高玲玲

（山西水利職業(yè)技術(shù)學院 工程管理系，山西 太原 030027）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，廢舊輪胎的回收利用受到越來越廣泛的關(guān)注。廢舊輪胎主要由橡膠、炭黑以及金屬等組成，具有極高的資源再生利用價值[1-2]，但不恰當?shù)馁A存、再生、處置會造成環(huán)境和安全問題，影響人們的身體健康。因此，如何合理有效地利用和處置廢舊輪胎、防止環(huán)境污染已成為人們必須面對的問題。

目前，廢輪胎主要用于再生橡膠和制作膠粉，而金屬鋼絲部分則沒有較好的利用渠道[3-4]。由于輪胎用鋼絲多為冷拔或回火鋼絲，抗拉強度高達1600 MPa，具備優(yōu)異的抗拉、抗彎性能[5]。隨著鋼纖維混凝土的研究應(yīng)用[6-12]以及廢輪胎回收加工工藝的發(fā)展，利用廢輪胎制作鋼纖維，進而生產(chǎn)廢輪胎鋼纖維混凝土已成為可能。本文圍繞廢輪胎鋼纖維和廢輪胎鋼纖維混凝土的制備、應(yīng)用展開，通過對比試驗研究廢輪胎鋼纖維混凝土的彎曲韌性，以期為廢輪胎鋼絲的循環(huán)利用提供借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

（1）廢輪胎鋼纖維：唐山致泰鋼纖維有限公司產(chǎn)，主要經(jīng)抽絲-切斷-整形流程加工獲得，鋼纖維均勻、切口整齊、個別表面有少量橡膠粘連；普通鋼纖維：唐山致泰鋼纖維有限公司產(chǎn)，鋼纖維均勻、切口整齊、表面亮澤。2種鋼纖維的主要性能指標見表1。

表1 鋼纖維的主要性能指標

（2）水泥：山西產(chǎn)威頓P·O42.5，主要性能指標見表2。

表2 水泥的主要性能指標

（3）粗集料：5～20 mm石灰?guī)r碎石，級配如表3所示。

表3 粗集料的級配

（4）細集料：杜陵河中砂，細度模數(shù)約2.7，級配如表4所示。

表4 細集料的級配

（5）水：自來水。

1.2 試驗配比

為表征廢輪胎鋼纖維混凝土的韌性，試驗以C40混凝土為基體，添加不同摻量的鋼纖維，配制不同體積率的廢輪胎鋼纖維混凝土和普通鋼纖維混凝土，比較二者的彎曲韌性。

混凝土配合比設(shè)計參照JTG/T F30—2015《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細則》進行，基體混凝土配合比（kg）為：m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=195∶380∶833∶981，減水劑摻量以混凝土坍落度達到30～55 mm為準。

經(jīng)試配測試，達到同等韌性時廢輪胎鋼纖維體積摻量較普通鋼纖維高。根據(jù)試配結(jié)果，并適當擴大鋼纖維的摻量，擬定2種鋼纖維的體積摻量如表5所示。

表5 達到同等韌性時2種鋼纖維對應(yīng)的體積摻量

1.3 性能測試方法

鋼纖維混凝土的彎曲韌性參照ASTM C1018韌度指數(shù)法進行測試，該方法利用理想塑性體作為材料韌性的參考標準。試驗首先成型350 mm×100 mm×100 mm的小梁試件，標養(yǎng)28 d后采用三點彎曲的方式進行加載測試。ASTM C1018提出了第1條裂縫出現(xiàn)時韌性的測試方法，并采用3個指標評價鋼纖維混凝土的韌性：第1條裂縫出現(xiàn)時梁的跨中撓度δ，韌性指標I和殘余強度指標R。用I和R可衡量鋼纖維混凝土的韌性和能量吸收能力。

韌性指標I根據(jù)混凝土小梁第1條裂縫出現(xiàn)時的變形及其相對應(yīng)的斷裂能量來確定。其定義的韌性指標有3個：I5、I10和I30（或I20），計算方法如圖1所示，分別為3.0δ、5.5δ和15.5δ處曲線所包圍的面積與δ處曲線所包圍的面積比值。對于殘余強度指數(shù) R，該方法引進了 3 個系數(shù)：R5，10、R10，20和 R10，30，其中 R5，10=20（I10-I5），R10，20=10（I20-I10），R10，30=5（I30-I10）。

圖1 ASTM C1018韌度指數(shù)法

ASTM C1018 韌度指數(shù)法的優(yōu)點有：韌性指標 I5、I10、I20、I30無量綱，不受試件形狀、尺寸的影響，便于不同性能和不同試件尺寸的鋼纖維混凝土進行比較。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 荷載-撓度曲線

不同體積摻量廢輪胎鋼纖維混凝土、普通鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同體積摻量廢輪胎鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線

圖3 不同體積摻量普通鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線

由圖2、圖3可見，素混凝土小梁（未摻鋼纖維的試件）底部一旦開裂則迅速擴張到頂部，屬脆性破壞。摻入鋼纖維后，混凝土小梁初次開裂的荷載呈現(xiàn)較大幅度的上升，達到開裂荷載后斷裂；斷裂后，仍然能夠依靠鋼纖維與混凝土的粘結(jié)承受較大荷載，從而提高了小梁的延性和韌性，改變了其破壞方式。

隨鋼纖維摻量的增加，2種混凝土小梁試件開裂后的最大跨中撓度均不斷提高，即使裂縫最終貫穿整個截面，小梁仍能承擔一定荷載，而且這種現(xiàn)象隨鋼纖維摻量的增加更加明顯。荷載-撓度曲線則表現(xiàn)為：初裂后曲線更趨飽滿、荷載二次峰值越來越高。

2.2 鋼纖維體積摻量和類型對混凝土彎曲韌性的影響

在荷載-撓度曲線的基礎(chǔ)上，依據(jù)前述方法計算廢輪胎鋼纖維混凝土、普通鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)和剩余強度系數(shù)如表6所示。

表6 2種鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)和剩余強度系數(shù)

由表6可見，隨鋼纖維體積摻量的增加，2種鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)均不斷增大，且I30的增速大于I20，I20的增速大于I10，I5最小。即：隨纖維體積摻量的增加，混凝土越接近理想彈塑性材料。同時，在荷載作用后期，鋼纖維摻量越高，越能體現(xiàn)出優(yōu)越的韌性。剩余強度系數(shù)R10，30均明顯大于R10，20也能體現(xiàn)出這一觀點。

對比2種鋼纖維的增韌效果可以發(fā)現(xiàn)：體積摻量相近時，普通鋼纖維混凝土較廢輪胎鋼纖維的韌性指數(shù)高30%～40%，這可能與廢輪胎鋼纖維的加工工藝、外形特征等因素有關(guān)。若要達到相同的韌性，則廢輪胎鋼纖維的體積摻量需較普通鋼纖維增加25%～45%。

3 結(jié)語

（1）摻入廢輪胎鋼纖維對水泥混凝土的彎曲韌性具有明顯的提高作用，同廢輪胎膠粉一樣，廢輪胎鋼纖維也可以作為綠色筑路材料進行資源循環(huán)利用。

（2）隨鋼纖維體積摻量的增加，初裂后荷載-撓度曲線更趨飽滿、荷載二次峰值不斷提高，混凝土越接近理想彈塑性材料。

（3）鋼纖維體積摻量相同時，普通鋼纖維混凝土的彎曲韌性明顯高于廢輪胎鋼纖維。若要達到相同韌性指數(shù)，廢輪胎鋼纖維的摻量需較普通鋼纖維增加25%～45%。

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