钢纤维增强橡胶混凝土长期性能与环境适应性研究

Research on the Long-Term Performance and Environmental Adaptability of Steel Fiber Reinforced Rubber Concrete

摘要: 本论文聚焦钢纤维增强橡胶混凝土在长期服役过程中的性能演变与环境适应性，通过开展干湿循环、碳化、氯离子侵蚀、超低温冻融及盐雾腐蚀等系列加速老化试验，系统研究混凝土在不同环境作用下的抗压、抗拉强度衰减规律，揭示钢纤维锈蚀对混凝土性能的影响机制，并分析橡胶掺量对钢纤维锈蚀的抑制作用。结果表明，适量钢纤维(1.0%~1.5%)与橡胶(5%~10%)掺量可显著提升混凝土在极端环境下的耐久性，其氯离子渗透深度较基准混凝土降低40%，−40℃超低温冻融500次后抗压强度保持率达75%。本研究为钢纤维增强橡胶混凝土在复杂环境道路工程中的应用提供了理论依据与数据支撑。

Abstract: This thesis focuses on the performance evolution and environmental adaptability of steel fiber reinforced rubber concrete during its long-term service. By conducting a series of accelerated aging tests such as dry-wet cycling, carbonation, chloride ion erosion, ultra-low temperature freeze-thaw and salt spray corrosion, it systematically studies the attenuation laws of compressive and tensile strength of concrete under different environmental effects. We establish a life prediction model based on time-varying parameters to reveal the influence mechanism of steel fiber corrosion on the performance of concrete, and analyze the inhibitory effect of rubber dosage on steel fiber corrosion. The results show that an appropriate dosage of steel fiber (1.0%~1.5%) and rubber (5%~10%) can significantly enhance the durability of concrete in extreme environments. The chloride ion penetration depth is 40% lower than that of the benchmark concrete, and the compressive strength retention rate reaches 75% after 500 freeze-thaw cycles at −40˚C. This research provides a theoretical basis and data support for the application of steel fiber reinforced rubber concrete in road engineering in complex environments.

1. 引言

在全球基础设施建设持续推进的大背景下，道路工程作为经济发展的关键支撑，其建设范围正不断向地质构造复杂、气候条件恶劣的区域拓展。从高海拔的雪域高原到湿热多雨的南方丘陵，从干旱多风沙的西北荒漠到海风侵蚀强烈的沿海地带，混凝土材料在服役过程中面临着干湿循环、碳化作用、氯离子侵蚀、冻融循环、风沙磨蚀等多重环境因素的协同作用[1]-[3]。传统混凝土因自身材料特性，在极端环境下易出现裂缝扩展、强度劣化、结构破坏等问题，其力学性能与耐久性能的衰退不仅缩短了工程的使用寿命，还大幅增加了后期维护成本，难以满足现代道路工程对长期服役性能的严苛要求。

钢纤维增强橡胶混凝土(Steel Fiber Reinforced Rubber Concrete, SFRRC)作为一种新型复合材料，通过将高强度钢纤维与废旧轮胎胶粉引入混凝土基体，实现了钢纤维的高强度桥接效应与橡胶的高弹性增韧特性的有机结合[4]-[10]。在常规环境下，该材料已被证实能够显著提升混凝土的抗压、抗拉、抗冲击等力学性能，同时在抗渗、抗裂等耐久性能方面也表现出色，为道路工程材料的创新发展提供了新的方向。然而，随着实际工程对材料在复杂环境下长期服役性能要求的不断提高，SFRRC在长期复杂环境下的性能演变规律及环境适应性研究仍存在诸多空白。例如，在高海拔严寒地区，混凝土需承受超低温冻融循环的反复作用；在沿海盐雾环境中，氯离子侵蚀与碳化作用的协同影响会加速材料性能劣化。但目前针对SFRRC在这些极端环境下的长期性能演变规律，以及多因素耦合作用下材料性能衰减机制的研究仍相对匮乏。

