摘 要：在西部高原机场建设需求下，针对水泥混凝土道面因恶劣环境出现的诸多问题，本文研究了改性橡胶和不同掺量纤维对混凝土力学性能的影响。通过设计不同配合比，制备并测试改性橡胶 - 纤维混凝土的抗压、抗拉强度。结果表明，改性橡胶能提升混凝土抗拉和抗压强度，其作用机制包括增强界面粘结、填充孔隙、约束水泥石变形和耗能等。纤维掺量对混凝土力学性能影响呈先升后降趋势，在本实验中，1.5% 的纤维掺量时改性橡胶混凝土抗拉、抗压强度较高，过高掺量会因团聚和影响工作性能导致强度降低。本研究为改性橡胶 - 纤维混凝土在西部高原机场的应用提供了参考依据。

关键词：混凝土；改性橡胶；钢纤维；力学性能

Abstract：Under the demand of the construction of western plateau airports， the influence of modified rubber and different dosages of fibers on the mechanical properties of concrete is investigated in this paper， in view of the many problems of cement concrete pavement due to the harsh environment. The compressive and tensile strengths of modified rubber-fiber concrete were prepared and tested by designing different mix ratios. The results show that the modified rubber can improve the tensile and compressive strength of concrete， and its mechanism of action includes enhancing interfacial bonding， filling pores， restraining the deformation of cement stone and energy consumption. The effect of fiber dosage on the mechanical properties of concrete shows a tendency of increasing and then decreasing， in this experiment， the tensile and compressive strength of modified rubber concrete is higher at 1.5% fiber dosage， and too high a dosage will lead to a reduction in strength due to agglomeration and affecting the working properties. This study provides a reference for the application of modified rubber-fiber concrete in western plateau airports.

Keywords： concrete; modified rubber; steel fiber; mechanical properties

0 引言

在现代交通蓬勃发展的大背景下，航空运输网络日益广泛地覆盖各个区域，加之国家积极推进西部地区大开发战略以及“一带一路”倡议[1]，西藏航空发展规划明确提出，力争使全区通用机场总数达到59个。西部高原地区自然环境条件极为恶劣，这对水泥混凝土道面的使用品质提出极高的要求[2]。水泥混凝土道面作为我国机场最主要的道面结构形式，其性能优劣直接关系到机场水泥道面的服役寿命[3]。在西部高原地区，由于冻融循环等恶劣环境因素的长期作用，机场道面混凝土频繁出现大量龟裂、脱皮、掉边掉角、断板等现象[4-6]，因此，提升机场道面混凝土的力学性能已成为亟待解决的关键难题。

目前，业界主要通过使用不同掺合料、外加剂以及纤维材料等方式提升混凝土的性能。例如，在混凝土加入橡胶颗粒能够显著提高其力学性能，但随着橡胶粉掺量的增加，橡胶粉会抑制内部水花反应，导致混凝土强度迅速下降[7-8]。而纤维材料则具有防裂抗渗的作用，能够有效改善混凝土的韧性。在此情况下，探寻不同材料的最佳掺量界限，以及深入研究其对混凝土力学性能和微观研究的影响，成为了该领域的研究重点。

基于上述背景，本文研究了改性橡胶对混凝土力学性能的影响，并进一步着重探究了不同掺量的纤维材料对其混凝土抗压强度、抗拉强度的影响变化，同时分析了改性橡胶-纤维混凝土的微观现象，旨在为改性橡胶-纤维混凝土在西部高原机场的实际应用提供有价值的参考依据。

1 原材料及测试方法

1.1原材料

橡胶混凝土的原材料主要包括为水泥、改性橡胶颗粒、纤维、水、粗骨料、细骨料、砂以及减水剂。

（1）水泥。采用42.5级普通硅酸盐水泥。

（2）橡胶颗粒。采用改性橡胶颗粒，表观密度为1030kg/m³。

（3）纤维。采用普通碳钢纤维。

（4）水。饮用水。

（5）碎石。大碎石，粒径；小碎石，粒径

（6）粗骨料与细骨料。本试验选用的粗骨料为天然碎石，连续级配，公称粒径为5～25mm，表观密度2750kg/m³。细骨料为天然砂，细度模数为2.65～3.20，表观密度1050kg/m³。

