FRP约束对含再生橡胶混凝土抗压强度的影响 玛丽亚·康切塔·科基亚拉（Maria Concetta Cocchiara）、 玛丽亚·伊莎贝尔·普里托（María Isabel Prieto）、 阿尔方索·科博（Alfonso Cobo）和 费尔南多·伊斯雷尔·奥尔梅多（Fernando Israel Olmedo）

《Fibers》：Influence of FRP Confinement on the Compressive Strength of Concrete with Recycled Rubber Maria Concetta Cocchiara, María Isabel Prieto, Alfonso Cobo and Fernando Israel Olmedo

　　**亮点**
主要发现是什么？
用橡胶替代混凝土中的细骨料会降低其强度，但会增加其延展性和能量吸收能力。按体积计算，用回收橡胶替代10%的细骨料是避免机械强度和延展性过度损失的最佳比例。
使用FRP对含有回收橡胶的混凝土进行约束可以显著提高其强度和延展性，并改变材料的破坏模式。
与BFRP相比，使用CFRP对混凝土进行约束效果更好，因为碳纤维的刚性更大。

**这些发现的意义是什么？**
橡胶化混凝土可用于需要抗冲击性和减震的应用中。
FRP约束使得混凝土能含有更高的橡胶比例。
当需要最大机械性能时，CFRP比BFRP更合适。
在结构设计中必须考虑橡胶与FRP之间的相互作用。
这有助于开发更加可持续和延展性的混凝土系统。

**摘要**
本研究旨在探讨部分用回收橡胶替代细骨料后混凝土的压缩性能。此外，还分析了这些混凝土在添加碳纤维（CFRP）和玄武岩纤维（BFRP）约束下的力学性能。为此，制作了48个圆柱形试件，对应4种不同比例的回收橡胶（0%、10%、20%和30%）。评估了未加钢筋的混凝土以及添加了回收橡胶的混凝土（无论是否已经达到破坏状态）和未添加钢筋的添加了回收橡胶的混凝土的压缩性能，以评估添加钢筋前混凝土质量的影响。结果表明，用回收橡胶替代细骨料会降低混凝土的强度和刚性，但会提高其延展性，最佳替代比例为10%。
另一方面，使用FRP（BFRP和CFRP）对混凝土进行约束可以提高其强度和延展性，且无论钢筋混凝土的初始强度如何，都能获得相似的效果。使用CFRP进行约束可提高26%的强度。

