上海华东民航机场建设监理有限公司 上海 200335
摘要：纤维改性橡胶混凝土是将废旧橡胶和纤维按照一定比例掺入混凝土而制成的新型绿色建筑材料。橡胶混凝土虽然能解决废旧橡胶带来的环境问题，但是混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量、劈裂强度均会发生明显的变化。本研究在橡胶混凝土中掺入5种不同的纤维，研究纤维对橡胶混凝土力学性能的影响。结果表明：掺入橡胶后，混凝土强度降低；钢纤维能够明显提高其抗压强度，加入其它网状纤维后，橡胶混凝土的抗折和抗劈裂强度改善明显。
关键词：工程材料；橡胶混凝土；纤维；力学性能；试验研究
Investigation of the mechanical properties of fiber modified rubberized concrete
Liu Tao
Shanghai Huadong Construction Project Management of Airport Construction and Install Co.，Ltd，Shanghai 200335
Abstract：Fiber modified rubberized concrete is a green construction material which is made of mixing the waste rubber and fiber with ordinary concrete.Although，rubberized concrete can solve some environmental problems，it changes the compressive strength，flexural strength，modulus of elasticity，and split strength of concrete.This research aims to investigate the influences of five different fibers on the mechanical properties of rubberized concrete.The results revealed that the compressive strength of concrete was reduced after adding rubber，and steel fiber can significantly improve the compressive strength；the flexural strength and split strength of rubberized concrete were increased after adding the polypropylene mesh fiber and polyvinyl alcohol fiber.
Keywords：construction materials；rubberized concrete；fiber；mechanical properties；experimental study
0引言
橡胶混凝土是一种把橡胶微粒（粉）作为水泥混凝土的组成材料配制而成的特殊混凝土。橡胶的加入能提高混凝土的抗震性能、抗磨耗能力、抗老化性能、抗弯强度和延性，降低脆性；改善混凝土的收缩性，提高韧性，抗冻性能和抗渗性能[1-3]；此外橡胶还能解决废旧橡胶给环境带来的压力。但是橡胶粉的比重较小，易在橡胶混凝土构件制作过程中，橡胶粉上浮，使其分布不均匀，导致橡胶混凝土的强度和刚度均有一定的下降。
纤维混凝土是由抗拉强度不高的素混凝土和抗裂性强，弹性模量高的纤维材料组合而成的复合材料，它可以提高基体的抗拉强度，和基体的变形能力，改善混凝土的韧性[4]。
基于橡胶混凝土和纤维改性混凝土的优缺点，本研究拟采用纤维改性橡胶混凝土的方法，综合两者的优点，使纤维改性橡胶混凝土在实际工程中得到更好的应用。
1试验设计
1.1 原材料
水泥：普通硅酸盐水泥，水泥烧失量小于2%。
骨料：砂为中砂，表观密度2670kg/m3，最大粒径为5mm，连续级配，细度模数为2.65。石子为粒径5～20mm的碎石，表观密度2580kg/m3，含泥量＜2﹪，级配良好。
橡胶集料：最大粒径为2.45mm，最小粒径为0.2mm，平均粒径为1.22mm。表观密度为1120kg/m3，吸水率小于10﹪。橡胶粉的其他具体技术指标见表1。
图1.橡胶粉及各种纤维的表观形态：a-橡胶粉；b-钢纤维；c-塑钢纤维；d-聚丙烯网状纤维；e-聚乙烯醇纤维；f-聚丙烯纤维
Fig 1.The images of rubber powder and fibers：a- Rubber powder；b- Steel fiber；c- Plastic fiber；d- Polypropylene mesh fiber；e- Polyvinyl alcohol fiber；f- Polypropylene fiber
纤维：本试验采用了五种纤维。橡胶粉以及各种纤维的表观形态如图1所示。
1.2试验配合比设计
本试验采用基准混凝土为C40，配合比为水：水泥：砂：石子=198kg：440kg：642kg：1140kg，水灰比为0.45，砂率为0.36。含橡胶集料的混凝土，橡胶颗粒按20﹪等体积替换砂，配合比为水：水泥：砂：石子：橡胶=198kg：440kg：513.6kg：1140kg：53.9kg。钢纤维掺量为60kg，塑钢纤维掺量为6.0 kg，聚丙烯网状纤维、聚乙烯纤维及聚乙烯醇纤维掺量均为1.2 kg。
本研究设计十组配合比，其编号如下：
①0②D③DA④DB⑤DC⑥DE⑦DF⑧DAF⑨DBF⑩DEF
