、1.0%（78kg/m3）、1.5%（117kg/m3）、2.0%（156kg/m3）的鋼纖維。減水劑用量為膠凝材料用量的1.8%，其它各材料用量不變。根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]和GB50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[7]將水灰比定為0.45。

1.3試驗(yàn)方法立方體抗壓試驗(yàn)：采用WYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)對18個(gè)100mm×100mm×100mm的試件進(jìn)行試驗(yàn)；四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：采用CBT1105-D微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)對18個(gè)100mm×100mm×400mm的非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)梁進(jìn)行試驗(yàn)，由于是非標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)測得的結(jié)果乘以0.85得到抗折強(qiáng)度值。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1立方體抗壓強(qiáng)度普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和橡膠摻量為10%的橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別為40.75MPa和37.72MPa，橡膠的加入使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了7.4%。這是因?yàn)橄鹉z作為彈性體材料，比混凝土的強(qiáng)度低很多，在混凝土中形成多處薄弱點(diǎn)；其次，水泥和橡膠分別屬于無機(jī)化合物和高分子憎水性有機(jī)材料，橡膠顆粒和混凝土基體之間由于橡膠表面易吸附一定量氣體而形成薄弱黏結(jié)面。在RC配比基礎(chǔ)上分別加入體積率為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的鋼纖維后，試件的抗壓強(qiáng)度分別為42.57MPa、43.83MPa、45.79MPa、47.19MPa，比RC試件分別提高了12.9%、16.2%、21.4%、25.1%；比C試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了4.7%、7.6%、12.7%、15.8%。這是因?yàn)殇摾w維均勻分布在RC基體內(nèi)，形成了三維分布網(wǎng)絡(luò)，起到了橋連作用，同時(shí)，由于摻入的鋼纖維為波浪形，可以牢固地嵌入到基體中，減少了基體內(nèi)的空隙部分。鋼纖維體積率小于0.5%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率變大而增長較快，抗壓強(qiáng)度的增長量隨著鋼纖維體積率增大而逐步平緩，這是因?yàn)楫?dāng)鋼纖維體積率達(dá)到一定數(shù)值后，鋼纖維在基體內(nèi)慢慢趨近飽和狀態(tài)，增加鋼纖維摻量將不再提升混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。（2）試件破壞形態(tài)各組試件的破壞形態(tài)見圖1。在立方體抗壓試驗(yàn)過程中，從試驗(yàn)開始階段觀察，C試件在破壞前幾乎沒有明顯征兆，伴隨劇烈響聲瞬間破壞，并且荷載達(dá)到極限后突然降低，上下面的混凝土由于壓板的套箍作用破壞時(shí)較完整，試件四周混凝土嚴(yán)重脫落，剩下兩個(gè)類似椎體的部分，整個(gè)過程表現(xiàn)為明顯的脆性破壞。加入橡膠的RC試件在破壞時(shí)沒有劇烈的響聲，荷載達(dá)到極限后跟C試件一樣瞬間降低，四周混凝土脫落情況沒有C試件嚴(yán)重，試件表面呈現(xiàn)出較多裂縫，表現(xiàn)出一些延性特征。SFRRC試件在破壞時(shí)幾乎沒有聲音，試件有很好的完整性，荷載達(dá)到極限后緩慢降低，破壞后仍然有一定的抗壓能力，表面出現(xiàn)較少裂縫，破壞后用手嘗試扒開試塊使其分離，依然難以扒開。

2.2抗折強(qiáng)度試驗(yàn)C試件和RC試件的抗折強(qiáng)度分別為5.53MPa和4.97MPa，橡膠的加入使得混凝土的抗折強(qiáng)度降低了10.1%。在RC配比的基礎(chǔ)上分別加入體積率為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的鋼纖維后，試件的抗折強(qiáng)度分別為5.89MPa、5.30MPa、7.17MPa、7.94MPa，比RC試件分別提高了18.5%、6.6%、44.3%、59.8%。鋼纖維和橡膠顆粒與基體形成薄弱的黏結(jié)面，此現(xiàn)象可緩解混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得宏觀裂縫轉(zhuǎn)為許多微觀裂縫。當(dāng)鋼纖維體積率太小時(shí)，對抗折強(qiáng)度的提升不明顯，這是因?yàn)樯倭夸摾w維隨機(jī)分布在RC基體中時(shí)，由于數(shù)量太少，鋼纖維之間無法很好地形成纖維網(wǎng)絡(luò)，所以，對抗折強(qiáng)度的提升效果不明顯。當(dāng)鋼纖維數(shù)量達(dá)到一定程度后，纖維之間形成纖維網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)對于混凝土抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)作用遠(yuǎn)大于薄弱面的減弱作用，所以，隨著鋼纖維體積率變大，抗折強(qiáng)度也會(huì)變大。根據(jù)之前學(xué)者們的研究，鋼纖維體積率有一個(gè)臨界值，超過這個(gè)臨界值，隨著鋼纖維體積率的增大，抗折強(qiáng)度會(huì)隨之減小。

