鋼-聚丙烯復摻纖維橡膠混凝土力學性能試驗研究

邱建冬

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

傳統水泥混凝土具有強度高、韌性低等特點，在長期的交通荷載作用下，會造成混凝土板塊產生斷裂、破碎等問題。廢舊橡膠材料經再生工藝處理后可生產橡膠混凝土，具有良好的韌性和抗彎曲能力等特點，能實現道路的高質量、耐久性和長壽命服役。但在混凝土中使用橡膠集料會降低力學性能（密度、彈性模量和抗壓、拉伸和彎曲強度），在逐漸增長的重載交通環境下，易造成橡膠混凝土的性能損傷［1-3］。因此，為進一步提升道路質量和服役水平，需深入研究滿足現代路面交通需求的高強、高韌性路面材料。在混凝土中摻入纖維可以提高橡膠混凝土的力學性能。

薛剛等［4］研究了鋼纖維橡膠混凝土的抗壓強度，將細集料部分替換為橡膠顆粒（0.85～1.40 mm）。結果表明：隨著橡膠顆粒含量的增加，混凝土抗壓強度降低；黃智德等［5］在橡膠混凝土中摻加了0.5%體積摻量的鋼纖維，纖維的加入使所有混合料的抗壓強度、劈拉強度和彎曲強度分別有所提高；朱江等［6］在橡膠混凝土中添加了0.1%和0.12%聚丙烯纖維，使得混凝土應變能力和能量吸收顯著提高，抗壓強度分別提高了14%和10%，劈拉強度分別提高了20%和27%，彎曲強度分別提高了27%和34%。添加纖維后混凝土性能的改善包括但不限于韌性、延展性、收縮率、抗剪強度、抗裂性和抗沖擊性。國內外學者［7-9］也對摻纖維的混凝土進行了大量研究，認為盡管摻加纖維材料可以提升混凝土某些領域性能，但很難保障混凝土綜合性能。復摻纖維作為近年來新型研究領域，認為可以彌補單摻纖維性能不足，實現各材料特性的優勢互補，可全面提升混凝土材料的耐久性、強度等［10-11］。因此，本研究對混雜纖維（鋼-聚丙烯）橡膠混凝土的力學性能（抗壓、抗折、抗拉強度）進行試驗，旨在進一步探究纖維橡膠混凝土的性能演變規律。

1 原材料與試驗方案

本研究采用的原材料主要包括普通硅酸鹽水泥、粗集料、細集料、橡膠集料、鋼纖維、聚丙烯纖維和超塑化劑。

1.1 水泥

P.O 52.5N 普通硅酸鹽水泥，密度為3.15 g/cm3，水泥化學性能見表1。

表1 水泥化學性能指標 %

1.2 集料

使用密度為2.65 g/cm3、吸水率為0.2%、最大粒徑為10 mm 的碎石粗骨料。采用天然河砂細集料，密度2.57 g/cm3，細度模數3.05，吸水率0.8%，含水率2.0%，其中，細集料最大粒徑為4.95 mm。采用1～2 mm 級配、密度為0.73 g/cm3的橡膠集料。對橡膠集料和粗細集料進行篩分，級配曲線如圖1 所示。

圖1 粗細集料級配曲線

1.3 纖維

研究采用鋼纖維（MS）和聚丙烯纖維（PP）兩種纖維材料摻入混凝土中，其中，鋼纖維的拉伸強度為2 800 MPa，長度為21 mm，長徑比為60，密度為7.85 g/cm3。聚丙烯纖維的拉伸強度為550 MPa，長度為3 mm，密度為0.91 g/cm3。橡膠骨料、鋼纖維和聚丙烯纖維的外觀如圖2 所示。

圖2 材料外觀形貌

1.4 塑化劑

采用聚羧酸醚基超塑化劑，使用劑量為水泥重量的0.2%，密度1.06 g/cm3，pH 值9.5。

1.5 配合比設計

對單摻MS 纖維、單摻PP 纖維和混摻MS-PP 纖維的混凝土進行配合比設計，纖維材料的摻量控制總量為1%（體積取代率）?；炷涟ㄆ胀ɑ炷梁拖鹉z混凝土（橡膠集料替代率為細集料的20%，體積取代率），混凝土的水灰比均為0.42，設計坍落度為75～100 mm，混凝土設計方案如表2 所示，配合比如表3 所示。

表2 不同纖維混凝土設計方案

表3 水泥混凝土配合比設計

1.6 試驗方案

混摻纖維橡膠混凝土的制備流程主要包括：將橡膠集料與細集料在旋轉式攪拌機進行均勻攪拌，然后將水泥倒入攪拌機中干拌1.5 min，將塑化劑與水按一定比例混合，并將其70%倒入攪拌機中，攪拌2 min；將剩余的水倒入混凝土中，均勻攪拌1.5 min；最后將纖維按比例倒入攪拌機中，攪拌3～4 min 成型后倒入模具中進行成型和養護。對不同類型的混凝土進行力學性能試驗，參照《混凝土強度檢驗評定標準》（GB 50107—2019），檢測試件的密度、抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度、彎曲強度等，相關檢測項目及試件尺寸如表4 所示。

