作者：张毅
橡胶混凝土的改性研究主要有两个方向：橡胶的表面处理和掺入其他纤维。Segre等将胶粉、橡胶颗粒在NaOH等强碱溶液中浸泡后，不但不会改变橡胶的物理力学性能，而且能不同程度地提高橡胶}昆凝土的强度和韧性；Rostami等用水清洗橡胶粉，结果橡胶混凝土抗压强度比基准混凝土提高16%，用四氯化碳溶液处理橡胶粉后，其抗压强度提高57%。近年来的高强混凝土的研究表明，将钢纤维掺入高强混凝土能够显著提高高强混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，并且随钢纤维掺量的增加高强混凝土的拉压比能得到明显提高，因此，掺入纤维成了提高橡胶混凝土强度的另一个研究方向。牛铭山等将聚丙烯纤维掺入橡胶混凝土后，橡胶混凝土试件的变形、韧性和冲击性能得到明显提高，橡胶混凝土的极限弯拉强度随聚丙烯纤维掺量的增大也明显提高，但是聚丙烯纤维对橡胶混凝土的抗压强度影响不明显。广东工业大学的学者通过采用全掺式和分层式将钢纤维掺入橡胶混凝土中，进行试验研究对比，试验结果显示钢纤维掺量较少时分层式较全掺式好，钢纤维掺量较多时，采用全掺式时钢纤维改善橡胶混凝土效果较好。范小春等经过试验研究，结果表明，分层式钢纤维橡胶混凝土的立方体抗压强度和棱柱体轴心抗压强度较橡胶混土提高不明显，小梁弯拉强度较橡胶混凝土提高13. 8%。
在橡胶混凝土中外掺钢纤维可以提高混凝土的强度，增强其韧性，将是改性橡胶混凝土研究的一种较好方法。本研究以橡胶混凝土为基础，钢纤维通过全掺式以3种(0.5%、1. 0%、1.5%)体积率分别掺入到4种橡胶掺量(5%、10%、15%、20%)的橡胶混凝土中，研究不同掺量的钢纤维对不同橡胶掺量的橡胶混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗折强度的影响规律。
1 试验概况
1.1 试验原材料
水泥为P．C 32.5复合硅酸盐水泥；粗骨料为二级配石灰岩，粒径为5mm - lOmm、lOmm - 20mm两种，二者参量之比为4:6，级配合格；细骨料为中砂，最大粒径为5mm，细度模数为2.53；橡胶颗粒为山东烟台某公司生产，粒径为3mm - 4mm；钢纤维为长度35mm，直径0.6mm，抗拉强度为800MPa的波浪形钢纤维；减水剂为萘系减水剂，减水率为18%，掺量为胶凝材料的1. 8%。
1.2试件配合比设计及编号
按照普通混凝土配合比的设计方法对基准混凝土(C)、橡胶混凝土及钢纤维改性橡胶混凝土(SFnRRmC)进行配合比设计，基准混凝土配合比见表1。
橡胶颗粒采用等体积替换砂率的方式内掺人基准混凝土(C)．替换率分别为5%、10%、15%、20%．即掺入橡胶颗粒质量分别为13. 76kg/m3、27. 5kg/m3、41. 3kg/m3、55kg/m3；钢纤维采用全掺式外掺人橡胶混凝土中，纤维体积率分别为0. 5%、1. 0%、1.5%，即掺入钢纤维质量分别为39kg/m3、78 kg/m3、117kg/m3，全掺式钢纤维改性橡胶混凝土的编号为SFnRRmC，其中n代表钢纤维体积率，m代表橡胶颗粒等体积替换砂量。
1.3试验方法
本试验采用强制式混凝土搅拌机搅拌，最终浇筑了17组100mm×100mm×300mm棱柱体试块、17组100mm×100mm×100mm立方体试块和17组100mm×100mm×400mm小梁，每组均为3块，所有的试块均采用振动台振捣密实，24h后拆模，拆模后立即放入标准养护室，养护28d取出擦干立即进行试验，试验加载设备统一采用电子万能试验机，试验过程采用力控制的加载方式，保持均匀连续加载，立方体抗压和轴心抗压试验加载速度为0. 5MPa/s，小梁抗折试验加载速度为0. 05MPa/s。本试验主要针对普通混凝土、橡胶混凝土、钢纤维改性橡胶混凝土的力学性能进行的试验，主要包括立方体抗压强度、轴心抗压强度和小梁抗折强度试验。
试验方法均严格按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081-2002)和《纤维混凝土试验方法标准》( CECS 13：2009)的要求操作。
2 试验结果及分析
2.1试验数据
每个配比的每种试验各有3个试样，取3个试样强度值的平均值进行分析，详细数据如表2所示。