其中：0表示普通水泥混凝土；A表示钢纤维；B表示塑钢纤维；C表示聚丙烯网状纤维；D表示橡胶；E聚乙烯醇纤维；F表示聚丙烯纤维。如，DA表示每立方米掺有60kg钢纤维的橡胶混凝土。
1.3试验步骤
预先将橡胶粉与水泥搅拌均匀，再将砂子、石子、水泥胶粉拌合物干拌15s；加入纤维，搅拌60s；然后加入水，不停顿搅拌120s，停机并出料，然后振捣、成型。试块静置24小时后放入标准养护室（温度为20±2°C，相对湿度95%以上）养护至所需标准龄期后进行性能测试。每组配合比各龄期力学性能值均由三个试块测试。
2.试验结果
2.1坍落度测试
搅拌结束后，立即测量其坍落度，结果如表2.与普通水泥混凝土相比，掺有橡胶集料的混凝土坍落度明显下降。橡胶粉的掺入，增大了混凝土拌合物的屈服值，使其流动性降低。
2.2抗压强度及弹性模量
各组橡胶混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量见表3。橡胶的掺入会降低混凝土的强度，加入纤维会提高混凝土的强度。
橡胶混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度比值介于76-83%，与水泥混凝土相近，说明该比值主要取决于试件尺寸，对橡胶和纤维的掺量影响较小。
注：轴心抗压强度为混凝土28天龄期强度。
弹性模量与立方体抗压的关系如下图2所示。橡胶混凝土的弹性模量和抗压强度的关系可以用线性函数来拟合，该函数在的检验条件下，。线性关系拟合良好。在精确要求较低的情况下，可以用公式来反应弹性模量与强度的关系。
图2 弹性模量与立方体抗压的关系
Fig 2 Relationship of compressive strength and elastic modulus for cube samples
2.3 抗折强度
各组橡胶混凝土抗折强度见表4。与抗压强度结果类似，橡胶集料的掺加会降低混凝土的抗折强度。与橡胶混凝土相比，掺入纤维的橡胶混凝土的抗折强度提高较为明显。3d龄期中，聚丙烯网状纤维使橡胶混凝土的强度提高17﹪，效果最为明显。28d龄期中，聚乙烯醇纤维-橡胶混凝土的抗折强度达到6.26MPa，比普通橡胶混凝土提高14.4﹪，基本接近普通水泥混凝土抗折强度。
2.4 劈裂强度
各组橡胶混凝土抗折强度见表5。普通水泥混凝土在达到极限劈裂荷载时，会突然断裂成两半，并伴随响亮的断裂声，呈现出很强的脆性。掺入橡胶后，试件承压中轴面会出现裂缝，但不会断裂成两半，仍然能保持完整。纤维的掺入能进一步减少试件表面的裂缝。
纤维的加入对橡胶集料混凝土的早期劈裂强度无明显提高作用，甚至出现降低的情况。橡胶混凝土的拉压比比普通水泥混凝土有明显提高，在同强度等级混凝土中，橡胶混凝土具有较大的延性。
2.5 破坏形态及抗裂性能
立方体抗压试验中，普通水泥混凝土随着荷载的增大，裂缝首先在试件上端和下端的角部出现，逐渐向中间发展，形成较长的裂缝。而纤维橡胶混凝土在整个加载过程中几乎观察不到裂缝，只有在达到极限荷载时才出现微小裂缝。试件在极限荷载出现后还能承受较长时间的荷载，破坏时只在端面出现轻微破损。与普通水泥混凝土正倒相连的四角锥破坏形态相比，纤维橡胶能有效改善混凝土的抗裂性能。
部分试块在极限荷载下的开裂情况见图3。各组试块在立方体抗压试验中出现第一条裂缝的强度值见表6。
抗折试验中，普通水泥混凝土，随着荷载的增大，达到约80%极限荷载时，试件底部开始出现裂缝，并向上延伸，接近极限荷载时，试件迅速崩坏。加入橡胶后，试件的裂缝并未贯穿，但基本已接近承压上表面。纤维橡胶混凝土的裂缝延伸为非直线型，裂缝宽度比橡胶混凝土小，裂缝延伸长度较短。橡胶的掺入延迟了混凝土在受荷载作用下的开裂时间，这是因为橡胶的掺入增大了混凝土的柔性，混凝土的受力更加均匀分散 [5]。
图3 水泥混凝土，橡胶混凝土，钢纤维-橡胶混凝土，聚乙烯醇纤维-橡胶混凝土极限荷载下的破坏情况
Fig 3 Major cracks at ultimate load of rubberized concrete；steel fiber- rubberized concrete；polyvinyl alcohol- rubberized concrete
3结论
1.橡胶颗粒和纤维的掺入会降低混凝土的流动性，大尺度纤维的影响效果较明显，丝状纤维影响较小。
2.橡胶集料的掺入会降低混凝土的强度，但能显著改善混凝土的延性，避免出现脆性破坏。
3.纤维有利于改善橡胶混凝土抗压，抗劈裂和抗折强度。钢纤维整体改善效果最好，其他丝状纤维，均具有一定的改善效果，特别是对混凝土的抗折和抗劈裂强度提高能达到或优于钢纤维。
4.纤维和橡胶集料能提高混凝土折压比及拉压比。纤维的掺入可以明显改善橡胶混凝土的抗裂性能，钢纤维对混凝土的改善效果最明显。
参考文献
[1] 陈胜霞，张亚梅，罗天岚，卫春花，陆进.橡胶颗粒细度、掺量及成型工艺对橡胶混凝土抗冻性能的影响[J].工业建筑.2013（43）：617-621
[2] 冯文贤，刘锋，郑万虎，李丽娟.橡胶混凝土疲劳性能的试验研究[J].建筑材料学报.2013（4）：469-473
[3] 冯凌云，袁群，杨卫坤，翟敬栓，袁宾.橡胶混凝土抗渗性能试验研究[J].人民黄河.2011（9）：125-127
[4] 李燕飞，杨健辉，丁鹏，赵红兵.混杂纤维混凝土力学性能研究[J].玻璃钢/复合材料.2013（2）：60-64
[5] 杨春峰，杨敏.废旧橡胶混凝土力学性能研究进展[J].混凝土，2011（12）：98-100
论文作者:刘涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/23
标签：混凝土论文; 橡胶论文; 纤维论文; 强度论文; 荷载论文; 抗压强度论文; 水泥论文; 《建筑学研究前沿》2017年第24期论文;