纵观国内外相关研究，虽然针对混凝土长期性能的探索已取得一定成果，但大多聚焦于单一环境因素对普通混凝土或单一改性混凝土的影响。对于钢纤维增强橡胶混凝土这种多相复合体系，现有研究尚未系统揭示其在多因素耦合环境下的性能衰减机制，缺乏对材料在实际服役条件下全寿命周期性能演变的深入分析。此外，基于实际工程需求的寿命预测模型也尚未完善，这使得在特殊区域道路工程设计中，难以对SFRRC的适用性和服役寿命进行科学评估，极大地制约了该材料在高海拔、沿海等特殊区域道路工程中的推广应用。

基于此，本研究以模拟干湿循环、碳化、氯离子侵蚀、高海拔超低温冻融及沿海盐雾等典型复杂环境为研究主线，通过系统测试钢纤维增强橡胶混凝土在不同环境作用下的力学性能退化规律，建立基于时变参数的寿命预测模型，并深入剖析橡胶与钢纤维在极端环境下的协同保护机制。研究成果旨在为SFRRC在复杂环境道路工程中的科学设计、合理应用及性能优化提供全面的理论依据与技术支撑，推动道路工程材料向高性能、长寿命、绿色环保方向发展。

2. 实验材料及方法

2.1. 实验材料

本文采用的水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能和化学成分符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》标准，具体指标见表1。粗骨料为粒径5~20 mm连续级配碎石，压碎指标8%，表观密度2.7 g/cm³；细骨料为河砂，细度模数2.6，表观密度2.65 g/cm³。钢纤维选用长度30 mm、直径0.5 mm的端钩形纤维，抗拉强度1000 MPa；橡胶采用粒径0~5 mm的废旧轮胎胶粉，表观密度1.1 g/cm³。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率25%。

Table 1. Main parameter indicators of Portland cement

表1. 硅酸盐水泥主要参数指标

性能指标	初凝时间(min)	终凝时间(min)	安定性(雷氏法)	3 d抗折强度(MPa)	3 d抗压强度(MPa)	氯离子(%)
实测数值	180	300	合格	4.2	18.5	0.02
标准要求	≥45	≤600	合格	≥3.5	≥16.0	≤0.06
性能指标	28 d抗折强度(MPa)	28 d抗压强度(MPa)	烧失量(%)	三氧化硫(%)	氧化镁(%)
实测数值	7.8	48.0	3.2	2.8	3.0
标准要求	≥6.5	≥42.5	≤5.0	≤3.5	≤5.0

2.2. 配合比设计

根据前期研究成果，选取钢纤维掺量(0.5%, 1.0%, 1.5%)与橡胶掺量(5%, 10%, 15%)进行正交试验设计，同时设置基准组(M00，无钢纤维与橡胶)，具体配合比如表2所示。

Table 2. Mix ratio design table

表2. 配合比设计表

编号	钢纤维掺量(%)	橡胶掺量(%)	水泥(kg/m^3)	砂(kg/m^3)	石子(kg/m^3)	水(kg/m^3)	减水剂(kg/m^3)
M00	0	0	380	650	1150	180	9.5
M0.55	0.5	5	380	650	1150	180	9.5
M0.510	0.5	10	380	650	1150	180	9.5
M0.515	0.5	15	380	650	1150	180	9.5
M1.05	1.0	5	380	650	1150	180	9.5
M1.010	1.0	10	380	650	1150	180	9.5
M1.015	1.0	15	380	650	1150	180	9.5
M1.55	1.5	5	380	650	1150	180	9.5
M1.510	1.5	10	380	650	1150	180	9.5
M1.515	1.5	15	380	650	1150	180	9.5

2.3. 试件制备与养护

将水泥、砂、石子、钢纤维和橡胶按配合比称量后，先在强制式搅拌机中干拌2 min使材料均匀混合，再加入水和减水剂湿拌3 min。将拌合物倒入150 mm × 150 mm × 150 mm立方体试模和 100 mm × 100 mm × 400 mm棱柱体试模，采用振动台振捣密实，24 h后脱模，在标准养护室(温度20℃ ± 2℃，湿度95%以上)养护至28 d龄期，随后转移至各环境模拟试验箱进行加速老化试验。

2.4. 试验方法

(1) 干湿循环试验：参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，将试件置于(80 ± 5)℃烘箱干燥12 h，再浸入20℃ ± 2℃水中12 h，循环200次，测试每次循环后的抗压和抗拉强度。

