鋼纖維橡膠自密實混凝土靜態力學性能研究

葉建峰，莊金平，顏桂云，潘晨陽

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福州 350118；2.福建工程學院土木工程學院，福州 350118)

自密實混凝土具有免振搗或少振搗的特點，可以克服橡膠顆粒上浮的現象，但對于鋼纖維橡膠自密實混凝土的研究尚較為少見。以普通自密實混凝土為基礎，通過等體積替代砂率分別摻入10%、20%、30%的橡膠顆粒及外摻體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維，配制出鋼纖維橡膠自密實混凝土。通過對試件進行靜態軸心抗壓試驗，根據試件破壞現象進行了觀測和分析，得到鋼纖維橡膠自密實混凝土的應力應變曲線，研究了鋼纖維和橡膠顆粒的摻量對其力學性能的影響，最后提出鋼纖維橡膠自密實混凝土軸心抗壓的本構關系。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：選用強度等級為P.O.42.5健福牌普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3；中砂，表觀密度為2.65 g/cm3；粒徑9～15 mm的反擊破碎石，密度為2.75 g/cm3；Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.35 g/cm3；廢舊橡膠輪胎切割橡膠顆粒，粒徑為1～2 mm，如圖1(a)所示；矩形、剪切波浪形鋼纖維，如圖1(b)所示；聚羧酸高效減水劑，密度1.1 g/cm3。

圖1 橡膠與鋼纖維材料

1.2 試件配制

根據《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)[17]與《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)[18]，確定強度等級為C50的基準自密實混凝土配合比。保持粉煤灰、水泥、石子、水灰比不變的基礎上，將NaOH浸泡后橡膠顆粒等體積取代砂子，替代率分別為10%、20%、30%，同時外摻體積率分別為0.5%、1%、1.5%的剪切波浪型鋼纖維，并略微調整減水劑用量至鋼纖維橡膠自密實混凝土的流動性良好。為確保橡膠顆粒和鋼纖維的均勻性，先將砂子、橡膠顆粒、鋼纖維、水泥、石子、水泥、粉煤灰依次倒入雙軸攪拌機干拌，攪拌時間為60 s；將減水劑融入水中，攪拌中均勻緩慢的加入，加水完成后最后再攪拌120 s。設計16組，每組3個試件共計48個150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體進行軸心抗壓試驗，留設150 mm×150 mm×150 mm立方體試件確定自密實混凝土強度等級，各組配合比如表1所示。

表1 各組試件配合比

1.3 加載方法

采用萬測公司生產的HCT306B微機控制電液伺服壓力試驗機進行加載，先以1 kN/s的速度加載至峰值荷載預測值的80%后，再以0.1 mm/min的速度位移控制加載方式加載直至試驗結束。

2 試驗結果及分析

2.1 應力應變曲線

圖2 鋼纖維橡膠自密實混凝土應力應變曲線

2.2 試驗結果分析

2.2.1 試驗現象分析

各試件加載過程中破壞現象總體較為相似。在加載初期混凝土試件表面未產生裂紋；荷載達到峰值荷載80%時，混凝土試件表面有少量混凝土碎屑剝落，但未出現明顯的裂縫；超過峰值應力后，裂紋首先在接近混凝土試件中央的部位出現，伴隨著明顯的劈裂聲后裂紋以“八字形”迅速向混凝土試件的四個角端蔓延，混凝土試件中部出現向外鼓脹的現象，裂縫的寬度逐漸增加，混凝土試件碎塊部分向外剝落，斜裂紋貫穿整個截面，最終形成“X”型破壞形態。圖3給出了典型的破壞形態。

普通自密實混凝土棱柱體試件脆性破壞較明顯，如圖3(a)所示，以SCC50為例，除了“八字形”的裂紋外，混凝土棱柱體試件邊緣出現了較長的從上到下的近乎貫通的大裂縫，強度下降迅速，除了明顯的裂縫數量的增多，寬度的增大外，迅速出現“八字形”及上下貫通形的裂紋，且破壞時伴隨較大的崩裂聲。