橡胶混凝土掺入不同体积率的钢纤维后，橡胶混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、小梁抗折强度的改善效果见表3、表4、表5。
2.2试验结果分析
2.2.1 立方体抗压强度
掺5%橡胶颗粒对基准混凝土抗压强度稍有提高，可能因为较少橡胶掺量对基准混凝土影响较小或是由于较少掺量的橡胶颗粒促使基体级配更优，随着橡胶掺量的增加抗压强度迅速下降，在不同橡胶掺量的橡胶混凝土中掺入不同体积率的钢纤维后强度得到不同程度的提高，以普通混凝土的立方体抗压强度为基准，可得到钢纤维改性橡胶混凝土立方体抗压强度与基准混凝土立方体抗压强度的比值，该比值随钢纤维体积率的变化，见图1。
可见，基准混凝土中橡胶颗粒掺量大于lO%时，基准混凝土抗压强度下降较明显，且随橡胶掺量为10%、15%、20%时，基准混凝土抗压强度下降量分别为8.3%、9.1%、15. 1%，橡胶颗粒为高压缩、低强度的材料，且表面为憎水性，将其加入基准混凝土后，橡胶与基体混凝土形成薄弱的粘结界面，随橡胶参量增加基体内部薄弱粘结面增多，导致混凝土抗压强度下降量增大。由表2、表3和图1可得，钢纤维掺量为0. 5%、1.0%、1.5%时，橡胶混凝土SFORR5C的抗压强度分别提高10. 4%、36.7%、19.3%，并且钢纤维橡胶混凝土强度均大于基准混凝土的强度；SFORRIOC，SFORR15C、SFORR20C在掺入钢纤维后强度变化趋势基本重合，说明外掺钢纤维对低橡胶掺量的橡胶混凝土强度提升量小于对较高橡胶掺量的橡胶混凝土强度提升量，如1. 5%体积掺量钢纤维对SFORRlOC、SFORR15C、SFORR20C橡胶混凝土强度提升量分别为12.8%、19.7%、31. 0%，这是因为混凝土内部存在着不同尺度的缺陷和微裂缝，在外力作用时，基体内部的孔、缝部位因应力较集中而引起裂缝的扩展，最终混凝土破坏，在掺入弹性橡胶颗粒后，橡胶颗粒能够有效降低裂缝尖端的应力强度因子，从而缓和应力集中的程度，钢纤维提供桥连抗拉作用，橡胶掺量越多，则降低应力集中程度越大，促使钢纤维桥连抗拉作用越强，所以钢纤维对橡胶混凝土强度提高量随橡胶掺量的增加而增大。
SFnRR15C、SFnRR20C随钢纤维掺量的增加抗压强度逐渐增加，而SFnRR5C、SFnRRlOC在钢纤维掺量为1.0%时橡胶混凝土强度达到最大，当钢纤维掺量达到1.5%时，橡胶混凝土强度开始下降，但仍大于基准混凝土强度，这是由于此时的橡胶颗粒和钢纤维与基体形成的薄弱粘结面开始起主要作用。
由图2可见，素混凝土在破坏时为突然崩裂破坏，荷载突然降低，无任何破坏征兆，并且破坏时产生剧烈响声，表现为明显的脆性破坏；橡胶混凝土破坏时，虽说没有素混凝土那样剧烈响声，但也是一裂即坏，荷载也突然降低；钢纤维橡胶混凝土试件在加载过程中先出现一条细微裂缝，随着荷载继续增加出现多条裂缝，达到破坏荷载后，加载曲线没有像素混凝土和橡胶混凝土那样突然下降或突然停止，而是平缓地慢慢下降，并且破坏后的试件有较好的完整性，整个试件裂而不散、坏而不碎的特征表现了良好的延性性质，因此钢纤维的掺入明显提高了橡胶混凝土的韧性。
2.2.2 轴心抗压强度
钢纤维外掺入橡胶混凝土后，对橡胶混凝土轴心抗压强度的改善量不明显，以普通混凝土的轴心抗压强度为基准，可得钢纤维改性橡胶混凝土轴心抗压强度与基准混凝土轴心抗压强度的比值，该比值随钢纤维体积率的变化曲线见图3。
由表2、表4和图3可见，除10%橡胶掺量的混凝土在1. 0%钢纤维掺量下橡胶混凝土强度提高最大为24.3%，而20%橡胶掺量的混凝土在1.5%钢纤维掺量下橡胶混凝土强度提高为23. 5%外，其他橡胶混凝土轴心抗压强度改善效果均不明显，甚至5%橡胶掺量的橡胶混凝土在外掺1.5%体积率的钢纤维后，轴心抗压强度降低了4.6%。除SFO. SRR5C、SFI. ORR5C的轴心抗压强度大于基准混凝土外，其他的均小于基准混凝土的强度。在钢纤维掺入量达到1. 0%后，除SFnRR15C、SFnRR20C的轴心抗压强度继续增加外，SFnRR5C、SFnRRlOC的强度均开始下降，但钢纤维的掺入明显提高了橡胶混凝土的韧性，破坏时钢纤维橡胶混凝土表现出了良好的完整性。