表4 混凝土相關檢測項目及試件尺寸

2 混凝土性能測試研究

2.1 坍落度

混凝土在拌和施工過程中要考慮材料的保水性、流動性及黏聚性，而坍落度試驗則是衡量混凝土和易性的關鍵方法。將混凝土倒入坍落度桶中并進行振搗，觀測其在自然條件下坍落深度，對于普通混凝土而言，坍落度一般不小于10 mm。不同類型的混凝土坍落度試驗結果如圖3 所示。

圖3 混凝土坍落度試驗結果

由圖3 可知：對于不摻纖維的混凝土而言，20%橡膠集料替代率下的橡膠混凝土坍落度要遠大于普通混凝土，其主要原因是橡膠混凝土中添加了塑化劑材料。而摻加纖維材料后，橡膠混凝土的坍落度普遍低于素混凝土15%以上。在混凝土混合料中添加1%的纖維，特別是混雜纖維（MS-PP 纖維），可顯著降低坍落度。由于在混凝土中添加了超塑化劑可以提高混凝土和易性。坍落度隨著PP 纖維含量的增加而降低。用PP 纖維分別以0.1%、0.2%、0.3%和1%的比例，取代素混凝土中的MS 纖維，使得混凝土坍落度降低22.69%、26.89%、28.57% 和34.45%。對于橡膠混凝土而言，則分別降低了20.41%、37.76%、38.78%和50.00%。坍落度的顯著下降是由于PP 纖維與MS 的加入可以在混合料中形成網狀結構，從而抑制了混合料的表面泌水和集料離析。由于混凝土中纖維分布均勻、比表面積大、含量高（特別是直徑很小的纖維），混凝土材料的黏度會明顯增加，從而降低了坍落度值。

2.2 體積密度

對28 d 養護后的混凝土立方體試塊進行體積密度的測定，采用水中稱重法測定試件體積，將飽水試件的表干質量除以體積可得到體積密度，測試結果如圖4 所示。

圖4 不同類型混凝土體積密度

由圖4 可知：MS 纖維的加入通常對混凝土的密度有很大的影響，然而，0.8MS+0.2PP 和0.9MS+0.1PP 混雜纖維混凝土的密度比素混凝土與單摻MS纖維混凝土要高。其原因是當MS 纖維被少量PP 纖維（0.1%、0.2%）取代時，大量MS 纖維被保留在混凝土中，混凝土中的MS 纖維有效含量較高。而單摻MS 纖維制備混凝土時，受試驗條件影響，部分MS 纖維會殘留在拌和設備中，無法實現MS 纖維的完全利用，在一定程度上降低了試件的體積密度。此外，在混凝土中加入PP 纖維可改善集料顆粒與水泥砂漿之間的黏結，從而減少水泥砂漿的含氣量，進而增加混凝土試件的密度。對于摻纖維和不摻纖維的橡膠混凝土而言，其密度均小于普通混凝土。其主要原因是采用了20%的橡膠集料替代了天然細集料，橡膠集料的材質主要是橡膠顆粒，其密度遠小于集料。因此，其拌和形成的橡膠混凝土密度在一定程度上有所下降。

2.3 抗壓強度

采用標準立方體混凝土試件測試抗壓強度，加載速率為0.05～0.08 MPa/s。不同類型混凝土28 d抗壓強度試驗結果如圖5 所示。

圖5 不同類型混凝土28 d 抗壓強度

由圖5 可知：當僅使用MS 纖維時，混凝土的抗壓強度略有下降。對照素混凝土的抗壓強度為38.5 MPa，而MS 纖維混凝土的抗壓強度為37.4 MPa，抗壓強度降低了約2.9%。分析原因是MS 纖維含量的增加，從而增加了混凝土中的空氣含量，進而降低了混凝土試件的密度。0.9MS+0.1PP 混凝土的抗壓強度最高為48.4 MPa，比素混凝土高25.7%，其主要原因是混凝土中添加PP 纖維改善了骨料顆粒與水泥砂漿之間的黏結。0.8MS+0.2PP 混凝土的抗壓強度為41.8 MPa，比素混凝土提高近8.6%。在普通混凝土中，PP 纖維混凝土的抗壓強度最低，其原因是混凝土中分散的聚丙烯纖維降低了混凝土的性能。在混凝土中用20%摻量的橡膠集料代替細集料，所有的橡膠混凝土抗壓強度降低至約38.9%。由于混凝土中的橡膠顆粒削弱了橡膠集料與水泥混合物之間的結合，導致橡膠集料周圍的應力集中，在外部荷載作用下混凝土裂縫會迅速蔓延。

2.4 彈性模量

研究對不同類型混凝土進行28 d 彈性模量測試，將圓柱體混凝土試件固定在限位墊板上，以0.5 MPa 為基準應力進行加載，記錄初始荷載和1/3 軸向抗壓強度對應的荷載及試件變形，通過計算得到混凝土彈性模量，試驗結果如圖6 所示。