（7）减水剂。采用聚羧酸性减水剂，减水率≥40%。

1.2试验方案设计

根据MH/T5004-2010《民用机场水泥混凝土道面设计规范》及MH5006-2015《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》，进行不同类型改性橡胶-纤维混凝土配合比设计。试验确定混凝土基准配合比，其中，水泥用量472kg/m³、大碎石572.4kg/m³、小碎石191.8kg/m³、砂461.5kg/m³、水198kg/m³、减水剂19.8kg/m³。在控制水胶比及胶凝材料用量不变的条件下，采用相同改性橡胶颗粒粒径（3～5），2种不同的橡胶颗粒掺量（0、20%）等体积替代细骨料进行混凝土配置；在控制水胶比、胶凝材料及改性橡胶颗粒掺量不变的条件下，采用相同纤维材料，3种不同的纤维掺量（1%、1.5%、2%）等体积替代细骨料进行混凝土配置。研究在相同养护龄期下，改性橡胶-纤维对橡胶混凝土力学性能（抗压强度、抗拉强度及抗折强度）的影响规律。

1.3试件制备与养护

橡胶混凝土的立方体试样制备流程包括搅拌阶段、制备阶段及养护阶段，具体步骤如下：

（1）搅拌阶段。将原料加入混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌时间为1～2分钟。

（2）制备阶段。装入模具后，利用振捣台振动排出混凝土内大气泡，使混凝土振捣密实；在室温下静置成型后脱模。

（3）养护阶段。试件脱模后进行编号区分并进行标准养护，然后进行力学性能测试。

1.4测试方法

抗拉强度、抗压强度都是混凝土重要的力学性能。力学性能试验均参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019进行。抗拉试验、抗压试验采用试件大小为：150mm×150mm×150mm；抗拉试验、抗压试验采用TYA-2000型电液试压力试验机进行试验。

抗压、抗压试验过程中均匀加载至试件完全失效，加载速率设定为0.5MPa/s，记录破坏时的荷载F（N）。上述试验均制作三个平行间，取其平均值作为测试结果。

混凝土立方体试件抗压强度计算公式如下所示。

式中，为立方体抗压强度（MPa）；F为试件破坏荷载（N）;A为试件承压面积（mm2）。

混凝土立方体试件抗拉强度计算公式如下所示。

式中，为立方体抗拉强度（MPa）；F为试件破坏荷载（N）;A为试件劈裂面积（mm2）。

2 橡胶-纤维混凝土力学性能研究

2.1改性橡胶对混凝土强度影响

为了研究改性橡胶对橡胶混凝土强度的影响，对1、2组混凝土进行抗拉、抗压实验，其中基础对照组的改性橡胶掺量为0，根据上述性能计算公式。试验结果如图1、图2所示。

从图1可以看出，应力方面，基础对照组，其峰值应力约为 3.2MPa，在应变达到约 0.6% 时，应力基本达到峰值，之后趋于平稳；改性橡胶混凝土，其峰值应力约为 6MPa ，在应变接近 1.0% 时达到峰值，相比基础对照组，峰值应力提高了约 87.5%，表明改性橡胶混凝土在承受拉力时能达到更高的应力水平，抗拉能力显著增强。应变方面，基础对照组，达到峰值应力 3.2MPa 时，对应的应变约为 0.6% ；改性橡胶混凝土，达到峰值应力 6MPa 时，对应的应变约为 0.9% ，相较于基础对照组，在达到峰值应力时能承受更大的变形，说明改性橡胶混凝土的延性更好。从图2可以看出，应力方面，基础对照组，其峰值应力约为 40MPa ，在应变达到约 0.6% 时，应力基本达到峰值，随后有所下降；改性橡胶混凝土，其峰值应力约为 48MPa ，在应变接近 1.0% 时达到峰值，相比基础混凝土，峰值应力提高了约 20% ，表明改性橡胶混凝土在承受压力时能达到更高的应力水平，抗压能力有所增强。应变方面，基础对照组，达到峰值应力 40MPa 时，对应的应变约为 0.6%；改性橡胶混凝土，达到峰值应力 48MPa 时，对应的应变约为 0.9% ，相较于基础混凝土，在达到峰值应力时能承受更大的变形，说明改性橡胶混凝土的延性更好。

主要原因如下，从微观结构看，改性橡胶粒径较小，能填充水泥石内部孔隙与微裂缝，减少内部缺陷，使混凝土结构更密实，增强抵抗外力能力，提升抗压强度的同时，也为抗拉提供了更坚实的内部结构基础。改性处理改变了橡胶表面化学性质，增强了与水泥浆体的界面粘结力，使橡胶颗粒与水泥石能更好协同工作，共同承担荷载，避免界面过早破坏，这对提高整体的抗拉、抗压强度均有益。在受力时，橡胶本身良好的弹性和柔韧性使改性橡胶颗粒发生弹性变形，吸收和耗散能量，延缓内部微裂纹的产生和扩展，保持混凝土结构完整性，无论是受拉还是受压状态下，都能有效增强混凝土的强度。此外，改性橡胶颗粒均匀分布在混凝土中，对周围水泥石产生约束作用，限制水泥石横向变形，使混凝土处于更有利的应力状态，类似施加侧向压力，进而提高抗压强度，同时这种约束也在一定程度上增强了混凝土的抗拉性能。

