2023, Vol. 46
表1(Table 1)
2. 福建工程学院 土木工程学院, 福州 350118
2. School of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, P. R. China
由于废旧橡胶在自然条件下是一种难以降解的高分子材料，肆意堆放将破坏生态环境，构成严重的“黑色污染”，寻求废旧橡胶的无害化处理迫在眉睫。自20世纪90年代起，许多发达国家为了处理日益增多的废旧橡胶轮胎，将其磨成橡胶粉或颗粒，再与水泥混凝土混合，制成橡胶混凝土，形成一种新型环保的土木工程材料。研究表明，在混凝土中掺入橡胶集料，能改善混凝土的性能使其具有轻质高弹、耐磨减震、冲击韧性高、抗裂性好等优点[1-4]，但掺入橡胶集料会导致混凝土强度降低的问题阻碍了橡胶混凝土在工程实践中的应用[5-8]。钢纤维对混凝土具有阻裂、增强增韧的作用[9-11]，通过在橡胶混凝土中掺入适量的钢纤维，可以提高橡胶混凝土的抗裂性能和强度，提高其工程运用的可行性，尤其是在道路工程中的运用。目前，已有研究针对橡胶掺量和钢纤维掺量，进行钢纤维橡胶混凝土的抗压、抗折以及轴心受压应力-应变关系研究，结果表明，掺入钢纤维能改善橡胶混凝土强度低的问题，还能进一步提高混凝土的韧性[12-16]。
自密实混凝土具有免振捣或少振捣的特点，可以克服橡胶颗粒上浮的现象，但对于钢纤维橡胶自密实混凝土的研究尚较为少见。以普通自密实混凝土为基础，通过等体积替代砂率分别掺入10%、20%、30%的橡胶颗粒及外掺体积率分别为0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维，配制出钢纤维橡胶自密实混凝土。通过对试件进行静态轴心抗压试验，根据试件破坏现象进行了观测和分析，得到钢纤维橡胶自密实混凝土的应力应变曲线，研究了钢纤维和橡胶颗粒的掺量对其力学性能的影响，最后提出钢纤维橡胶自密实混凝土轴心抗压的本构关系。
1 试验概况 1.1 原材料水泥：选用强度等级为P.O.42.5健福牌普通硅酸盐水泥，密度为3.1 g/cm3；中砂，表观密度为2.65 g/cm3；粒径9~15 mm的反击破碎石，密度为2.75 g/cm3；Ⅱ级粉煤灰，表观密度为2.35 g/cm3；废旧橡胶轮胎切割橡胶颗粒，粒径为1~2 mm，如图 1(a)所示；矩形、剪切波浪形钢纤维，如图 1(b)所示；聚羧酸高效减水剂，密度1.1 g/cm3。
|
图 1 橡胶与钢纤维材料 Fig. 1 Rubber powder and steel fiber |
根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)[17]与《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)[18]，确定强度等级为C50的基准自密实混凝土配合比。保持粉煤灰、水泥、石子、水灰比不变的基础上，将NaOH浸泡后橡胶颗粒等体积取代砂子，替代率分别为10%、20%、30%，同时外掺体积率分别为0.5%、1%、1.5%的剪切波浪型钢纤维，并略微调整减水剂用量至钢纤维橡胶自密实混凝土的流动性良好。为确保橡胶颗粒和钢纤维的均匀性，先将砂子、橡胶颗粒、钢纤维、水泥、石子、水泥、粉煤灰依次倒入双轴搅拌机干拌，搅拌时间为60 s；将减水剂融入水中，搅拌中均匀缓慢的加入，加水完成后最后再搅拌120 s。设计16组，每组3个试件共计48个150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体进行轴心抗压试验，留设150 mm×150 mm×150 mm立方体试件确定自密实混凝土强度等级，各组配合比如表 1所示。
|
表 1 各组试件配合比 Table 1 Mix ratio of each group of specimens |
采用万测公司生产的HCT306B微机控制电液伺服压力试验机进行加载，先以1 kN/s的速度加载至峰值荷载预测值的80%后，再以0.1 mm/min的速度位移控制加载方式加载直至试验结束。
2 试验结果及分析 2.1 应力-应变曲线各棱柱体试件28 d轴心受压应力-应变曲线如图 2所示，每组试件的3个相同试件测得的应力-应变曲线较为接近，离散性较小，说明试验数据是可靠的。可以看出，各组试件的应力-应变曲线在形状上较为相似，包含了弹性段、裂缝开展段、下降段；随着橡胶的掺量的增加，应力-应变曲线的峰值应力明显降低，随着钢纤维的掺入曲线下降段也有变缓和变长的趋势。各组试件应力-应变曲线典型特征量包括峰值应力及其对应的峰值应变、弹性模量如表 1所示。
|
图 2 钢纤维橡胶自密实混凝土应力-应变曲线 Fig. 2 Stress-strain curve of steel fiber rubber self-compacting concrete |
