随着汽车工业发展迅速, 废旧轮胎产量越来越大。废旧轮胎不易降解, 不论焚烧、填埋、堆放都严重污染环境。近年来, 国内外对橡胶混凝土进行了大量的研究, 橡胶混凝土与普通混凝土相比具有良好的韧性、较高的延性、优良的抗渗抗冻和抗冲击等性能, 且能回收利用资源。但掺入橡胶颗粒会导致混凝土抗压、抗折、抗拉强度及耐磨性能降低, 是橡胶混凝土应用于路面的障碍^[1,2,3]。纤维以优越的阻裂作用和对强度的改善作用被广泛应用于混凝土工程中^[4,5,6]。塑钢纤维是一种新型增强增韧纤维, 具有耐久性好、质量轻、纤维分散好、易于搅拌等合成软纤维的优点, 塑钢纤维的掺入可以明显改善橡胶混凝土的力学性能, 可一定程度上弥补橡胶在混凝土中负面效应。

　　 在橡胶混凝土中掺入适量塑钢纤维提高了橡胶混凝土抗拉强度与弯曲韧性, 增加韧性, 降低脆性, 路用性能得到明显改善。本文主要通过研究不同掺量塑钢纤维橡胶混凝土的强度、弯曲韧性、抗冲击性能及耐磨性能的变化规律, 考察塑钢纤维对橡胶混凝土路用性能的改善程度, 并从宏观上分析塑钢纤维的改性效果。试验得到塑钢纤维掺入对橡胶混凝土各项性能的影响规律, 配置具有性能优良的塑钢纤维橡胶混凝土, 为废旧橡胶的回收利用提供一种途径。

　　 1) 水泥采用P·O42.5R级普通早强型硅酸盐水泥, 水泥物理性能见表1;2) 中砂细度2.82, 含泥量3.42%, 表观密度2 604.6kg/m³, 堆积密度1 545.0kg/m³, 孔隙率34.6%;3) 石子颗粒级配合格, 表观密度2 690.1kg/m³, 堆积密度1 521.3kg/m³, 孔隙率44.1%;4) 橡胶颗粒细度5～10目, 堆积密度610kg/m³;5) 塑钢纤维密度0.91kg/m³, 当量直径0.65～1.0mm, 长度30～40mm, 断裂延伸率11%, 熔点169℃, 燃点582℃, 抗拉强度620MPa, 弹性模量6 129MPa, 纤维无吸水性, 抗酸碱性强;6) 水为普通饮用自来水;7) 粉煤灰为Ⅱ级, 矿渣粉为S95级。

　　 设计的混凝土强度等级为C30, 砂率为40%, 水胶比为0.42。橡胶颗粒粒径为5～10目, 代替10%体积的砂, 将橡胶颗粒加入到混凝土中;橡胶混凝土配合比如表2所示, 以橡胶混凝土作为基准, 分别外掺塑钢纤维2, 4, 6, 8, 10kg/m³;按胶凝材料的12.5%掺入粉煤灰, 胶凝材料的12.5%掺入矿渣粉。抗压强度、劈裂抗拉强度所需试件尺寸为100mm×100mm×100mm, 抗折强度、弯曲韧性及抗冲击韧性试验所需试件尺寸为100mm×100mm×400mm, 耐磨试验所需试件尺寸为150mm×150mm×150mm, 每组3个试件。

　　 在塑钢纤维橡胶混凝土的力学性能测试试验过程中, 搅拌设备采用60L强制式试验搅拌机。立方体抗压试验仪器为WHY-2000型微机控制全自动压力试验机, 劈裂抗拉试验采用TYE-2000B型压力试验机进行加载, 抗折试验用万能试验机进行加载, 用TDS-530数据采集仪采集荷载-挠度曲线, 抗冲击性能试验采用自制试验仪器, 耐磨试验采用TMS-04型混凝土耐磨试验机。

　　 橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试件抗压试验破坏形态见图1。由立方体抗压破坏形态来看, 掺塑钢纤维的试件比橡胶混凝土试件在受压破坏后形态更完整。橡胶混凝土受压时先是有微小裂缝出现, 随着加载时间增长, 裂纹迅速扩展且宽度增大, 试件外鼓, 受压破坏后发生脆裂。掺入塑钢纤维的橡胶混凝土试件可以改善受压破坏形态, 出现了许多细裂缝但无明显贯穿裂缝, 受压过程完成后, 试件保持完整。裂缝随着荷载的增大必然会扩张, 但是塑钢纤维为了抵御变形而承担了增大的应力, 限制了裂缝的发展。