圖6 不同類型混凝土彈性模量

由圖6 可知：彈性模量的試驗結果與抗壓強度的結果相似。在素混凝土中摻入MS 纖維，彈性模量略有降低。橡膠混凝土的彈性模量整體上要小于普通混 凝 土，0.9MS+0.1PP 和0.8MS+0.2PP 纖 維 組 合方案下的混凝土彈性模量最大，分別達到42.02 GPa和38.62 GPa，較素混凝土彈性模量分別提升了14.65%和5.38%。對于橡膠混凝土而言，摻MS 纖維的橡膠混凝土彈性模量最低，其主要原因是MS 纖維的模量較大，而橡膠混凝土中橡膠集料彈性模量較低，二者在拌和過程中會導致材料和易性差，在外部荷載作用下材料內部結構易失穩。但在摻入部分PP纖維后，由于其成絲狀的網絡結構分布，對內部混凝土起到加筋作用，彈性模量在一定程度上有所提升。

2.5 劈裂抗拉強度

對不同類型混凝土進行28 d 劈裂抗拉強度的性能測試，以0.05～0.08 MPa/s 速率加載，記錄劈裂條件下混凝土試件破壞對應的荷載，通過破壞荷載、劈裂面積計算得到劈裂抗拉強度，試驗結果如圖7 所示。

圖7 不同類型混凝土劈裂抗拉強度

由圖7 可知：相較于素混凝土，MS 纖維混凝土的劈裂抗拉強度為3.82 MPa，提升了8.52%。 而0.9MS+0.1PP 和0.8MS+0.2PP 混凝土的劈裂抗拉強度達到5.09 MPa 和4.57 MPa，分別提升了約44.60%和29.83%?；鞊嚼w維的摻入，能夠充分發揮鋼纖維的強度提升和聚丙烯纖維加筋固化的優勢。此外，橡膠混凝土的劈裂抗拉強度整體要小于普通混凝土，采用0.9MS+0.1PP 纖維組合方案時，普通混凝土和橡膠混凝土的劈裂抗拉強度分別為5.09 MPa 和3.72 MPa，橡膠混凝土劈裂抗拉強度下降了約26.92%。提高混凝土的抗拉強度通?？梢蕴岣呋炷恋目辜魪姸?，在一定程度上可以減少混凝土的開裂和破壞。PP 纖維普通混凝土和PP 纖維橡膠混凝土的劈裂抗拉強度均低于素混凝土和素橡膠混凝土，可能與PP 纖維的材料特性有關，混凝土拌和過程中纖維的分散不均勻，易導致纖維抱團積聚，在外部荷載作用下易產生局部應力集中和開裂損傷。

2.6 抗折強度

對不同類型混凝土進行28 d 抗折強度的性能測試，將混凝土試件固定在抗折試驗設備中，連續均勻施加荷載，直至試件下邊緣斷裂，記錄試件破壞荷載、支座間跨度、試件高度及寬度，通過計算得到混凝土抗折強度，試驗結果如圖8 所示。

圖8 不同類型混凝土抗折強度

由圖8 可知：抗折強度隨MS 纖維含量的增加而增加。相較于素混凝土，不同纖維組合類型下普通混凝土的抗折強度分別提升了25.44%、19.96%、18.20%和9.22%，摻MS 纖維普通混凝土的抗折強度最高，達到6.41 MPa，摻PP 纖維普通混凝土的抗折強度最小，為3.60 MPa。隨著MS 纖維的加入，纖維的抗折強度增加，具有較高的彈性模量和拉伸強度。雖然PP 纖維比MS 纖維短，但前者的彈性模量和拉伸強度比后者低。因此，聚丙烯纖維可以橋接微裂紋，但不會顯著影響抗折強度。在混凝土混合料中加入橡膠集料會降低混凝土的抗折強度，主要是因為橡膠集料與水泥砂漿之間黏結性較弱。盡管橡膠集料降低了混凝土的抗折強度，但摻纖維的橡膠混凝土抗折強度均較不摻纖維的橡膠混凝土抗壓強度有所提升。

3 結論

對不同纖維組合類型下的普通混凝土和橡膠混凝土進行力學性能試驗研究，得到以下結論：

（1）相較于普通混凝土，橡膠混凝土的坍落度、體積密度、抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度和抗折強度均有所下降。

（2）無論是普通混凝土還是橡膠混凝土，0.9MS+0.1PP 和0.8MS+0.2PP 纖維組合方案下的混凝土的抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度和抗折強度均優于其他類型混凝土。

（3）0.9MS+0.1PP 普通混凝土相較于素混凝土，抗壓強度提升了25.7%，劈裂強度提升了44.6%，抗折強度提升了19.96%。

（4）橡膠集料以20%的摻量替代部分天然細集料時，混凝土的相關力學性能有所下降，但在保障混凝土設計強度等級要求下，可實現建材成本節省和資源可循環利用。