鋼纖維橡膠混凝土力學性能分析

李征

（華北水利水電大學，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,抗壓強度高等一系列優(yōu)勢,因此在建筑行業(yè)中被廣泛應用。但是,水泥混凝土也具有抗拉強度低,自重大等明顯的缺點。強度越高脆性表現(xiàn)得越明顯,抵抗突發(fā)荷載和疲勞沖擊荷載的能力越低, 混凝土高強化與高脆化的矛盾限制了普通混凝土的發(fā)展和應用。我國已經(jīng)成為世界廢橡膠產(chǎn)生量最大的國家之一,廢舊橡膠最主要的來源就是廢舊輪胎,據(jù)統(tǒng)計,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[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,難溶于有機溶劑,且不易腐爛,按傳統(tǒng)的方法進行處理,費用昂貴。在當今世界各國提倡循環(huán)經(jīng)濟、環(huán)保社會的環(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學者研究的熱點。橡膠具有較好的彈性,可塑性好,耐磨性強,耐久性及阻尼性好等特點,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。 若將橡膠顆粒部分替代細骨料摻入到混凝土中,橡膠顆粒的摻入可增強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度、抗裂抗拉強度和抗折強度會因為橡膠顆粒的加入而降低[2-4],并會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一步推廣應用。若將鋼纖維摻到橡膠混凝土中,則能發(fā)揮鋼纖維對混凝上的阻裂、增強、增韌作用,改善由于橡膠顆粒的摻入所帶來的混凝土抗拉強度和抗折強度降低的問題,進一步提高橡膠混凝土的抗沖擊和抗疲勞性能[5-8]。中國工程院院士吳中偉教授認為：復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑,纖維增強是其核心[9]。鋼纖維橡膠混凝土將發(fā)揮復合材料性能優(yōu)勢的疊加效應, 進一步提高橡膠混凝土的力學性能,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一步的開發(fā)與應用。本文針對以上情況分析在橡膠混凝土中摻入鋼纖維,對比分析鋼纖維混凝土和橡膠混凝土的力學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、運輸、澆注、搗實等)并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實的性能,其含義包含流動性、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,混凝土的塌落度會降低,當橡膠摻量低于10%時,混凝土的塌落度下降幅度較小,當橡膠摻量大于10%時,混凝土的塌落度下降明顯,當橡膠摻量達到45%左右時,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,從而導致混凝土的流動性降低。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于短的小細鋼筋,鋼纖維的支蓬作用,大大影響了混凝土的流動性。

2 力學性能

2.1 鋼纖維的摻入對橡膠混凝土抗壓強度影響的分析。混凝土的抗壓強度研究包括立方體抗壓強度和軸心抗壓強度, 研究表明,隨著橡膠顆粒的摻加,導致混凝土的力學性能發(fā)生了降低。主要原因如下：(1)在橡膠混凝土中,混凝土拌合物為無機材料,而橡膠顆粒為有機材料,兩者的物理和化學性質(zhì)存著較大差異,相容性較差,橡膠混凝土在受壓時,兩者共同作用的機理相互影響,導致抗壓能力下降。(2)橡膠顆粒作為有機憎水材料,在橡膠混凝土中橡膠顆粒與水泥砂漿的粘結(jié)作用相對薄弱,在橡膠混凝土在受壓時,很容易在這些薄弱面產(chǎn)生裂縫,進而發(fā)生破壞。同時,橡膠顆粒的強度低,橡膠顆粒的存在也增加了混凝土薄弱點,因此導致其抗壓能力降低。(3)在橡膠混凝土的硬化過程中,由于水泥水化造成的化學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導致橡膠混凝土的抗壓強度變?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,進一步導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程中,尤其是振實這一環(huán)節(jié),隨著振動臺的振動,橡膠顆粒會向上游走的微小移動,容易在橡膠顆粒的下表面形成空隙,在橡膠混凝土受壓時,這些微小裂縫和空隙容易發(fā)展和貫連,進而形成宏觀裂縫,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混凝土的抗壓強度。究其原因,我們發(fā)現(xiàn)：無論是普通混凝土還是橡膠混凝土在其硬化成型的過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,其破壞過程實際上就是微裂紋萌生、擴展、貫通,直到產(chǎn)生宏觀裂紋,導致混凝土失穩(wěn)破裂的過程。而鋼纖維的存在,一定程度上延緩了這一過程。具體原因有：(1)在混凝土試塊受力時,裂縫尖端的應力集中,由于鋼纖維的存在,鋼纖維將這部分應力傳遞給裂縫兩側(cè)的混凝土,從而緩解了應力集中現(xiàn)象的加劇,減緩了試塊破壞的進程。(2)在試塊受壓裂縫發(fā)展的過程中,由于鋼纖維的存在,雜亂無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,會產(chǎn)生類似于套箍作用,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 鋼纖維的摻入對橡膠混凝土抗拉抗折強度影響的分析。混凝土的抗拉抗折強度研究包括立方體劈裂抗拉強度和抗折強度,研究表明,隨著橡膠顆粒的摻加,導致混凝土的力學性能發(fā)生了降低。主要原因如下：(1)橡膠顆粒本身是一種低強度的材料,在混凝土中摻入橡膠顆粒,對于混凝土來說相當于引入了軟弱的內(nèi)部結(jié)構(gòu),形成了內(nèi)部軟弱點,導致了立方體劈裂抗拉強度的下降。(2)橡膠顆粒作為有機材料與無機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極易開裂,從而導致立方體劈裂抗拉強度的降低。(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致了在橡膠混凝土承受拉應力時的有效面積減少,進一步導致橡膠混凝土的劈裂抗拉強度的降低。在橡膠混凝土中加入鋼纖維,能夠明顯增強混凝土的抗拉和抗折強度。主要原因如下：(1)鋼纖維橡膠混凝土作為一個多相材料,鋼纖維的摻入相當于在其內(nèi)部加入了小的細短鋼筋, 而且在橡膠混凝土內(nèi)部無序的分布,形成一個三維的網(wǎng)絡,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)鋼纖維的抗拉強度遠遠大于混凝土的抗拉強度,也能夠提高混凝土的抗拉強度。而且在鋼纖維橡膠混凝土受拉受折時,部分的鋼纖維被拔出,消耗了一部分能量。(3)當混凝土出現(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)的基體的應力相互傳遞,發(fā)揮了降低裂縫尖端應力的作用。

3 結(jié)論

普通混凝土的強度高,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,但是也會降低混凝土的強度,我們再在橡膠混凝土中摻入鋼纖維,不僅能能夠彌補因為橡膠的加入導致的強度下降,而且能夠保留橡膠混凝土的塑性。對于普通混凝土而言,鋼纖維橡膠混凝土能夠改善普通混凝土的塑性,整體性,同時強度不降低,甚至也得到增強,這一特點,拓展了混凝土的應用場景,為建筑行業(yè)提供了更好的材料和選擇。