　　 橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土7d, 28d抗压强度见图2和表3。由图2和表3可知, 随着塑钢纤维掺量的增加, 钢塑纤维橡胶混凝土7d及28d抗压强度有先增加后降低的趋势, 加入塑钢纤维后其抗压强度相对于橡胶混凝土有不同程度的增加。加入塑钢纤维后, 7d抗压强度在掺量为6kg/m³时达到最大, 比不掺加塑钢纤维的橡胶混凝土抗压强度提高了13.7%。28d钢塑纤维橡胶混凝土抗压强度同样在塑钢纤维掺量6kg/m³时达到最大, 比不掺加塑钢纤维的橡胶混凝土抗压强度提高了15.2%。加入塑钢纤维后混凝土中形成三维乱向网状结构, 能够约束混凝土受压过程的横向膨胀, 有利于提高塑钢纤维橡胶混凝土抗压强度。但是塑钢纤维掺入过多时抗压强度降低, 是因为纤维比表面积增加, 纤维周围缺少足够的浆体, 密实度降低导致抗压强度降低。

　　 橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试件抗折试验破坏形态见图3。由图3可知, 橡胶混凝土受拉区出现裂缝后迅速开展, 在到达峰值荷载时突然断裂。而塑钢纤维橡胶混凝土则表现为延性破坏, 出现细小裂缝且开展速度较慢, 没有出现贯穿性裂纹, 试件整体性较好, 破坏过程相对缓慢。由于塑钢纤维是高抗拉强度材料, 掺入后在混凝土内部相互搭接、错综分布, 能够有效地延缓开裂时间, 阻止裂缝发展, 降低开裂破坏程度, 保持了试件的完整性。

　　 由图4可知, 随着塑钢纤维掺量的增加, 抗折强度先呈上升趋势, 后呈下降趋势。以橡胶混凝土为基准, 塑钢纤维掺量分别为2, 4, 6, 8, 10kg/m³时, 抗折强度分别提高了6%, 11%, 20%, 25%, 17%, 说明塑钢纤维对提高橡胶混凝土的抗折强度有利。塑钢纤维掺量8kg/m³时试件的抗折强度最大, 为最优掺量。塑钢纤维能够改善混凝土的抗折强度主要原因是乱向分布的纤维能够抑制混凝土内部裂缝的开展, 过程中消耗大量的能量, 延缓破坏, 纤维被拉断或拔出, 最终混凝土试件被破坏。由表4可以看出, 折压比基本呈先增大后减小的趋势, 混凝土折压比在8kg/m³时达到最大, 为最优掺量。从而说明橡胶混凝土掺入塑钢纤维后可以改善橡胶混凝土的抗折性能, 阻止橡胶混凝土的开裂。

　　 橡胶混凝土及塑钢纤维橡胶混凝土试件抗拉试验破坏形态见图5。由图5可知, 橡胶混凝土表面出现裂缝, 达到峰值荷载时, 试块在劈裂面完整的断开成两部分, 并且伴有明显的响声, 说明混凝土在达到峰值荷载时突然断裂的。而掺有塑钢纤维的橡胶混凝土, 随着荷载的增大, 没有出现类似基准混凝土, 即橡胶混凝土那样完全断开、一分为二的现象, 强度在达到峰值荷载后逐渐降低, 试件沿劈裂面有条明显的裂纹, 在劈裂破坏后比较完好, 在混凝土中加入塑钢纤维, 能够有效地抑制裂缝的产生及延伸, 增大了混凝土破坏时的延性。

　　 由图6可知, 随着塑钢纤维掺量的增加, 抗拉强度先呈上升趋势后呈下降趋势。峰值点出现在6kg/m³, 比橡胶混凝土抗拉强度提高了28%。由此说明塑钢纤维可以改善混凝土的抗拉性能。由表5可知, 随着纤维增加, 混凝土的拉压比基本呈先增大后减小的趋势, 说明塑钢纤维的掺入改善了橡胶混凝土的脆性问题。