2.2.3 小梁抗折强度
基准混凝土的抗折强度随橡胶掺量的增加而下降，而当橡胶颗粒掺量在5%时混凝土强度与基准混凝土强度相当，说明较少掺量的橡胶颗粒对素混凝土抗折强度影响不明显，橡胶混凝土掺入钢纤维后强度得到明显提高，以普通混凝土的棱柱体抗折强度为基准，可得钢纤维改性橡胶混凝土棱柱体抗折强度与基准混凝土棱柱体抗折强度的比值，该比值随钢纤维体积率的变化曲线见图4。
表2、表5和图4可见，钢纤维的掺人对较多橡胶掺量的混凝土抗折强度改善效果较明显，且随着钢纤维掺量的增加抗折强度明显提高，钢纤维掺量为0.5%、1. 0%、1.S%时，橡胶混凝土的抗折强度，对SFORR5C分别提高9.1%、6.65、25.1%；对SFORRlOC分别提高6.1%、6.6%、54.5%；对SFORR15C分别提高9.3%、17. 8%、81. 6%；对SFORR20C分别提高10.8%、45. 6%、55%。钢纤维掺量为0.5%时，对橡胶混凝土抗折强度改善效果不明显，这是因为钢纤维的抗拉强度远大于基体混凝土，钢纤维掺量较少，所提供的抗拉作用有限，改善效果不明显；在钢纤维掺量为1.0%时，钢纤维改善橡胶混凝土效果明显，且SFnRR20C优于SFnRR15C优于SFnRRlOC；在钢纤维掺量为1.5%时，钢纤维改善橡胶混凝土效果SFnRR15C优于SFnRRlOC优于SFnRR20C，二者改善效果正好相反，因为钢纤维作为增强材料、橡胶颗粒作为软弹性的低强材料掺入基体混凝土，二者均与基体形成薄弱的粘结面，在加载时橡胶颗粒有缓解基体混凝土内部应力集中的作用，而钢纤维起到桥连作用，随钢纤维掺量增加，钢纤维之间形成很好的纤维网络，这时钢纤维的抗拉增强作用远大于薄弱面的减弱作用，所以橡胶掺量在一定量时钢纤维提供的桥连抗拉作用较强，并且随钢纤维掺量的增加对橡胶混凝土强度提高量增大，但薄弱粘结面在达到一定程度后，开始减弱抗折强度，二者之间有一个相关联的临界值，在二者都达到临界值时其钢纤维橡胶混凝土强度最高，一旦二者均超过了临界值，则随橡胶和钢纤维二者中任何一个掺量的增加都将导致强度下降。
此抗折试验中，1.5%掺量的钢纤维对15%掺量的橡胶混凝土改善效果最好，在节省钢纤维材料
图5可见，C和SFORR5C两种材料的试块从出现裂纹到破坏需要的时间极短，表现出“一裂即断”的脆性破坏状态，而加入钢纤维的改性橡胶混凝土构件在达到抗折极限破坏时只是在试件的中间底部出现多条细小的裂缝，并且试件没有完全断开，表现出“裂而不断”的延性破坏性质，在一定程度上钢纤维的加入，一方面抵消了普通混凝土因橡胶颗粒的加入所导致的棱柱体抗折强度的降低，另一方面又增加了橡胶混凝土的韧性。
3 结论
通过钢纤维改性橡胶混凝土的力学性能试验研究，可得出以下结论：
1)掺5%的橡胶对基准混凝土强度影响不大；橡胶掺量大于10%时，随着橡胶掺量的增加，混凝土强度下降较大；不同掺量的钢纤维对不同橡胶掺量的混凝土强度提升程度不同；橡胶掺量和钢纤维掺量二者之间有一相关的临界值，待二者掺量均达到临界值时，钢纤维橡胶混凝土强度最大；掺钢纤维能明显提高橡胶混凝土的韧性。
2)在立方体抗压和棱柱体轴压试验中，除15%、20%橡胶掺量的混凝土强度随钢纤维量增加持续增大外，其他的在钢纤维量达到1. 0%后开始降低；钢纤维掺量达到1.0%时的橡胶混凝土立方体抗压强度已超过素混凝土，而掺入钢纤维后的橡胶混凝土轴压强度与素混凝土的相当或稍有提高。
3)钢纤维的掺入对橡胶混凝土梁的抗折强度有显著的提高，随着钢纤维掺量的增加，橡胶混凝土抗折强度均提高。掺1. 5%钢纤维对橡胶混凝土抗折强度改善情况最好，其中对5%橡胶掺量的混凝土提高最小，提高量也达25.1%，且比素混凝土提高21.0%；对15%橡胶掺量的混凝土提高量最大，能达到81.6%，比素混凝土提高46.4%。
4[摘要]以钢纤维作为改性材料，分别以0.5%、1.0%、1.5%的体积率掺入到不同橡胶掺量(5%、10%、15%、20%)的橡胶混凝土中，通过立方体抗压试验、轴心抗压试验和小梁抗折试验，研究了钢纤维改性橡胶混凝土的基本力学性能。试验结果表明：对较多橡胶掺量的橡胶混凝土，钢纤维的掺入对立方体抗压强度提高比较明显，对轴心抗压强度的提高不明显，对橡胶混凝土抗折强度和韧性有显著提高，并随钢纤维掺量增加而增大。
