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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行了立方體抗壓試驗和四點彎曲試驗，并對比了鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠混凝土力學性能的影響。

關鍵詞：鋼纖維橡膠混凝土；鋼纖維摻量；廢舊橡膠；四點彎曲試驗；力學性能

0前言

根據中國橡膠協會統計，中國廢舊輪胎在2013年就達到了2.99億條，重達1080萬t，并以每年約10%的速度增長，2015年中國廢舊輪胎產量已突破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數，對比了體積分數不同的情況下SFRRC的力學性能，研究了SFRRC相較于普通混凝土（C）和橡膠混凝土（RC）的性能優勢，以期為配置性能更優的混凝土材料提供參考。

1試驗設計

1.1原材料水泥：P•C32.5級水泥。細骨料：普通河砂，細度模數為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，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，抗拉強度為644MPa，密度為7.950kg/m3。

1.2配合比按照普通混凝土設計方法先對C30基體混凝土進行配合比設計，5目橡膠顆粒以10%（27.6kg/m3）體積率取代部分細骨料，在此基礎上分別添加體積率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JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[6]和GB50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》[7]將水灰比定為0.45。

1.3試驗方法立方體抗壓試驗：采用WYA-2000型電液式壓力試驗機試驗機對18個100mm×100mm×100mm的試件進行試驗；四點彎曲試驗：采用CBT1105-D微機控制電子壓力試驗機對18個100mm×100mm×400mm的非標準試驗梁進行試驗，由于是非標準試件，試驗測得的結果乘以0.85得到抗折強度值。

2試驗結果與分析

2.1立方體抗壓強度普通混凝土立方體抗壓強度和橡膠摻量為10%的橡膠混凝土立方體抗壓強度分別為40.75MPa和37.72MPa，橡膠的加入使得混凝土的抗壓強度降低了7.4%。這是因為橡膠作為彈性體材料，比混凝土的強度低很多，在混凝土中形成多處薄弱點；其次，水泥和橡膠分別屬于無機化合物和高分子憎水性有機材料，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面。在RC配比基礎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試件的抗壓強度分別提高了4.7%、7.6%、12.7%、15.8%。這是因為鋼纖維均勻分布在RC基體內，形成了三維分布網絡，起到了橋連作用，同時，由于摻入的鋼纖維為波浪形，可以牢固地嵌入到基體中，減少了基體內的空隙部分。鋼纖維體積率小于0.5%時，試件的抗壓強度隨鋼纖維體積率變大而增長較快，抗壓強度的增長量隨著鋼纖維體積率增大而逐步平緩，這是因為當鋼纖維體積率達到一定數值后，鋼纖維在基體內慢慢趨近飽和狀態，增加鋼纖維摻量將不再提升混凝土立方體抗壓強度。（2）試件破壞形態各組試件的破壞形態見圖1。在立方體抗壓試驗過程中，從試驗開始階段觀察，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較完整，試件四周混凝土嚴重脫落，剩下兩個類似椎體的部分，整個過程表現為明顯的脆性破壞。加入橡膠的RC試件在破壞時沒有劇烈的響聲，荷載達到極限后跟C試件一樣瞬間降低，四周混凝土脫落情況沒有C試件嚴重，試件表面呈現出較多裂縫，表現出一些延性特征。SFRRC試件在破壞時幾乎沒有聲音，試件有很好的完整性，荷載達到極限后緩慢降低，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抗折強度試驗C試件和RC試件的抗折強度分別為5.53MPa和4.97MPa，橡膠的加入使得混凝土的抗折強度降低了10.1%。在RC配比的基礎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面，此現象可緩解混凝土內部應力集中現象，使得宏觀裂縫轉為許多微觀裂縫。當鋼纖維體積率太小時，對抗折強度的提升不明顯，這是因為少量鋼纖維隨機分布在RC基體中時，由于數量太少，鋼纖維之間無法很好地形成纖維網絡，所以，對抗折強度的提升效果不明顯。當鋼纖維數量達到一定程度后，纖維之間形成纖維網絡，此時對于混凝土抗拉強度增強作用遠大于薄弱面的減弱作用，所以，隨著鋼纖維體積率變大，抗折強度也會變大。根據之前學者們的研究，鋼纖維體積率有一個臨界值，超過這個臨界值，隨著鋼纖維體積率的增大，抗折強度會隨之減小。

（2）折壓比通過以上試驗計算得出的數據，得到各組混凝土試件的折壓比。由表中數據可以看出，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，且達到一定摻量后，增強幅度較大。鋼纖維摻量為0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時，其折壓比分別為RC材料的100.2%、91.7%、119.0%和127.7%。

（3）抗折破壞形態圖3為各類型試件的抗折破壞形態，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，并且荷載達到極限后瞬間變為零，整個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聲音較柔和低沉，荷載達到極限后跟C試件一樣瞬間降低，其斷面為鋸齒狀。SFRRC試件在破壞時，在試件底部正中位置出現裂縫，并隨著加載裂紋緩慢向上延伸，荷載達到極限后緩慢降低，破壞后仍然有一定的抗折能力。這是因為試件在受壓開裂過程中，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微機控制電子壓力試驗機進行抗折試驗時繪制了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，隨著所加荷載達到極限時，試件瞬間破壞，并一分為二，試驗機立即停止加載，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，表現出彈性特征，隨后斜率變大，曲線接近直線，達到極限荷載后，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，加載過程中基體內的宏觀裂縫被橡膠顆粒阻礙轉化成大量微觀裂縫，當裂縫擴展到鋼纖維時，由于鋼纖維材料的抗拉強度遠大于RC基體，裂縫擴展速度進一步降低。隨著加載的持續，曲線上升段整體接近直線，但局部上有波動，達到極限荷載時，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結論

（1）5目橡膠顆粒的加入對于混凝土的抗壓強度有明顯降低作用，橡膠顆粒摻量為10%的混凝土，其抗壓強度降低了7.4%。鋼纖維對RC的抗壓強度有一定提升作用，加入0.5%的鋼纖維即可填補橡膠帶來的強度損失。鋼纖維的體積率為0~2.0%時，混凝土強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試件產生的外觀裂紋比C試件細，而SFRRC試件產生的外觀裂縫比RC更細且更多，且SFRRC試件破壞后仍有較強的抗壓能力，材料整體性更強，說明鋼纖維和橡膠協同作用使得混凝土的延性增強。（2）5目橡膠顆粒的加入對于混凝土的抗折強度有明顯降低作用，橡膠顆粒摻量為10%的混凝土，其抗折強度降低了10.1%。鋼纖維對RC的抗折強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的抗折能力，材料整體性更強，不會瞬間完全斷開，說明鋼纖維和橡膠協同作用使得混凝土的韌性增強。

作者：嚴智卓；周金枝；周陳旭 單位：湖北工業大學土木建筑與環境學院