高玲玲

（山西水利职业技术学院 工程管理系，山西 太原 030027）

随着汽车工业的发展，废旧轮胎的回收利用受到越来越广泛的关注。废旧轮胎主要由橡胶、炭黑以及金属等组成，具有极高的资源再生利用价值[1-2]，但不恰当的贮存、再生、处置会造成环境和安全问题，影响人们的身体健康。因此，如何合理有效地利用和处置废旧轮胎、防止环境污染已成为人们必须面对的问题。

目前，废轮胎主要用于再生橡胶和制作胶粉，而金属钢丝部分则没有较好的利用渠道[3-4]。由于轮胎用钢丝多为冷拔或回火钢丝，抗拉强度高达1600 MPa，具备优异的抗拉、抗弯性能[5]。随着钢纤维混凝土的研究应用[6-12]以及废轮胎回收加工工艺的发展，利用废轮胎制作钢纤维，进而生产废轮胎钢纤维混凝土已成为可能。本文围绕废轮胎钢纤维和废轮胎钢纤维混凝土的制备、应用展开，通过对比试验研究废轮胎钢纤维混凝土的弯曲韧性，以期为废轮胎钢丝的循环利用提供借鉴。

1 试验

1.1 原材料

（1）废轮胎钢纤维：唐山致泰钢纤维有限公司产，主要经抽丝-切断-整形流程加工获得，钢纤维均匀、切口整齐、个别表面有少量橡胶粘连；普通钢纤维：唐山致泰钢纤维有限公司产，钢纤维均匀、切口整齐、表面亮泽。2种钢纤维的主要性能指标见表1。

表1 钢纤维的主要性能指标

（2）水泥：山西产威顿P·O42.5，主要性能指标见表2。

表2 水泥的主要性能指标

（3）粗集料：5～20 mm石灰岩碎石，级配如表3所示。

表3 粗集料的级配

（4）细集料：杜陵河中砂，细度模数约2.7，级配如表4所示。

表4 细集料的级配

（5）水：自来水。

1.2 试验配比

为表征废轮胎钢纤维混凝土的韧性，试验以C40混凝土为基体，添加不同掺量的钢纤维，配制不同体积率的废轮胎钢纤维混凝土和普通钢纤维混凝土，比较二者的弯曲韧性。

混凝土配合比设计参照JTG/T F30—2015《公路水泥混凝土路面施工技术细则》进行，基体混凝土配合比（kg）为：m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=195∶380∶833∶981，减水剂掺量以混凝土坍落度达到30～55 mm为准。

经试配测试，达到同等韧性时废轮胎钢纤维体积掺量较普通钢纤维高。根据试配结果，并适当扩大钢纤维的掺量，拟定2种钢纤维的体积掺量如表5所示。

表5 达到同等韧性时2种钢纤维对应的体积掺量

1.3 性能测试方法

钢纤维混凝土的弯曲韧性参照ASTM C1018韧度指数法进行测试，该方法利用理想塑性体作为材料韧性的参考标准。试验首先成型350 mm×100 mm×100 mm的小梁试件，标养28 d后采用三点弯曲的方式进行加载测试。ASTM C1018提出了第1条裂缝出现时韧性的测试方法，并采用3个指标评价钢纤维混凝土的韧性：第1条裂缝出现时梁的跨中挠度δ，韧性指标I和残余强度指标R。用I和R可衡量钢纤维混凝土的韧性和能量吸收能力。

韧性指标I根据混凝土小梁第1条裂缝出现时的变形及其相对应的断裂能量来确定。其定义的韧性指标有3个：I5、I10和I30（或I20），计算方法如图1所示，分别为3.0δ、5.5δ和15.5δ处曲线所包围的面积与δ处曲线所包围的面积比值。对于残余强度指数 R，该方法引进了 3 个系数：R5，10、R10，20和 R10，30，其中 R5，10=20（I10-I5），R10，20=10（I20-I10），R10，30=5（I30-I10）。

图1 ASTM C1018韧度指数法

ASTM C1018 韧度指数法的优点有：韧性指标 I5、I10、I20、I30无量纲，不受试件形状、尺寸的影响，便于不同性能和不同试件尺寸的钢纤维混凝土进行比较。

2 试验结果与分析

2.1 荷载-挠度曲线

不同体积掺量废轮胎钢纤维混凝土、普通钢纤维混凝土的荷载-挠度曲线分别如图2、图3所示。

图2 不同体积掺量废轮胎钢纤维混凝土的荷载-挠度曲线

图3 不同体积掺量普通钢纤维混凝土的荷载-挠度曲线

由图2、图3可见，素混凝土小梁（未掺钢纤维的试件）底部一旦开裂则迅速扩张到顶部，属脆性破坏。掺入钢纤维后，混凝土小梁初次开裂的荷载呈现较大幅度的上升，达到开裂荷载后断裂；断裂后，仍然能够依靠钢纤维与混凝土的粘结承受较大荷载，从而提高了小梁的延性和韧性，改变了其破坏方式。

随钢纤维掺量的增加，2种混凝土小梁试件开裂后的最大跨中挠度均不断提高，即使裂缝最终贯穿整个截面，小梁仍能承担一定荷载，而且这种现象随钢纤维掺量的增加更加明显。荷载-挠度曲线则表现为：初裂后曲线更趋饱满、荷载二次峰值越来越高。

2.2 钢纤维体积掺量和类型对混凝土弯曲韧性的影响

在荷载-挠度曲线的基础上，依据前述方法计算废轮胎钢纤维混凝土、普通钢纤维混凝土的弯曲韧性指数和剩余强度系数如表6所示。

表6 2种钢纤维混凝土的弯曲韧性指数和剩余强度系数

由表6可见，随钢纤维体积掺量的增加，2种钢纤维混凝土的弯曲韧性指数均不断增大，且I30的增速大于I20，I20的增速大于I10，I5最小。即：随纤维体积掺量的增加，混凝土越接近理想弹塑性材料。同时，在荷载作用后期，钢纤维掺量越高，越能体现出优越的韧性。剩余强度系数R10，30均明显大于R10，20也能体现出这一观点。

对比2种钢纤维的增韧效果可以发现：体积掺量相近时，普通钢纤维混凝土较废轮胎钢纤维的韧性指数高30%～40%，这可能与废轮胎钢纤维的加工工艺、外形特征等因素有关。若要达到相同的韧性，则废轮胎钢纤维的体积掺量需较普通钢纤维增加25%～45%。

3 结语

（1）掺入废轮胎钢纤维对水泥混凝土的弯曲韧性具有明显的提高作用，同废轮胎胶粉一样，废轮胎钢纤维也可以作为绿色筑路材料进行资源循环利用。

（2）随钢纤维体积掺量的增加，初裂后荷载-挠度曲线更趋饱满、荷载二次峰值不断提高，混凝土越接近理想弹塑性材料。

（3）钢纤维体积掺量相同时，普通钢纤维混凝土的弯曲韧性明显高于废轮胎钢纤维。若要达到相同韧性指数，废轮胎钢纤维的掺量需较普通钢纤维增加25%～45%。

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