與普通自密實混凝土相比，鋼纖維自密實混凝土的破壞形式由脆性破壞轉變為近似延性破壞的形式，如圖3(b)所示。以SF0.5為例，鋼纖維自密實混凝土的彈性階段較長；破壞階段，無明顯的崩裂聲，裂紋出現較晚，有較少的細小裂紋，且在裂紋擴展速度方面明顯要比普通自密實混凝土緩慢；破壞后，試件表面的裂縫數量較多但未完全斷裂，且無碎塊，混凝土試件基本上保持原來的外形，只呈現較少的脫皮現象。

橡膠自密實混凝土棱柱體試件相較于基準自密實混凝土棱柱體試件，混凝土試件表面裂紋較多，試件的完整性較好，如圖3(c)所示。以RR10為例，橡膠自密實混凝土試件的強度較普通自密實混凝土試件明顯降低，隨著加載的進行，混凝土試件表面的豎向細小裂紋數量明顯增多，當達到峰值荷載后，裂紋由于橡膠的存在無法貫通，但“八字形”主裂紋弧度較大，隨著橡膠摻量及粒徑的增加，這種現象更為明顯，表現出與普通自密實混凝土不同的破壞模式。

鋼纖維橡膠自密實混凝土試件破壞形式如圖3(d)所示。以SF0.5-RR10為例，相較于普通自密實混凝土試件，鋼纖維橡膠自密實混凝土試件的破壞呈現延性破壞的同時，其完整性也較好。此外，在峰值荷載以前，混凝土試件表面對角線部位出現細小裂紋，當達到峰值荷載后，裂紋也主要集中于對角線區域，且出現脫皮現象，由于內部鋼纖維的拉力作用，無貫通性裂紋。

圖3 試件的典型破壞形態

2.2.2 各因素對自密實混凝土軸心抗壓強度的影響

1)橡膠摻量對自密實混凝土軸心抗壓強度的影響

圖4為橡膠摻量對自密實混凝土軸心抗壓強度的影響。隨著橡膠摻量的增加(0%～30%)，軸心抗壓強度呈逐漸降低的趨勢。在鋼纖維摻量為0.5%情況下摻入10%、20%、30%橡膠時，試件軸心抗壓強度分別減少了29.4%、43.1%和49.2%；在鋼纖維摻量為1.0%情況下摻入10%、20%、30%橡膠時，試件的軸心抗壓強度分別減少了21.4%、47.8%、49.8%；在鋼纖維摻量為1.5%情況下摻入10%、20%、30%橡膠時，試件軸心抗壓強度分別減少了32.3%、52.7%、57.6%。普通自密實混凝土橡膠摻量在20%、30%時，橡膠自密實混凝土試件的軸心抗壓降低了41.2%、39.1%。綜上所述，當橡膠摻量為20%、30%時，試件的軸心抗壓強度下降幅度均較大，而當橡膠摻量為10%時，試件的軸心抗壓強度下降幅度較小。

圖4 橡膠摻量對試件軸心抗壓強度的影響

2)鋼纖維摻量對自密實混凝土軸心抗壓強度的影響

圖5為鋼纖維摻量對橡膠鋼纖維自密實混凝土的影響。在基準普通自密實混凝土中分別加入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維，試件軸心抗壓強度較普通自密實混凝土試件分別提高了5.6%、8.9%、18.2%，呈現隨著鋼纖維摻量逐漸增加而增大的趨勢；在橡膠摻量為10%情況下摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，試件軸心抗壓強度分別增長了12.4%、26.2%、21.0%，呈現隨著鋼纖維摻量的增加，軸心抗壓強度先增大后減小的趨勢，其中在試驗范圍內鋼纖維摻量為1.0%時，軸心抗壓強度達到最大值為39.67 MPa；在橡膠摻量為20%情況下摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，試件軸心抗壓強度變化程度不明顯，分別為26.9、26.34、25.87 MPa；在橡膠摻量為30%情況下摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，軸心抗壓強度出現了一定程度的下降，分別為12.2%、9.2%、15.4%。綜上所述，在普通自密實混凝土及橡膠摻量較少(10%)的自密實混凝土中加入鋼纖維時，試件的軸心抗壓強度有所提高，但當自密實混凝土中的橡膠摻量較高時(20%、30%)，鋼纖維對橡膠自密實混凝土軸心抗壓強度無明顯的增強效果，甚至會出現小幅下降的現象。