(2) 碳化试验：将试件放入碳化箱，控制箱内CO₂浓度(20 ± 3)%、相对湿度(70 ± 5)%、温度(20 ± 2)℃，分别在3 d、7 d、14 d、28 d取出试件，测定碳化深度与抗压强度。

(3) 氯离子侵蚀试验：采用电通量法(ASTM C1202)，将试件置于6 M NaCl溶液中，施加60 V直流电压6 h，测试通过试件的电通量，评估氯离子渗透性能；同时采用钻孔取粉法测定不同深度的氯离子含量。

(4) 超低温冻融试验：模拟高海拔严寒环境，将试件置于−40℃低温箱中冻结4 h，再放入20℃水中融化4 h，循环500次，测试冻融循环后的质量损失率、动弹模量损失率及抗压强度。

(5) 盐雾腐蚀试验：模拟沿海盐雾环境，将试件放入盐雾试验箱，喷雾溶液为5% NaCl溶液，温度35℃ ± 2℃，相对湿度95%，试验周期2000 h，定期测试试件的抗压强度与氯离子渗透深度。

3. 结果及分析

3.1. 干湿循环环境下的性能演变

Figure 1. The variation of compressive strength of concrete under dry-wet cycles with different mix ratios

图1. 不同配合比混凝土干湿循环下抗压强度变化

为更清晰呈现不同配合比混凝土在干湿循环环境下的性能变化，新增抗压强度衰减曲线对比图(图1)与抗拉强度衰减曲线对比图(图2)。从图1可见，基准组M00在200次干湿循环后，抗压强度从35.0 MPa降至22.5 MPa，降幅达35.7%；而钢纤维掺量1.5%、橡胶掺量10%的M1.510组，抗压强度仅降至28.5 MPa，降幅为18.6%，较基准组提升约48%。从图2可知，抗拉强度变化趋势与抗压强度相似，M00组抗拉强度从2.5 MPa降至1.2 MPa，降幅52%，M1.510组从3.9 MPa降至2.8 MPa，降幅28.2%，复合掺入显著延缓了强度衰减。

Figure 2. The variation of tensile strength of concrete under dry-wet cycles with different mix ratios

图2. 不同配合比混凝土干湿循环下抗拉强度变化

从微观角度分析，干湿循环过程中，水分反复迁移导致混凝土内部孔隙水压力变化，引发微裂缝扩展。橡胶的弹性缓冲作用可有效缓解孔隙水压力，减少裂缝产生；钢纤维在裂缝处发挥桥接作用，限制裂缝扩展，二者协同抑制了孔隙劣化，从而延缓强度衰减。

3.2. 碳化环境下的性能演变

Figure 3. Graph of the variation of carbonation depth of concrete with different mix ratios over time

图3. 不同配合比混凝土碳化深度随时间变化图

不同配合比混凝土碳化深度随时间变化曲线(图3)及碳化后抗压强度变化对比图(图4)，从图3可以看出，所有试件碳化深度均随时间延长而增加，但不同配合比增长速率差异显著。基准组M00在碳化28 d后，碳化深度达12.5 mm；而M1.010组(钢纤维1.0%、橡胶10%)碳化深度仅为7.5 mm，较基准组降低40%。结合图4，M00组碳化28 d后抗压强度从35.0 MPa降至28.0 MPa，降幅20%，M1.010组从37.0 MPa降至34.0 MPa，降幅8.1%，表明复合掺入能有效减缓碳化对强度的影响。

Figure 4. Graph of the variation of compressive strength of concrete with different mix ratios over time after carbonation

图4. 不同配合比混凝土碳化后抗压强度随时间变化图

橡胶填充混凝土内部孔隙，有效减少了CO₂扩散通道，同时钢纤维增强混凝土密实度，阻碍CO₂与水泥水化产物的反应，延缓了碳化反应进程，从而降低碳化深度，保持混凝土强度。

3.3. 氯离子侵蚀环境下的性能演变

不同配合比混凝土氯离子渗透深度随时间变化曲线如图5所示，氯离子含量分布对比如图6。电通量测试结果显示，基准组M00的电通量为2800 C，属于“高渗透性”；而M1.510组电通量降至1600 C，降低42.9%，达到“中等渗透性”水平。从图5可知，M00组氯离子渗透深度增长迅速，28 d时达到15 mm，M1.510组仅为9 mm。图6进一步表明，在深度20 mm处，M1.510组的氯离子含量仅为基准组的60%。

