鋼纖維橡膠混凝土力學(xué)性能分析

李征

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450000）

水泥混凝土作為建筑行業(yè)的傳統(tǒng)材料,具有取材容易,可模性好,耐久性好,抗壓強(qiáng)度高等一系列優(yōu)勢(shì),因此在建筑行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。但是,水泥混凝土也具有抗拉強(qiáng)度低,自重大等明顯的缺點(diǎn)。強(qiáng)度越高脆性表現(xiàn)得越明顯,抵抗突發(fā)荷載和疲勞沖擊荷載的能力越低, 混凝土高強(qiáng)化與高脆化的矛盾限制了普通混凝土的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)已經(jīng)成為世界廢橡膠產(chǎn)生量最大的國(guó)家之一,廢舊橡膠最主要的來(lái)源就是廢舊輪胎,據(jù)統(tǒng)計(jì),在全球范圍內(nèi)每年產(chǎn)生近15 億條廢棄輪胎,且速度在不斷增長(zhǎng)[1]。橡膠是一種在自然條件下難以分解的高分子彈性材料,它不溶于水,難溶于有機(jī)溶劑,且不易腐爛,按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行處理,費(fèi)用昂貴。在當(dāng)今世界各國(guó)提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保社會(huì)的環(huán)境下,如何合理有效地回收廢棄輪胎并將之變廢為寶已成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。橡膠具有較好的彈性,可塑性好,耐磨性強(qiáng),耐久性及阻尼性好等特點(diǎn),因此在改善混凝土性能的研究中,研究者發(fā)現(xiàn)將橡膠顆粒做為骨料摻入混凝土不僅可以消耗大量的廢棄橡膠,為橡膠廢棄物的處理提供合理選擇,而且具有改善混凝土耐磨性、抗?jié)B性并降低混凝土密度等優(yōu)點(diǎn)。 若將橡膠顆粒部分替代細(xì)骨料摻入到混凝土中,橡膠顆粒的摻入可增強(qiáng)混凝土的能量吸收能力,使其高脆性得到改善,延性得到提高。橡膠混凝土在抗沖擊韌性、抗疲勞開(kāi)裂、抗凍、抗沖刷及降噪隔音等方面均優(yōu)于普通混凝土。但研究也發(fā)現(xiàn)：橡膠混凝上的抗壓強(qiáng)度、抗裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度會(huì)因?yàn)橄鹉z顆粒的加入而降低[2-4],并會(huì)隨著橡膠顆粒摻量的增加而急劇下降,從而影響了橡膠混凝上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。若將鋼纖維摻到橡膠混凝土中,則能發(fā)揮鋼纖維對(duì)混凝上的阻裂、增強(qiáng)、增韌作用,改善由于橡膠顆粒的摻入所帶來(lái)的混凝土抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低的問(wèn)題,進(jìn)一步提高橡膠混凝土的抗沖擊和抗疲勞性能[5-8]。中國(guó)工程院院士吳中偉教授認(rèn)為：復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑,纖維增強(qiáng)是其核心[9]。鋼纖維橡膠混凝土將發(fā)揮復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)的疊加效應(yīng), 進(jìn)一步提高橡膠混凝土的力學(xué)性能,特別是其抗疲勞和抗沖擊性能,使再生橡膠混凝土這種新型的綠色環(huán)保建筑材料能夠得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。本文針對(duì)以上情況分析在橡膠混凝土中摻入鋼纖維,對(duì)比分析鋼纖維混凝土和橡膠混凝土的力學(xué)性能差異化的主要原因。