　　 试验测得不同塑钢纤维掺量下橡胶混凝土的荷载-挠度曲线如图7所示。由图7可以看出, 不掺加塑钢纤维的橡胶混凝土试件基本上无法测得曲线的下降段, 试件一裂即断, 有很大的脆性。掺入塑钢纤维后的橡胶混凝土可以测得较为完整的荷载-挠度曲线, 随着塑钢纤维掺量的增加, 曲线趋于丰满, 曲线下面积有增大的趋势, 与峰值荷载对应的挠度值不断增加, 曲线下降更平缓。开裂前, 荷载增长快, 曲线呈直线上升趋势, 开裂后, 挠度增长速度加快, 试件中部出现裂缝并缓慢向上发展, 裂缝处塑钢纤维逐渐被拔出或拉断。低掺量塑钢纤维橡胶混凝土试件到达峰值荷载后, 荷载下降较快, 延性较差, 高掺量塑钢纤维橡胶混凝土试件到达峰值荷载后能保持较高的荷载。说明掺入塑钢纤维可以改善橡胶混凝土的脆性。

　　 目前混凝土的韧性评价还没有统一的方法。本文采用日本JSCE法和剩余强度法对塑钢纤维橡胶混凝土的韧性进行评价, 这两种方法不需精准的确定初裂点。

　　 JSCE法是利用弯曲韧度因子σ表示混凝土的韧性^[7], 表达式为:

　　 $\sigma =\frac{{\rm T}{}_{\text{b}}}{\delta {}_{\text{t}\text{b}}}\cdot \frac{l}{bh{}^2}(1)$

　　 式中:σ为韧度因子, MPa;δ_tb为设定的挠度值, 数值上等于跨距除以150, mm;T_b为挠度δ_tb前荷载-挠度曲线下的面积, N·mm;l为跨距, mm;b为试件宽度, mm;h为试件高度, mm。

　　 邓宗才等^[8]建议为了更好地反映纤维的增韧效果, 剩余强度可以将梁挠度2mm作为结束标准, 建议剩余强度S_AR为:

　　 $S{}_{\text{A}\text{R}}=\frac{l}{bh{}^2}\cdot \frac{{\rm P}{}_{0.5}+{\rm P}{}_{1.0}+{\rm P}{}_{1.5}+{\rm P}{}_{2.0}}{4}(2)$

　　 式中P_0.5, P_1.0, P_1.5, P_2.0分别是挠度为0.5, 1.0, 1.5, 2.0mm时的荷载。

　　 相对剩余强度S_IR的表达方式为:

　　 $S{}_{\text{Ι}\text{R}}=\frac{S{}_{\text{A}\text{R}}}{R{}_{\text{Μ}\text{Ο}}}\times 100\%(3)$

　　 式中R_MO为塑钢纤维橡胶混凝土的抗折强度。

　　 综合两种评价方法评价塑钢纤维橡胶混凝土的韧性指标, 见表6。其韧度因子、剩余强度随着塑钢纤维掺量的增加有先增大后减小的趋势, 塑钢纤维掺量8kg/m³时最大, 塑钢纤维掺量最佳。塑钢纤维掺量8kg/m³时的韧度因子和剩余强度比掺量2 kg/m³分别提高1.6倍、3.25倍。相对剩余强度随着塑钢纤维的增加有明显增大的趋势, 在掺量8kg/m³和10kg/m³时基本相同, 考虑到经济性和其他力学强度特性时应选择掺量8kg/m³。综合三个指标, 8kg/m³为最佳掺量。

　　 抗冲击性能是物体在反复荷载作用下吸收动能的能力, 是评价混凝土动力性能的一个重要方面^[9]。在路面工程中对混凝土抗冲击性能要求更高^[10]。掺入橡胶有利于提高混凝土的抗冲击性能, 材料吸收能量的能力提高。目前采用的标准冲击试验是受压冲击试验, 不能反映塑钢纤维橡胶混凝土在受弯拉状态下的基本特征, 所以试验采用的是弯折冲击试验法。自制试验设备如图8所示。落锤为质量3kg的钢球, 冲击高度300mm, 梁两端简支跨中距离为300mm, 冲击面放置一块100mm×100mm×8mm的钢垫板。抗冲击性能计算如下:

　　 $\begin{array}{l}W{}_1={\rm N}{}_{1}mgh(4)\\ W{}_2={\rm N}{}_{2}mgh(5)\end{array}$

　　 式中:W₁, W₂分别为初裂冲击耗能和破坏冲击耗能, J;N₁, N₂分别为初裂冲击次数和破坏冲击次数;m为冲击锤的质量, kg;h为冲击高度, mm;g为重力加速度, 取9.8m/s²。