圖5 鋼纖維摻量對試件軸心抗壓強度的影響

2.2.3 各因素對橡膠混凝土彈性模量的影響

1)橡膠摻量對橡膠自密實混凝土彈性模量的影響

圖6為橡膠摻量對鋼纖維橡膠自密實混凝土的彈性模量的影響?？梢钥闯?，隨著橡膠摻量的逐漸增加，鋼纖維橡膠自密實混凝土的彈性模量基本呈現逐漸減小的趨勢。僅橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時的彈性模量分別為3.48×104、2.36×104、2.52×104、1.89×104MPa；鋼纖維摻量為0.5%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時，試件彈性模量分別為3.17×104、2.02×104、2.12×104、1.87×104MPa；鋼纖維摻量為1.0%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時，試件彈性模量分別為2.2×104、2.02×104、1.98×104、1.85×104MPa；鋼纖維摻量為1.5%，橡膠摻量為0%、10%、20%、30%時，試件的彈性模量分別為2.7×104、2.87×104、1.95×104、1.78×104MPa。綜上所述，無論普通自密實混凝土還是鋼纖維自密實混凝土，橡膠的摻入使試件的彈性模量有明顯的減小，而隨著橡膠摻量的增多，各試件的彈性模量逐漸降低。

圖6 橡膠摻量對試件彈性模量的影響

2)鋼纖維摻量對自密實混凝土彈性模量的影響

圖7為鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠自密實混凝土的彈性模量的影響。當普通自密實混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的彈性模量較普通自密實混凝土降低了8.9%、36.8%、22.4%；當在摻量為10%的橡膠自密實混凝土中摻入0.5%、1.0%的鋼纖維時，試件的彈性模量分別降低了14.4%；14.4%，當加入鋼纖維摻量為1.5%時，試件的彈性模量增加了17.7%，呈現先減小后增大的趨勢；當在摻量為20%的橡膠自密實混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的彈性模量分別降低了15.9%、21.4%、22.6%；當在摻量為30%的橡膠自密實混凝土中摻入0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的彈性模量分別降低了1.1%、2.1%、5.8%。綜上所述，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量總體上呈降低的趨勢，但降低的幅度有減小的趨勢。

圖7 鋼纖維摻量對試件彈性模量的影響

2.2.4 各因素對自密實混凝土峰值應變的影響

1)橡膠摻量對自密實混凝土峰值應變的影響

圖8為橡膠摻量對鋼纖維橡膠自密實混凝土峰值應變的影響規律圖。當自密實混凝土中摻入10%、20%、30%橡膠時，橡膠自密實混凝土的峰值應變較基準自密實混凝土分別增加了14.4%、8.2%、1.1%，呈現先隨橡膠摻量的增加先增大后減小的趨勢，在試驗范圍內，當摻入10%橡膠時，峰值應變達到最大值，為2 318.65 με。在鋼纖維摻量為0.5%的情況下，隨橡膠摻量的增加鋼纖維橡膠自密實混凝土的峰值應變呈現先增大后減小的趨勢，當摻入10%的橡膠時，峰值應變增加了1.96%，當摻入20%、30%橡膠后分別減小了20.6%、12.7%，在摻入10%橡膠時，峰值應變達到最大值2 521.18 με；在鋼纖維摻量為1.0%情況下摻入10%、20%、30%橡膠時，鋼纖維橡膠自密實混凝土的峰值應變較基準鋼纖維自密實混凝土分別增加了13.5%、8.5%、2.4%，呈現先隨橡膠摻量的增加先增大后減小的趨勢，在試驗范圍內，當摻入10%橡膠時，峰值應變達到最大值，為2 471.18 με；在鋼纖維摻量為1.5%情況下摻入10%、20%、30%橡膠時，鋼纖維橡膠自密實混凝土的峰值應變較基準鋼纖維自密實混凝土分別增加了7.49%、10%、10.3%，呈現逐漸增大的趨勢，峰值應變最大為2 453.45 με?？梢钥闯?，橡膠的摻入總體上提高了鋼纖維自密實混凝土的峰值應變。