各试件加载过程中破坏现象总体较为相似。在加载初期混凝土试件表面未产生裂纹；荷载达到峰值荷载80%时，混凝土试件表面有少量混凝土碎屑剥落，但未出现明显的裂缝；超过峰值应力后，裂纹首先在接近混凝土试件中央的部位出现，伴随着明显的劈裂声后裂纹以“八字形”迅速向混凝土试件的四个角端蔓延，混凝土试件中部出现向外鼓胀的现象，裂缝的宽度逐渐增加，混凝土试件碎块部分向外剥落，斜裂纹贯穿整个截面，最终形成“X”型破坏形态。图 3给出了典型的破坏形态。
|
图 3 试件的典型破坏形态 Fig. 3 Typical failure mode of the specimen |
普通自密实混凝土棱柱体试件脆性破坏较明显，如图 3(a)所示，以SCC50为例，除了“八字形”的裂纹外，混凝土棱柱体试件边缘出现了较长的从上到下的近乎贯通的大裂缝，强度下降迅速，除了明显的裂缝数量的增多，宽度的增大外，迅速出现“八字形”及上下贯通形的裂纹，且破坏时伴随较大的崩裂声。
与普通自密实混凝土相比，钢纤维自密实混凝土的破坏形式由脆性破坏转变为近似延性破坏的形式，如图 3(b)所示。以SF0.5为例，钢纤维自密实混凝土的弹性阶段较长；破坏阶段，无明显的崩裂声，裂纹出现较晚，有较少的细小裂纹，且在裂纹扩展速度方面明显要比普通自密实混凝土缓慢；破坏后，试件表面的裂缝数量较多但未完全断裂，且无碎块，混凝土试件基本上保持原来的外形，只呈现较少的脱皮现象。
橡胶自密实混凝土棱柱体试件相较于基准自密实混凝土棱柱体试件，混凝土试件表面裂纹较多，试件的完整性较好，如图 3(c)所示。以RR10为例，橡胶自密实混凝土试件的强度较普通自密实混凝土试件明显降低，随着加载的进行，混凝土试件表面的竖向细小裂纹数量明显增多，当达到峰值荷载后，裂纹由于橡胶的存在无法贯通，但“八字形”主裂纹弧度较大，随着橡胶掺量及粒径的增加，这种现象更为明显，表现出与普通自密实混凝土不同的破坏模式。
钢纤维橡胶自密实混凝土试件破坏形式如图 3(d)所示。以SF0.5-RR10为例，相较于普通自密实混凝土试件，钢纤维橡胶自密实混凝土试件的破坏呈现延性破坏的同时，其完整性也较好。此外，在峰值荷载以前，混凝土试件表面对角线部位出现细小裂纹，当达到峰值荷载后，裂纹也主要集中于对角线区域，且出现脱皮现象，由于内部钢纤维的拉力作用，无贯通性裂纹。
2.2.2 各因素对自密实混凝土轴心抗压强度的影响1) 橡胶掺量对自密实混凝土轴心抗压强度的影响
图 4为橡胶掺量对自密实混凝土轴心抗压强度的影响。随着橡胶掺量的增加(0%~30%)，轴心抗压强度呈逐渐降低的趋势。在钢纤维掺量为0.5%情况下掺入10%、20%、30%橡胶时，试件轴心抗压强度分别减少了29.4%、43.1%和49.2%；在钢纤维掺量为1.0%情况下掺入10%、20%、30%橡胶时，试件的轴心抗压强度分别减少了21.4%、47.8%、49.8%；在钢纤维掺量为1.5%情况下掺入10%、20%、30%橡胶时，试件轴心抗压强度分别减少了32.3%、52.7%、57.6%。普通自密实混凝土橡胶掺量在20%、30%时，橡胶自密实混凝土试件的轴心抗压降低了41.2%、39.1%。综上所述，当橡胶掺量为20%、30%时，试件的轴心抗压强度下降幅度均较大，而当橡胶掺量为10%时，试件的轴心抗压强度下降幅度较小。
|
图 4 橡胶掺量对试件轴心抗压强度的影响 Fig. 4 The influence of rubber content on the axial compressive strength of the specimen |
2) 钢纤维掺量对自密实混凝土轴心抗压强度的影响
图 5为钢纤维掺量对橡胶钢纤维自密实混凝土的影响。在基准普通自密实混凝土中分别加入0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维，试件轴心抗压强度较普通自密实混凝土试件分别提高了5.6%、8.9%、18.2%，呈现随着钢纤维掺量逐渐增加而增大的趋势；在橡胶掺量为10%情况下掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后，试件轴心抗压强度分别增长了12.4%、26.2%、21.0%，呈现随着钢纤维掺量的增加，轴心抗压强度先增大后减小的趋势，其中在试验范围内钢纤维掺量为1.0%时，轴心抗压强度达到最大值为39.67 MPa；在橡胶掺量为20%情况下掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后，试件轴心抗压强度变化程度不明显，分别为26.9、26.34、25.87 MPa；在橡胶掺量为30%情况下掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后，轴心抗压强度出现了一定程度的下降，分别为12.2%、9.2%、15.4%。综上所述，在普通自密实混凝土及橡胶掺量较少(10%)的自密实混凝土中加入钢纤维时，试件的轴心抗压强度有所提高，但当自密实混凝土中的橡胶掺量较高时(20%、30%)，钢纤维对橡胶自密实混凝土轴心抗压强度无明显的增强效果，甚至会出现小幅下降的现象。