　　 无塑钢纤维掺入的橡胶混凝土在冲击试验中破坏形态和抗折强度试验中破坏形态类似, 断裂成两部分。低掺量塑钢纤维橡胶混凝土试件一旦出现裂缝, 裂缝便会迅速发展, 开展到侧面和上表面。塑钢纤维掺量适中时, 底面裂缝宽度增长不明显, 侧面裂缝发展到上表面的速度缓慢, 破坏时间迅速增长。

　　 由表7可知, 塑钢纤维橡胶混凝土的抗冲击能力明显优于普通混凝土, 且随着塑钢纤维掺量的增大, 塑钢纤维橡胶混凝土的抗冲击性能的破坏耗能提高越明显。以橡胶混凝土为基准, 塑钢纤维掺量2, 4, 6, 8, 10kg/m³时, 破坏耗能分别是基准混凝土的2.54, 13, 31.29, 38.96, 53.13倍, 掺入塑钢纤维后橡胶混凝土的抗冲击性能有较大的提高, 掺量越高吸收更多的能量。硬化后的橡胶混凝土基体和纤维粘结成乱向分布的网状系统, 纤维和水泥基体粘结在一起, 提高了混凝土的抗冲击能力。根据表7绘制塑钢纤维掺量对橡胶混凝土冲击性能的影响变化曲线, 如图9所示。由图9可知, 对塑钢纤维掺量与破坏耗能回归分析, 掺量为0～10kg/m³时, 得到回归方程为:y=83.837x²+225.08x-379.7, 相关系数R²=0.981 8, 接近1.0, 拟合程度较理想。

　　 耐磨性是水泥混凝土路面主要耐久性指标之一^[9]。按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》 (JTG E30—2005) 中的规定进行耐磨性试验。记录试验前后的质量, 计算磨损量公式如下:

　　 $G{}_{\text{c}}=\frac{m{}_1-m{}_2}{0.0125}(6)$

　　 式中:G_c为单位面积的磨损量, kg/m³;m₁为试件的初始质量, kg;m₂为试件磨损后的质量, kg;0.012 5为试件磨损面积, m²。

　　 由表8可知, 橡胶混凝土的耐磨性随着塑钢纤维掺量的增大而增强, 当塑钢纤维掺量为2, 4, 6, 8, 10kg/m³时, 磨损量分别减少了2.9%, 8.6%, 14.3%, 20%, 25.7%, 说明塑钢纤维能够改善橡胶混凝土的耐磨性。主要是因为掺入塑钢纤维与水泥浆体在混凝土硬化后形成网状结构, 粘结强度随着龄期的增长而增大, 且纤维本身有较好的耐磨性。

　　 本文以橡胶混凝土为基准, 分别掺入2, 4, 6, 8, 10kg/m³塑钢纤维, 通过对其开展抗压、抗拉、弯曲韧性、抗冲击性能及耐磨等路用性能的试验研究, 得出以下结论:

　　 (1) 塑钢纤维掺入橡胶混凝土后, 有助于提高橡胶混凝土的抗压、抗拉、抗折强度, 都有先增大后减小的趋势。塑钢纤维掺量6kg/m³时28d抗压强度和抗拉强度最大, 比基准混凝土分别提高了15.2%和28%;纤维掺量8kg/m³时抗折强度最大, 比基准混凝土提高了25%。拉压比和折压比均是先增大后减小, 改善了橡胶混凝土的脆性。掺入塑钢纤维后, 能够明显改善试件的破坏形态, 整体性较好。

　　 (2) 掺入塑钢纤维后, 试件具有很好的弯曲韧性, 随着塑钢纤维掺量的增加, 弯曲韧性指数先增大后减小, 存在最优掺量。JSCE法和剩余强度法表明在掺量8kg/m³时韧性指数最大, 效果最好, 峰值荷载后可保持较高的荷载。低掺量塑钢纤维橡胶混凝土在峰值荷载后, 荷载下降较快, 延性较差。

　　 (3) 塑钢纤维掺入橡胶混凝土后, 能够明显增大橡胶混凝土的抗冲击性能和耐磨性能。对塑钢纤维掺量与破坏耗能回归分析, 拟合程度较为理想。

　　 (4) 综合考虑力学性能, 塑钢纤维掺量在6～8kg/m³, 塑钢纤维橡胶混凝土性能最为优异。