1 工作性能

混凝土的工作性能是指新拌水泥混凝土易于各工序施工操作(攪拌、運(yùn)輸、澆注、搗實(shí)等)并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能,其含義包含流動(dòng)性、粘聚性及保水性。橡膠混凝土的工作性能主要受橡膠顆粒的摻量,橡膠顆粒的大小以及表面粗糙程度的影響。橡膠顆粒的加入會(huì)明顯影響混凝土的工作性能,隨著橡膠顆粒摻量的增加,混凝土的塌落度會(huì)降低,當(dāng)橡膠摻量低于10%時(shí),混凝土的塌落度下降幅度較小,當(dāng)橡膠摻量大于10%時(shí),混凝土的塌落度下降明顯,當(dāng)橡膠摻量達(dá)到45%左右時(shí),橡膠混凝土的塌落度幾乎為零。橡膠顆粒具有更大的比表面積,橡膠顆粒的摻加,導(dǎo)致骨料的總表面積增大,致使骨料表面附著的水泥漿減少,從而導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性降低。在橡膠混凝土中摻入鋼纖維,隨著鋼纖維摻量的增多,混凝土的塌落度大幅度下降,這是由于鋼纖維在混凝土中相當(dāng)于短的小細(xì)鋼筋,鋼纖維的支蓬作用,大大影響了混凝土的流動(dòng)性。

2 力學(xué)性能

2.1 鋼纖維的摻入對(duì)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度影響的分析?；炷恋目箟簭?qiáng)度研究包括立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度, 研究表明,隨著橡膠顆粒的摻加,導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能發(fā)生了降低。主要原因如下：(1)在橡膠混凝土中,混凝土拌合物為無(wú)機(jī)材料,而橡膠顆粒為有機(jī)材料,兩者的物理和化學(xué)性質(zhì)存著較大差異,相容性較差,橡膠混凝土在受壓時(shí),兩者共同作用的機(jī)理相互影響,導(dǎo)致抗壓能力下降。(2)橡膠顆粒作為有機(jī)憎水材料,在橡膠混凝土中橡膠顆粒與水泥砂漿的粘結(jié)作用相對(duì)薄弱,在橡膠混凝土在受壓時(shí),很容易在這些薄弱面產(chǎn)生裂縫,進(jìn)而發(fā)生破壞。同時(shí),橡膠顆粒的強(qiáng)度低,橡膠顆粒的存在也增加了混凝土薄弱點(diǎn),因此導(dǎo)致其抗壓能力降低。(3)在橡膠混凝土的硬化過(guò)程中,由于水泥水化造成的化學(xué)收縮和物理收縮引起砂漿體積的變化,在橡膠顆粒與砂漿界面上產(chǎn)生了分布不均勻的拉應(yīng)力,它足以破壞橡膠顆粒與砂漿的界面,形成許多分布很亂的界面微裂縫,這些裂縫的存在也會(huì)導(dǎo)致橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度變?nèi)酢?4)橡膠顆粒的親水性較差,在橡膠混凝土成型的過(guò)程中,在橡膠顆粒的表面很容易吸附小氣泡,使其孔隙率變大,進(jìn)一步導(dǎo)致橡膠顆粒和水泥砂漿的結(jié)合面薄弱。(5)橡膠顆粒的密度較小,在橡膠混凝土的制備過(guò)程中,尤其是振實(shí)這一環(huán)節(jié),隨著振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng),橡膠顆粒會(huì)向上游走的微小移動(dòng),容易在橡膠顆粒的下表面形成空隙,在橡膠混凝土受壓時(shí),這些微小裂縫和空隙容易發(fā)展和貫連,進(jìn)而形成宏觀裂縫,使橡膠混凝土的更早的發(fā)生破壞,失去承壓能力。在橡膠混凝土中加入鋼纖維,能夠一定程度上增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。究其原因,我們發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是普通混凝土還是橡膠混凝土在其硬化成型的過(guò)程中由于各種各樣的原因不可避免的形成了微裂紋、氣泡、孔穴,混凝土的破壞正是由潛在的各種缺陷引起的,其破壞過(guò)程實(shí)際上就是微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通,直到產(chǎn)生宏觀裂紋,導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破裂的過(guò)程。而鋼纖維的存在,一定程度上延緩了這一過(guò)程。具體原因有：(1)在混凝土試塊受力時(shí),裂縫尖端的應(yīng)力集中,由于鋼纖維的存在,鋼纖維將這部分應(yīng)力傳遞給裂縫兩側(cè)的混凝土,從而緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象的加劇,減緩了試塊破壞的進(jìn)程。(2)在試塊受壓裂縫發(fā)展的過(guò)程中,由于鋼纖維的存在,雜亂無(wú)章分布的鋼纖維在混凝土基體內(nèi)起到橋連抗拉的作用, 延緩微觀裂縫的發(fā)展和變大,減緩了宏觀裂縫的產(chǎn)生和貫通,從而提高了承載力。(3)鋼纖維的摻入也使混凝土的密實(shí)度提高,孔隙率下降,鋼纖維與鋼纖維之間嵌套著混凝土材料,會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于套箍作用,將骨料緊緊包裹纏繞,這在一定程度上使試塊的抗壓能力得到提升。