|
图 5 钢纤维掺量对试件轴心抗压强度的影响 Fig. 5 The influence of steel fiber content on the axial compressive strength of the specimen |
1) 橡胶掺量对橡胶自密实混凝土弹性模量的影响
图 6为橡胶掺量对钢纤维橡胶自密实混凝土的弹性模量的影响。可以看出，随着橡胶掺量的逐渐增加，钢纤维橡胶自密实混凝土的弹性模量基本呈现逐渐减小的趋势。仅橡胶掺量为0%、10%、20%、30%时的弹性模量分别为3.48×104、2.36×104、2.52×104、1.89×104 MPa；钢纤维掺量为0.5%，橡胶掺量为0%、10%、20%、30%时，试件弹性模量分别为3.17×104、2.02×104、2.12×104、1.87×104 MPa；钢纤维掺量为1.0%，橡胶掺量为0%、10%、20%、30%时，试件弹性模量分别为2.2×104、2.02×104、1.98×104、1.85×104 MPa；钢纤维掺量为1.5%，橡胶掺量为0%、10%、20%、30%时，试件的弹性模量分别为2.7×104、2.87×104、1.95×104、1.78×104 MPa。综上所述，无论普通自密实混凝土还是钢纤维自密实混凝土，橡胶的掺入使试件的弹性模量有明显的减小，而随着橡胶掺量的增多，各试件的弹性模量逐渐降低。
|
图 6 橡胶掺量对试件弹性模量的影响 Fig. 6 Effect of rubber content on the elastic modulus of the specimen |
2) 钢纤维掺量对自密实混凝土弹性模量的影响
图 7为钢纤维掺量对钢纤维橡胶自密实混凝土的弹性模量的影响。当普通自密实混凝土中掺入0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的弹性模量较普通自密实混凝土降低了8.9%、36.8%、22.4%；当在掺量为10%的橡胶自密实混凝土中掺入0.5%、1.0%的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了14.4%；14.4%，当加入钢纤维掺量为1.5%时，试件的弹性模量增加了17.7%，呈现先减小后增大的趋势；当在掺量为20%的橡胶自密实混凝土中掺入0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了15.9%、21.4%、22.6%；当在掺量为30%的橡胶自密实混凝土中掺入0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了1.1%、2.1%、5.8%。综上所述，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的弹性模量总体上呈降低的趋势，但降低的幅度有减小的趋势。
|
图 7 钢纤维掺量对试件弹性模量的影响 Fig. 7 Effect of steel fiber content on the elastic modulus of the specimen |
1) 橡胶掺量对自密实混凝土峰值应变的影响
图 8为橡胶掺量对钢纤维橡胶自密实混凝土峰值应变的影响规律图。当自密实混凝土中掺入10%、20%、30%橡胶时，橡胶自密实混凝土的峰值应变较基准自密实混凝土分别增加了14.4%、8.2%、1.1%，呈现先随橡胶掺量的增加先增大后减小的趋势，在试验范围内，当掺入10%橡胶时，峰值应变达到最大值，为2 318.65 με。在钢纤维掺量为0.5%的情况下，随橡胶掺量的增加钢纤维橡胶自密实混凝土的峰值应变呈现先增大后减小的趋势，当掺入10%的橡胶时，峰值应变增加了1.96%，当掺入20%、30%橡胶后分别减小了20.6%、12.7%，在掺入10%橡胶时，峰值应变达到最大值2 521.18 με；在钢纤维掺量为1.0%情况下掺入10%、20%、30%橡胶时，钢纤维橡胶自密实混凝土的峰值应变较基准钢纤维自密实混凝土分别增加了13.5%、8.5%、2.4%，呈现先随橡胶掺量的增加先增大后减小的趋势，在试验范围内，当掺入10%橡胶时，峰值应变达到最大值，为2 471.18 με；在钢纤维掺量为1.5%情况下掺入10%、20%、30%橡胶时，钢纤维橡胶自密实混凝土的峰值应变较基准钢纤维自密实混凝土分别增加了7.49%、10%、10.3%，呈现逐渐增大的趋势，峰值应变最大为2 453.45 με。可以看出，橡胶的掺入总体上提高了钢纤维自密实混凝土的峰值应变。