Figure 5. Graph of the variation of chloride ion penetration depth of concrete with different mix ratios over time

图5. 不同配合比混凝土氯离子渗透深度随时间变化图

Figure 6. The chloride ion content of concrete with different mix proportions at a depth of 20 mm

图6. 不同配合比混凝土在20 mm深度处氯离子含量

钢纤维在混凝土中相互交织形成网络结构，细化内部孔隙，增加氯离子渗透路径的曲折度；橡胶填充孔隙，减少连通孔隙，二者协同作用显著提升了混凝土的抗氯离子渗透能力，降低氯离子侵蚀对混凝土性能的影响。

3.4. 超低温冻融环境下的性能演变

为全面展示超低温冻融环境下混凝土性能变化，绘制质量损失率、动弹模量损失率及抗压强度保持率随循环次数变化的综合对比图(图7)。在−40℃超低温冻融循环试验中，500次冻融循环后，基准组M00的质量损失率达12%，动弹模量损失率为65%，抗压强度降至12.0 MPa；而M1.010组质量损失率仅为4.5%，动弹模量损失率35%，抗压强度仍保持26.3 MPa，强度保持率达75%。

Figure 7. Diagram of the performance changes of concrete in ultra-low temperature freeze-thaw cycles with different mix ratios

图7. 不同配合比混凝土超低温冻融循环性能变化图

从图7的变化趋势可以进一步发现，在冻融循环初期(0~100次)，各组试件的质量损失率、动弹模量损失率及抗压强度下降速度相对较慢，随着循环次数增加，劣化速率明显加快。基准组M00在100次循环后，质量损失率仅为3.5%，抗压强度降至30.0 MPa，而在500次循环后，质量损失率和抗压强度降幅分别达到12%和65.7%，表明其在超低温冻融环境下耐久性较差。

相比之下，M1.010组表现出良好的抗冻融性能。在整个冻融循环过程中，其质量损失率、动弹模量损失率及抗压强度下降幅度均显著低于基准组。这是因为橡胶的弹性特质在超低温环境下发挥了关键作用，其弹性变形能够有效缓冲冰晶膨胀产生的应力，减少混凝土内部裂缝的产生；而钢纤维均匀分布在混凝土中，形成了一个立体的支撑网络，当混凝土内部出现微裂缝时，钢纤维能够跨越裂缝，利用自身的高强度阻止裂缝进一步扩展，从而维持混凝土结构的完整性，显著提升了混凝土在超低温冻融环境下的耐久性。

3.5. 盐雾腐蚀环境下的性能演变

盐雾腐蚀试验2000 h后，各配合比混凝土的抗压强度变化与氯离子渗透深度见表3。不同配合比混凝土在盐雾腐蚀环境下抗压强度随时间变化曲线(图8)及氯离子渗透深度随时间变化曲线(图9)。从图8可以看出，基准组M00抗压强度下降趋势明显，在试验进行到1000 h时，抗压强度从初始的35.0 MPa降至25.0 MPa，而在2000 h后，进一步降至20.0 MPa。M1.510组抗压强度下降相对缓慢，2000 h后仍保持29.0 MPa。

Table 3. The variation of compressive strength and the depth of chloride ion penetration of concrete in each mix proportion

表3. 各配合比混凝土的抗压强度变化与氯离子渗透深度

编号	初始抗压强度(MPa)	1000 h抗压强度(MPa)	2000 h抗压强度(MPa)	2000 h氯离子渗透深度(mm)
M00	35.0	25.0	20.0	18
M1.510	37.0	33.0	29.0	10

Figure 8. Plot of compressive strength of concrete with different mix ratios in salt spray corrosion environment with time