圖8 橡膠摻量對試件峰值應變的影響

2)鋼纖維摻量對自密實混凝土峰值應變的影響

圖9為鋼纖維摻量對鋼纖維橡膠自密實混凝土的峰值應變的影響規律圖。當在普通自密實混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的峰值應變分別為1 983.78、2 471.85、2 137.38、2 200.52 με；當在10%摻量橡膠自密實混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的峰值應變分別為2 318.65、2 521.18、2 471.18、2 259.21 με；當在20%摻量橡膠自密實混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的峰值應變分別為2 160.92、1 960.67、2 335.4、2 445.45 με；當在30%摻量橡膠自密實混凝土中摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維時，試件的峰值應變分別為1 985.42、2 158.97、2 190.18、2 453.45 με?？梢钥闯?，鋼纖維的摻入量對鋼纖維橡膠混凝土的峰值應變普遍有增強的效果，但沒有呈現出明顯的規律性。

圖9 鋼纖維摻量對試件峰值應變的影響

2.3 鋼纖維橡膠自密實混凝土應力應變本構關系模型

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)

根據各試驗結果進行統計分析，獲得式(2)～式(4)中各參數的解析表達式如下

a=1.5，b=7e-3.3ρr(1+3.3ρs)，

(5)

fc=fc0e-2.2ρr(1+3.3ρs)，

(6)

(7)

式中：ρr為橡膠摻量，其摻量適用范圍為0～30%；ρs為鋼纖維摻量，其摻量適用范圍為0～1.5%；fc0為基準自密實混凝土棱柱體抗壓強度。由預算公式計算的曲線如圖2所示，預測曲線與試驗曲線總體上吻合良好。

3 結 論

1)鋼纖維橡膠自密實混凝土試件的破壞呈現出延性特征，破壞的同時完整性也較好，雖出現脫皮現象，但沒有出現貫通性裂紋。

2)隨著橡膠摻量的提高，試件軸心抗壓強度逐漸降低，當橡膠的摻入量為20%、30%時，無論是普通自密實混凝土還是各摻量的鋼纖維自密實混凝土的軸心抗壓強度下降幅度均較大，而當橡膠摻量為10%時，各試件的軸心抗壓強度下降較小。

3)在橡膠摻量較少(10%)的自密實混凝土中加入鋼纖維時，試件的軸心抗壓強度有少量的提高，隨著鋼纖維摻量的提高，強度也逐漸增大，但當橡膠摻量較高時(20%、30%)，鋼纖維對橡膠自密實混凝土軸心抗壓強度無明顯的增強效果，甚至會出現較小的下降現象。

4)隨著橡膠摻量的增多，各試件的彈性模量逐漸降低；鋼纖維的摻入降低了普通自密實混凝土的彈性模量，但隨著鋼纖維摻量提高，彈性模量降低幅度減小。

5)橡膠的摻入提高了自密實混凝土的峰值應變，在試驗范圍內當橡膠摻量為10%時，峰值應變的增加量最大，峰值應變的最大增大量在10%；鋼纖維的摻入量對鋼纖維橡膠混凝土的峰值應變普遍有增強的效果。