|
图 8 橡胶掺量对试件峰值应变的影响 Fig. 8 Effect of rubber content onthe peak strain of the specimen |
2) 钢纤维掺量对自密实混凝土峰值应变的影响
图 9为钢纤维掺量对钢纤维橡胶自密实混凝土的峰值应变的影响规律图。当在普通自密实混凝土中掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的峰值应变分别为1 983.78、2 471.85、2 137.38、2 200.52 με；当在10%掺量橡胶自密实混凝土中掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的峰值应变分别为2 318.65、2 521.18、2 471.18、2 259.21 με；当在20%掺量橡胶自密实混凝土中掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的峰值应变分别为2 160.92、1 960.67、2 335.4、2 445.45 με；当在30%掺量橡胶自密实混凝土中掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维时，试件的峰值应变分别为1 985.42、2 158.97、2 190.18、2 453.45 με。可以看出，钢纤维的掺入量对钢纤维橡胶混凝土的峰值应变普遍有增强的效果，但没有呈现出明显的规律性。
|
图 9 钢纤维掺量对试件峰值应变的影响 Fig. 9 Effect of steel fiber content on the peak strain of the specimen |
目前，关于混凝土受压应力-应变关系的形式较多，其中文献[16]提出的分段式应力-应变关系如式(2)~式(4)所示，是现行混凝土结构设计规范所采用的形式。
| x=ε/εc,y=σ/fc, | (2) |
| 上升段 y=ax+(3−2a)x2+(a−2)x3, | (3) |
| 下降段: y=x/[b(x−1)2+x]。 | (4) |
根据各试验结果进行统计分析，获得式(2)~式(4)中各参数的解析表达式如下
| a=1.5,b=7e−3.3ρr(1+3.3ρs), | (5) |
| fc=fc0e−2.2ρr(1+3.3ρs), | (6) |
| εc=2000(fc/30)0.2⋅(1+15ρs), | (7) |
式中：ρr为橡胶掺量，其掺量适用范围为0~30%；ρs为钢纤维掺量，其掺量适用范围为0~1.5%；fc0为基准自密实混凝土棱柱体抗压强度。由预算公式计算的曲线如图 2所示，预测曲线与试验曲线总体上吻合良好。
3 结论1) 钢纤维橡胶自密实混凝土试件的破坏呈现出延性特征，破坏的同时完整性也较好，虽出现脱皮现象，但没有出现贯通性裂纹。
2) 随着橡胶掺量的提高，试件轴心抗压强度逐渐降低，当橡胶的掺入量为20%、30%时，无论是普通自密实混凝土还是各掺量的钢纤维自密实混凝土的轴心抗压强度下降幅度均较大，而当橡胶掺量为10%时，各试件的轴心抗压强度下降较小。
3) 在橡胶掺量较少(10%)的自密实混凝土中加入钢纤维时，试件的轴心抗压强度有少量的提高，随着钢纤维掺量的提高，强度也逐渐增大，但当橡胶掺量较高时(20%、30%)，钢纤维对橡胶自密实混凝土轴心抗压强度无明显的增强效果，甚至会出现较小的下降现象。
4) 随着橡胶掺量的增多，各试件的弹性模量逐渐降低；钢纤维的掺入降低了普通自密实混凝土的弹性模量，但随着钢纤维掺量提高，弹性模量降低幅度减小。
5) 橡胶的掺入提高了自密实混凝土的峰值应变，在试验范围内当橡胶掺量为10%时，峰值应变的增加量最大，峰值应变的最大增大量在10%；钢纤维的掺入量对钢纤维橡胶混凝土的峰值应变普遍有增强的效果。
6) 建立的钢纤维橡胶自密实混凝土受压应力-应变曲线计算公式所得曲线与实测曲线吻合较好。
| [1] |
Copetti C M. Evaluation of tire rubber surface pre-treatment and silica fume on physical-mechanical behavior and microstructural properties of concrete[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 256: 120670. DOI:10.1016/j.jclepro.2020.120670 |
| [2] |