图8. 不同配合比混凝土盐雾腐蚀环境下抗压强度随时间变化图

结合图9，M00组氯离子渗透深度增长迅速，在1000 h时已达到12 mm，2000 h时达到18 mm；M1.510组在2000 h时氯离子渗透深度仅为10 mm。橡胶填充孔隙减少了盐雾侵入通道，降低了氯离子进入混凝土内部的速率；钢纤维增强结构提高了混凝土的密实度，延缓了裂缝导致的腐蚀加速，二者协同提升了混凝土在盐雾环境下的耐久性，有效保护了混凝土结构，减少了强度损失。

Figure 9. Graph of the variation of chloride ion penetration depth over time in salt spray corrosion environment

图9. 盐雾腐蚀环境下氯离子渗透深度随时间变化图

3.6. 钢纤维锈蚀对混凝土性能的影响

通过电化学加速锈蚀试验，研究不同橡胶掺量下钢纤维的锈蚀速率及其对混凝土性能的影响，不同橡胶掺量下钢纤维锈蚀电流密度随时间变化曲线(图10)及锈蚀后混凝土抗压强度损失率对比(表4)。从图10可知，随着橡胶掺量增加，钢纤维锈蚀电流密度降低，锈蚀速率减缓。当橡胶掺量为10%时，钢纤维锈蚀电流密度在试验100 h后稳定在0.1 μA/cm²，较基准组(无橡胶)的0.25 μA/cm²降低60%。

Figure 10. Graph of the variation of steel fiber corrosion current density with time under different rubber dosages

图10. 不同橡胶掺量下钢纤维锈蚀电流密度随时间变化图

从表4可以看出，锈蚀后的混凝土试件抗压强度测试显示，橡胶掺量10%、钢纤维掺量1.0%的M1.010组，在钢纤维锈蚀率10%时，抗压强度损失仅为8%，而基准组损失达25%。这是由于橡胶具有一定的疏水性，能够在钢纤维表面形成一层相对隔离的环境，减少氯离子等腐蚀性介质与钢纤维的接触，从而有效抑制钢纤维锈蚀；同时，橡胶的弹性可以缓解因钢纤维锈蚀膨胀产生的应力，避免混凝土内部裂缝的产生和扩展，维持混凝土结构性能。

Table 4. Data on the loss rate of compressive strength of concrete with different rubber dosages at a steel fiber corrosion rate of 10%

表4. 不同橡胶掺量混凝土在钢纤维锈蚀率10%时抗压强度损失率数据

编号	橡胶掺量	钢纤维掺量	抗压强度损失率
M00	0%	1.0%	25%
M0.510	5%	1.0%	15%
M1.010	10%	1.0%	8%
M1.510	15%	1.0%	9%

4. 结语

本文通过系统模拟干湿循环、碳化、氯离子侵蚀、超低温冻融及盐雾腐蚀等复杂环境，深入探究了钢纤维增强橡胶混凝土的长期性能演变规律与环境适应性机制，主要结论如下：

(1) 环境适应性显著提升，钢纤维与橡胶的复合掺入显著改善了混凝土在多种复杂环境下的耐久性能。在干湿循环200次后，M1.510组抗压强度降幅较基准组降低48%，抗拉强度降幅减少45.6%；碳化28天后，M1.010组碳化深度降低40%，抗压强度损失减少60%；面对氯离子侵蚀，M1.510组电通量降低42.9%，28天氯离子渗透深度减少40%，材料抗渗性能得到大幅提升。

(2) 极端环境表现优异，在−40℃超低温冻融500次后，M1.010组质量损失率仅为4.5%，动弹模量损失率35%，抗压强度保持率达75%；盐雾腐蚀2000小时后，M1.510组抗压强度仍维持在29.0 MPa，氯离子渗透深度仅为基准组的55.6%，展现出在极端气候与腐蚀环境下的优异服役性能。

(3) 协同增强机制明确，橡胶凭借其弹性变形与孔隙填充特性，缓冲环境应力并减少介质侵入；钢纤维通过高强度桥接作用，有效抑制裂缝扩展。二者协同作用显著延缓了混凝土性能退化。特别在抑制钢纤维锈蚀方面，当橡胶掺量为10%时，钢纤维锈蚀电流密度降低60%，有效维持了混凝土结构的长期稳定性。

综上，钢纤维掺量1.0%~1.5%、橡胶掺量5%~10%的混凝土在长期复杂环境下表现出卓越的耐久性能与环境适应性。