钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究_叶建峰.pdf

第 卷第期重 庆 大 学 学 报 年月 ：钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究叶建峰，庄金平，颜桂云，潘晨阳，（福建省土木工程新技术与信息化重点实验室，福州 ；福建工程学院土木工程学院，福州 ）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；福建省高校新世纪人才计划资助项目（）；福建工程学院科研启动基金资助项目（）。（），（），（）作者简介：叶建峰（），男，副教授，硕士，主要从事建筑材料与岩土工程数值分析研究，（）。通信作者：庄金平，男，教授，博士，（）。摘要：钢纤维的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土性能，而针对钢纤维橡胶自密实混凝土的静态力学性能及其本构关系的研究较少。通过在、橡胶颗粒掺量的橡胶自密实混凝土中分别外掺体积掺量为、的钢纤维，制备出钢纤维橡胶自密实混凝土试件，进行棱柱体轴心抗压试验，探讨钢纤维掺量、橡胶颗粒掺量对试件的典型力学特征量的影响，建立钢纤维橡胶自密实混凝土轴心抗压强度的本构关系。结果表明：钢纤维橡胶自密实混凝土试件呈现延性破坏的同时，其完整性也较好；随着橡胶颗粒掺量的提高，试件轴心抗压强度逐渐降低；当钢纤维橡胶自密实混凝土中的橡胶颗粒掺量较高时（、），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；橡胶颗粒的掺入提高了试件的峰值应变，当橡胶颗粒掺量为 时，达到最大值，增长幅度为；不同的钢纤维掺入量对钢纤维橡胶混凝土的峰值应变普遍有增强效果，但没有呈现出明显的规律性；轴心抗压本构关系能反映钢纤维橡胶自密实混凝土力学性能。关键词：钢纤维橡胶自密实混凝土；橡胶颗粒；钢纤维；静态力学性能；轴心抗压强度；本构关系中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（，），（），：；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 世纪 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，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。钢纤维对混凝土具有阻裂、增强增韧的作用，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 。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、的橡胶颗粒及外掺体积率分别为、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。试验概况原材料水泥：选用强度等 级 为 健 福 牌 普 通 硅 酸 盐水 泥，密 度 为 ；中砂，表观 密 度 为 ；粒径 的反击破碎石，密度为 ；级粉煤灰，表观密度为 ；废旧橡胶轮胎切割橡胶颗粒，粒径为，如图（）所示；矩形、剪切波浪形钢纤维，如图（）所示；聚羧酸高效减水剂，密度。第期叶建峰，等：钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究图橡胶与钢纤维材料 试件配制根据 自密实混凝土应用技术规程（）与 普通混凝土配合比设计规程（），确定强度等级为 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 浸泡后橡胶颗粒等体积取代砂子，替代率分别为、，同时外掺体积率分别为 、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；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 。设计 组，每组个试件共计 个 的棱柱体进行轴心抗压试验，留设 立方体试件确定自密实混凝土强度等级，各组配合比如表所示。加载方法采用万测公司生产的 微机控制电液伺服压力试验机进行加载，先以 的速度加载至峰值荷载预测值的 后，再以 的速度位移控制加载方式加载直至试验结束。表各组试件配合比 试件编号材料用量（）水泥粉煤灰水石子砂橡胶钢纤维减水剂峰值应变 峰值应力 弹性模量 注：代表钢纤维；代表橡胶颗粒；和 后的数字代表相应掺量百分比的数字部分，例如，中 表示钢纤维掺量为；代表橡胶掺量为。重 庆 大 学 学 报第 卷试验结果及分析应力 应变曲线各棱柱体试件 轴心受压应力 应变曲线如图所示，每组试件的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、弹性模量如表所示。第期叶建峰，等：钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究重 庆 大 学 学 报第 卷图钢纤维橡胶自密实混凝土应力 应变曲线 试验结果分析试验现象分析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 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“”型破坏形态。图给出了典型的破坏形态。普通自密实混凝土棱柱体试件脆性破坏较明显，如图（）所示，以 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（）所示。以 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（）所示。以 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，裂纹由于橡胶的存第期叶建峰，等：钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究在无法贯通，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（）所示。以 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。图试件的典型破坏形态 各因素对自密实混凝土轴心抗压强度的影响）橡胶掺量对自密实混凝土轴心抗压强度的影响图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（），轴心抗压强度呈逐渐降低的趋势。在钢纤维掺量为情况下掺入、橡胶时，试件轴心抗压强度分别减少了、和；在钢纤维掺量为情况下掺入、橡胶时，试件的轴心抗压强度分别减少了、；在钢纤维掺量为情况下掺入、橡胶时，试件轴心抗压强度分别减少了、。普通自密实混凝土橡胶掺量在、时，橡胶自密实混凝土试件的轴心抗压降低了、。综上所述，当橡胶掺量为、时，试件的轴心抗压强度下降幅度均较大，而当橡胶掺量为 时，试件的轴心抗压强度下降幅度较小。）钢纤维掺量对自密实混凝土轴心抗压强度的影响图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、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、，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 情况下掺入、钢纤维后，试件轴心抗压强度分别增长了 、，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 时，轴心抗压强度达到最大值为 ；在橡胶掺量为 情况下掺入 、钢纤维后，试件轴心抗压强度变化程度不明显，分别为 、；在橡胶掺量为 情况下掺入、钢纤维后，轴心抗压强度出现了一定程度的下降，分别为、。综上所述，在普通自密实混凝土及橡胶掺量较少（）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（、），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。重 庆 大 学 学 报第 卷图橡胶掺量对试件轴心抗压强度的影响 图钢纤维掺量对试件轴心抗压强度的影响 各因素对橡胶混凝土弹性模量的影响）橡胶掺量对橡胶自密实混凝土弹性模量的影响图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、时的弹性模量分别为 、；钢纤维掺量为，橡胶掺量为、时，试件弹性模量分别为 、；钢纤维掺量为，橡胶掺量为、时，试件弹性模量分别为、；钢纤维掺量为，橡胶掺量为、时，试件的弹性模量分别为、。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。）钢纤维掺量对自密实混凝土弹性模量的影响图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、的钢纤维时，试件的弹性模量较普通自密实混凝土降低了、；当在掺量为 的橡胶自密实混凝土中掺入、的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了；，当加入钢纤维掺量为时，试件的弹性模量增加了，呈现先减小后增大的趋势；当在掺量为 的橡胶自密实混凝土中掺入、的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了、；当在掺量为 的橡胶自密实混凝土中掺入、的钢纤维时，试件的弹性模量分别降低了 、。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。图橡胶掺量对试件弹性模量的影响 图钢纤维掺量对试件弹性模量的影响 第期叶建峰，等：钢纤维橡胶自密实混凝土静态力学性能研究各因素对自密实混凝土峰值应变的影响）橡胶掺量对自密实混凝土峰值应变的影响图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、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、，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 橡胶时，峰值应变达到最大值，为 。在钢纤维掺量为的情况下，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 的橡胶时，峰值应变增加了，当掺入、橡胶后分别减小了、，在掺入 橡胶时，峰值应变达到最大值 ；在钢纤维掺量为情况下掺入、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 、，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 橡胶时，峰值应变达到最大值，为 ；在钢纤维掺量为情况下掺入、橡胶时，钢纤维橡胶自密实混凝土的峰值应变较基