亢景付, 任海波, 张平祖. 橡胶混凝土的抗裂性能和弯曲变形性能[J]. 复合材料学报, 2006, 23(6): 158-162. Kang J F, Ren H B, Zhang P Z. Cracking-resistance and flexural property of rubberized concrete[J]. ActaMateriae Compositae Sinica, 2006, 23(6): 158-162. (in Chinese) DOI:10.3321/j.issn:1000-3851.2006.06.026 |
| [3] |
Xue J. Rubberized concrete: a green structural material with enhanced energy-dissipation capability[J]. Construction and Building Materials, 2013, 42: 196-204. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2013.01.005 |
| [4] |
郝贠洪, 樊磊, 韩燕, 等. 冲击荷载作用下橡胶混凝土的损伤研究[J]. 振动与冲击, 2019, 38(17): 73-80. Hao Y H, Fan L, Han Y, et al. Damage of rubber concrete under impact loads[J]. Journal of Vibration and Shock, 2019, 38(17): 73-80. (in Chinese) |
| [5] |
Gupta T. Impact resistance of concrete containing waste rubber fiber and silica fume[J]. International Journal of Impact Engineering, 2015, 83: 76-87. DOI:10.1016/j.ijimpeng.2015.05.002 |
| [6] |
AbdelAleem B H, Ismail M K, Hassan A A A. Properties of self-consolidating rubberised concrete reinforced with synthetic fibres[J]. Magazine of Concrete Research, 2017, 69(10): 526-540. DOI:10.1680/jmacr.16.00433 |
| [7] |
Topçu I B. The properties of rubberized concretes[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(2): 304-310. DOI:10.1016/0008-8846(95)00014-3 |
| [8] |
王德奎. 橡胶自密实混凝土性能分析及质量控制[D]. 福州: 福建工程学院, 2018. Wang D K. Performance analysis and quality control of rubber self-compacting concrete[D]. Fuzhou: Fujian Institute of Technology, 2018. (in Chinese) |
| [9] |
白敏, 牛荻涛, 姜磊, 等. 钢纤维改善混凝土力学性能和微观结构的研究[J]. 硅酸盐通报, 2013, 32(10): 2084-2089. Bai M, Niu D T, Jiang L, et al. Research on improving the mechanical properties and microstructure of concrete with steel fiber[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2013, 32(10): 2084-2089. (in Chinese) |
| [10] |
薛刚, 侯帅, 牛建刚. 塑钢纤维橡胶混凝土路用性能试验研究[J]. 建筑结构, 2019, 49(12): 98-102, 108. Xue G, Hou S, Niu J G. Experimental research on pavement performance of rubber concrete incorporated with plastic-steel fiber[J]. Building Structure, 2019, 49(12): 98-102, 108. (in Chinese) |