（2）折壓比通過以上試驗(yàn)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，得到各組混凝土試件的折壓比。由表中數(shù)據(jù)可以看出，除了鋼纖維摻量為1.0%的SFRRC，在RC中加入各體積率鋼纖維，不同程度上提高了混凝土的折壓比，說明鋼纖維的加入減小了RC材料的脆性特征，增加了材料的韌性，且達(dá)到一定摻量后，增強(qiáng)幅度較大。鋼纖維摻量為0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，其折壓比分別為RC材料的100.2%、91.7%、119.0%和127.7%。

（3）抗折破壞形態(tài)圖3為各類型試件的抗折破壞形態(tài)，從左至右分別為C試件、SF0RR10C試件、SF0.5RR10C試件、SF1.0RR10C試件、SF1.5RR10C試件、SF2.0RR10C試件。從試驗(yàn)開始階段觀察，C試件在斷裂破壞前幾乎無明顯征兆，伴隨劇烈清脆聲瞬間破壞，并且荷載達(dá)到極限后瞬間變?yōu)榱?，整個(gè)過程為明顯的脆性破壞，其斷面較整齊；加入橡膠的試件在斷裂破壞時(shí)聲音較柔和低沉，荷載達(dá)到極限后跟C試件一樣瞬間降低，其斷面為鋸齒狀。SFRRC試件在破壞時(shí)，在試件底部正中位置出現(xiàn)裂縫，并隨著加載裂紋緩慢向上延伸，荷載達(dá)到極限后緩慢降低，破壞后仍然有一定的抗折能力。這是因?yàn)樵嚰谑軌洪_裂過程中，鋼纖維受拉從RC基體中拔出消耗了大量的能量，大大提升了混凝土的韌性。（4）位移-荷載曲線使用CBT1105-D型SANS微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折試驗(yàn)時(shí)繪制了C試件、RC試件和SFRRC試件的位移-荷載曲線，C試件的位移-荷載曲線接近直線，隨著所加荷載達(dá)到極限時(shí)，試件瞬間破壞，并一分為二，試驗(yàn)機(jī)立即停止加載，所以曲線只有上升段，沒有下降段，突出了C試件的脆性破壞特征。由圖5可見，RC試件的位移-荷載曲線在開始階段斜率較小，表明隨著位移的增加，荷載的增長較緩慢，表現(xiàn)出彈性特征，隨后斜率變大，曲線接近直線，達(dá)到極限荷載后，試件瞬間斷裂但沒有完全一分為二，曲線出現(xiàn)較陡的下降段，說明橡膠的加入對混凝土的脆性特征有一定的改善作用。SFRRC試件的位移-荷載曲線在開始階段斜率極小，說明在加載開始階段，隨著變形的增大，荷載的增長極其緩慢，加載過程中基體內(nèi)的宏觀裂縫被橡膠顆粒阻礙轉(zhuǎn)化成大量微觀裂縫，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到鋼纖維時(shí)，由于鋼纖維材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于RC基體，裂縫擴(kuò)展速度進(jìn)一步降低。隨著加載的持續(xù)，曲線上升段整體接近直線，但局部上有波動(dòng)，達(dá)到極限荷載時(shí)，試件整體的完整性很好，下降段與上升段的陡峭程度較相近，較平緩、飽滿，說明SFRRC試件在破壞后仍有較好的抗折性能。

3結(jié)論

（1）5目橡膠顆粒的加入對于混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯降低作用，橡膠顆粒摻量為10%的混凝土，其抗壓強(qiáng)度降低了7.4%。鋼纖維對RC的抗壓強(qiáng)度有一定提升作用，加入0.5%的鋼纖維即可填補(bǔ)橡膠帶來的強(qiáng)度損失。鋼纖維的體積率為0~2.0%時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增大而提高，最大提高幅度為25.1%。破壞過程中，RC試件產(chǎn)生的外觀裂紋比C試件細(xì)，而SFRRC試件產(chǎn)生的外觀裂縫比RC更細(xì)且更多，且SFRRC試件破壞后仍有較強(qiáng)的抗壓能力，材料整體性更強(qiáng)，說明鋼纖維和橡膠協(xié)同作用使得混凝土的延性增強(qiáng)。（2）5目橡膠顆粒的加入對于混凝土的抗折強(qiáng)度有明顯降低作用，橡膠顆粒摻量為10%的混凝土，其抗折強(qiáng)度降低了10.1%。鋼纖維對RC的抗折強(qiáng)度有非常明顯提升作用，最大可提高59.8%。與C、RC試件相比，SFRRC試件破壞后仍有較強(qiáng)的抗折能力，材料整體性更強(qiáng)，不會(huì)瞬間完全斷開，說明鋼纖維和橡膠協(xié)同作用使得混凝土的韌性增強(qiáng)。

作者：嚴(yán)智卓；周金枝；周陳旭 單位：湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院