2.2 鋼纖維的摻入對(duì)橡膠混凝土抗拉抗折強(qiáng)度影響的分析?；炷恋目估拐蹚?qiáng)度研究包括立方體劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,研究表明,隨著橡膠顆粒的摻加,導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能發(fā)生了降低。主要原因如下：(1)橡膠顆粒本身是一種低強(qiáng)度的材料,在混凝土中摻入橡膠顆粒,對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)相當(dāng)于引入了軟弱的內(nèi)部結(jié)構(gòu),形成了內(nèi)部軟弱點(diǎn),導(dǎo)致了立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的下降。(2)橡膠顆粒作為有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料混凝土之間的粘結(jié)作用并不好,兩者之間形成薄弱的粘結(jié)面,在橡膠混凝土受力時(shí)極易開(kāi)裂,從而導(dǎo)致立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。(3)橡膠顆粒作為憎水材料,在橡膠混凝土的制備成型過(guò)程中容易在橡膠表面吸附小氣泡,在橡膠混凝土硬化后這些小氣泡導(dǎo)致了在橡膠混凝土承受拉應(yīng)力時(shí)的有效面積減少,進(jìn)一步導(dǎo)致橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。在橡膠混凝土中加入鋼纖維,能夠明顯增強(qiáng)混凝土的抗拉和抗折強(qiáng)度。主要原因如下：(1)鋼纖維橡膠混凝土作為一個(gè)多相材料,鋼纖維的摻入相當(dāng)于在其內(nèi)部加入了小的細(xì)短鋼筋, 而且在橡膠混凝土內(nèi)部無(wú)序的分布,形成一個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò),起到了很好的橋連抗拉的作用,有效的阻礙了混凝土中裂縫的發(fā)展。(2)鋼纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土的抗拉強(qiáng)度,也能夠提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。而且在鋼纖維橡膠混凝土受拉受折時(shí),部分的鋼纖維被拔出,消耗了一部分能量。(3)當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫以后,鋼纖維的存在拉結(jié)著裂縫兩側(cè)的基體,能夠使兩側(cè)的基體的應(yīng)力相互傳遞,發(fā)揮了降低裂縫尖端應(yīng)力的作用。

3 結(jié)論

普通混凝土的強(qiáng)度高,但是塑性差,在普通混凝土中加入橡膠顆粒,能夠改善混凝土的塑性,但是也會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度,我們?cè)僭谙鹉z混凝土中摻入鋼纖維,不僅能能夠彌補(bǔ)因?yàn)橄鹉z的加入導(dǎo)致的強(qiáng)度下降,而且能夠保留橡膠混凝土的塑性。對(duì)于普通混凝土而言,鋼纖維橡膠混凝土能夠改善普通混凝土的塑性,整體性,同時(shí)強(qiáng)度不降低,甚至也得到增強(qiáng),這一特點(diǎn),拓展了混凝土的應(yīng)用場(chǎng)景,為建筑行業(yè)提供了更好的材料和選擇。