2.2纤维掺量对改性橡胶混凝土强度影响

为研究纤维掺量对改性橡胶混凝土抗拉、抗压强度的影响，对2、3、4、5组混凝土进行抗拉实验，实验结果如图3、图4所示。

从图3可以看出，掺入纤维（1%、1.5%、2%）的改性橡胶-纤维混凝土的应力-应变曲线在大部分应变区间内均高于无纤维的改性橡胶-纤维混凝土，表明纤维的加入能够提升改性橡胶混凝土的抗拉强度。随着纤维掺量从1%增加到1.5%，抗拉强度显著提高；但当纤维掺量从1.5%增加到2%时，抗拉强度有所下降，说明纤维掺量并非越高越好。具体而言，无纤维的改性橡胶-纤维混凝土峰值应力约为6MPa，应变达到1.0%时达到峰值；纤维掺量为1%时，峰值应力约为8.5MPa，应变约为1.0%，峰值应力提高了41.7%；纤维掺量为1.5%时，峰值应力最高，约为10.5MPa，应变在1.5%-2.0%之间达到峰值，峰值应力提升了75%；纤维掺量为2%时，峰值应力约为8MPa，应变在1.0%-1.5%之间达到峰值，比1.5%掺量时降低了23.8%。在应变方面，无纤维和1%纤维掺量的混凝土在应变约为1.0%时达到峰值应力，1.5%纤维掺量的混凝土在应变1.5%-2.0%时达到峰值，表现出更大的变形能力，而2%纤维掺量的混凝土在应变1.0%-1.5%时达到峰值。实验结果表明，1.5%的纤维掺量可能是改性橡胶混凝土获得较高抗拉强度的较优掺量。

从图4可以看出，掺入橡胶（1%、1.5%、2%）的改性橡胶-纤维混凝土的应力-应变曲线在大部分应变区间内均高于无橡胶的改性橡胶-纤维混凝土，表明橡胶的加入能够提升改性橡胶混凝土的抗压强度。随着橡胶掺量从1%增加到1.5%，抗压强度显著提高；但当橡胶掺量从1.5%增加到2%时，抗压强度有所下降，说明橡胶掺量并非越高越好。具体而言，无橡胶的改性橡胶-纤维混凝土峰值应力约为48MPa，应变达到0.8%时达到峰值；橡胶掺量为1%时，峰值应力约为68MPa，应变在1.2%-1.4%时达到峰值，峰值应力提高了41.7%；橡胶掺量为1.5%时，峰值应力最高，约为78MPa，应变在1.0%-1.2%时达到峰值，峰值应力提升了62.5%；橡胶掺量为2%时，峰值应力约为65MPa，应变约为1.0%时达到峰值，比1.5%掺量时降低了16.7%。在应变方面，无橡胶的混凝土在应变约为0.8%时达到峰值应力，1%和1.5%橡胶掺量的混凝土分别在应变1.2%-1.4%和1.0%-1.2%时达到峰值，而2%橡胶掺量的混凝土在应变1.0%时达到峰值。实验结果表明，1.5%的橡胶掺量可能是改性橡胶混凝土获得较高抗压强度的较优掺量。

造成上述变化的主要原因是：当纤维掺量较低时（如1%），纤维在混凝土中均匀分散，起到“微加筋”作用，能够有效限制裂纹扩展，从而提高抗拉强度和抗压强度。当纤维掺量增加到中等水平（如1.5%），纤维形成密集的三维网络结构，与橡胶颗粒和水泥基体协同工作，进一步分散应力，抑制裂纹扩展，显著提高强度。然而，当纤维掺量过高（如2%），纤维难以均匀分散，易发生团聚，导致混凝土内部结构不均匀，降低流动性并形成孔隙和缺陷，从而削弱整体强度。

3 结论

（1）改性橡胶通过增强与水泥浆体的界面粘结力、填充水泥石内部孔隙与微裂缝、约束水泥石横向变形以及吸收耗散能量等作用，有效提升了混凝土的抗拉强度和抗压强度，显著改善了混凝土的力学性能。

（2）纤维掺量对改性橡胶混凝土的抗拉强度和抗压强度影响显著，在一定范围内（如本实验中的 1% - 1.5%），随着纤维掺量增加，混凝土强度提升；但超过一定掺量（如本实验中的 1.5% - 2%），因纤维团聚、影响混凝土工作性能等问题，强度会下降。在本研究的实验条件下，1.5% 的纤维掺量是使改性橡胶混凝土获得较高抗拉和抗压强度的较优掺量。

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