| [11] |
王怀亮. 钢纤维高性能轻骨料混凝土多轴强度和变形特性研究[J]. 工程力学, 2019, 36(8): 122-132. Wang H L. Strength and deformation properties of high performance steel fiber reinforced lightweight concrete under multiaxial compression[J]. Engineering Mechanics, 2019, 36(8): 122-132. (in Chinese) |
| [12] |
Kang W H, Ramesh R B, Mirza O, et al. Reliability based design of RC beams with recycled aggregate and steel fibres[J]. Structures, 2017, 11: 135-145. DOI:10.1016/j.istruc.2017.05.002 |
| [13] |
Ismail M K, Hassan A A. Shear behaviour of large-scale rubberized concrete beams reinforced with steel fibres[J]. Construction and Building Materials, 2017, 140: 43-57. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2017.02.109 |
| [14] |
李小慧. 纤维橡胶混凝土基本力学及耐久性能研究[J]. 建筑科学, 2016, 32(7): 118-122, 137. Li X H. Research on mechanical properties and durability of fiber-rubber concrete[J]. Building Science, 2016, 32(7): 118-122, 137. (in Chinese) |
| [15] |
彭焜, 周金枝, 吴维熙. 钢纤维掺量对橡胶混凝土力学性能影响[J]. 湖北工业大学学报, 2019, 34(5): 118-120. Peng K, Zhou J Z, Wu W X. Effect of steel fiber content on mechanical properties of rubber concrete[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2019, 34(5): 118-120. (in Chinese) |
| [16] |
薛刚, 武春风, 胡小龙. 塑钢纤维-橡胶混凝土应力-应变关系试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2016, 35(11): 3796-3802. Xue G, Wu C F, Hu X L. Experiment study on stress-strain relationship of plastic fiber reinforced concrete rubber[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2016, 35(11): 3796-3802. (in Chinese) |
| [17] |
中华人民共和国住房和城乡建设部. 自密实混凝土应用技术规程: JGJ/T283-2012[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical regulations for the application of self-compacting concrete: JGJ/T283-2012[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2012. (in Chinese) |
| [18] |
中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土配合比设计规程: JGJ55-2011[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Design specification for ordinary concrete mixture: JGJ55-2011[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese) |