**1. 引言**
混凝土是土木工程和建筑中最广泛使用的结构材料，因为它具有高度的通用性，可以建造出复杂几何形状的结构元素，并且具有较高的抗压强度。然而，其抗拉强度有限，为了克服这一局限性，通常将其与钢材结合使用，形成钢筋混凝土（因为钢材在受拉状态下表现出色）。
由于对全球气候变化的关注日益增加，有必要推广可持续的做法。建筑行业是温室气体排放的主要来源之一，其中8%到10%的全球二氧化碳排放来自水泥生产（每吨水泥大约排放750公斤二氧化碳）。
城市化和信息化带来的对混凝土需求的增长加剧了对自然资源的压力。为应对这些挑战，一种可行的方法是使用再生材料，包括磨碎的轮胎橡胶（GTR）作为混凝土生产中的天然细骨料的替代品。
在西班牙，每年有30万吨轮胎被丢弃；在欧洲为350万吨；全球范围内则达到2500万吨。不当处理轮胎会引起严重的环境问题并危害人类健康。
在西班牙，废物管理受《皇家法令712/2025》的规范，该法令鼓励减少废物、再利用和回收等形式的资源回收，以保护环境并迈向循环经济。轮胎生命周期的五个典型阶段包括提取、生产、消费、收集和废旧轮胎处理。下一步是将其回收用于其他用途或填埋处理。
轮胎回收有助于保护环境、节约能源、优化资源，并促进GTR在工程应用中的使用。例如，它可用于沥青道路表面、安全铺装、人造草坪（游乐场和运动场）、连续铺装、声学和冲击噪声隔离、多孔混凝土、道路、屋顶材料等。
橡胶混凝土（RuC）是一种部分使用回收橡胶替代细骨料的混凝土，具有改善能量吸收、减轻重量、抗冲击性和隔热等优势。
Eldin和Senouci在1993年首次研究了部分用磨碎轮胎橡胶替代天然骨料的混凝土，发现由于橡胶颗粒与水泥基体之间的粘合性差，导致工作性降低、抗压和抗拉强度减弱以及韧性增加。后续研究证实，橡胶的大小和含量显著影响力学性能：较大的颗粒会增加内摩擦并降低工作性；较高的替代比例会导致强度大幅下降（压缩强度下降最多85%，抗拉强度下降最多50%），同时弹性模量也会降低。尽管存在这些缺点，一些研究者认为10-15%的替代比例可以在力学性能和耐久性之间达到平衡。
GTR混凝土的力学性能还受到橡胶颗粒处理方式的影响。各种表面处理（如水洗、酸处理以及化学或热处理）可以改善界面粘结并部分缓解强度损失，其效果取决于橡胶替代的程度。
在这种情况下，约束技术对于橡胶化混凝土尤为重要。与传统混凝土相比，橡胶化混凝土具有更高的变形能力和更早的横向膨胀，从而提前激活外部约束机制，可能提高约束效率。
由于建筑物的老化，加强和修复结构变得至关重要。强化混凝土结构的原因可能包括建筑物用途改变、地震或各种病害导致的退化等。有多种强化混凝土结构的方法；纤维增强聚合物（FRP）已成为有效的解决方案，尤其在圆形柱子的约束中越来越常用。
FRP的应用始于第二次世界大战结束后的航空航天领域，但在建筑和基础设施领域直到20世纪80年代末才开始使用。首次实际应用是在瑞士卢塞恩的Ibach桥上进行的试验。在西班牙，这种技术开始用于加强巴塞罗那Dragó桥的梁。最初，这些加固采用Hermite方法，即在需要加强的位置用环氧树脂粘贴钢板。
纤维增强聚合物（FRP）是一种由浸渍树脂的纤维制成的复合材料。由于其优异的力学性能（如高抗拉强度、耐腐蚀性、耐高温性、耐久性），以及轻质、非导电、长期稳定性和易于处理、运输和施工等特性，FRP在各种应用中越来越受欢迎。
FRP约束的有效性取决于多个因素，如约束比例、几何形状、h/b比率和未约束混凝土的强度。在圆柱形试件上进行的测试显示，与棱柱形试件相比，FRP约束的效果更好，因为应力分布均匀，不会集中在角落导致过早破坏。
近年来，有许多关于不同类型FRP加固性能的研究项目。大量研究表明，复合材料能有效提高混凝土的强度，尤其是碳纤维增强聚合物显著提高了混凝土的强度和最大应力。然而，大多数研究集中在传统混凝土上，其对橡胶化混凝土的直接适用性尚不确定，因为橡胶的存在会显著改变混凝土的膨胀行为、刚度降解和约束效果。

**2. 实验方案**
根据EN 12390-1:2022标准，对具有不同特性的混凝土进行了压缩测试。制作了四种不同比例（0%、10%、20%和30%）的混合物，其中细骨料部分被回收橡胶替代。实验分为三个阶段：第一阶段评估了有无回收橡胶的混凝土的压缩性能；第二阶段评估了经过FRP约束的、有无破坏历史的混凝土试件的压缩性能；第三阶段评估了未经破坏处理的、有无FRP约束的混凝土的压缩性能。
本研究使用磨碎的轮胎橡胶（GTR）作为细骨料的替代品，替代比例分别为0%、10%、20%和30%。所使用的材料由2毫米和4毫米颗粒组成，比例相等，目的是改善颗粒堆积并减少颗粒间的孔隙率。尺寸的组合有利于空隙的更均匀分布，这有助于减轻通常在含有粗粒橡胶的混凝土中观察到的机械强度损失[80]。一些作者指出，小于1毫米的颗粒会增加用水量并捕获空气，而1-4毫米之间的颗粒则在可加工性和机械性能之间提供了更好的平衡[81]。采用的替代百分比（10%、20%和30%）是基于文献回顾选定的。考虑到不建议用回收橡胶（GTR）替代超过20%的总骨料，因为这会导致显著的强度损失，因此得出结论认为10%是最佳替代阈值，可以在不损害耐久性的前提下保持可接受的强度；更高的替代百分比（20-30%）可以探索橡胶对物理和耐久性性能的影响，但代价是压缩强度的逐渐降低[14,24,78]。总体而言，选择含有2毫米和4毫米橡胶的混合物以及设定的替代水平，使我们能够研究颗粒大小和体积含量对混凝土性能的综合影响，遵循关于使用回收橡胶骨料的可持续混凝土的最新文献趋势。

2.1. 材料
用于制造测试试样的材料包括：
- 普通硅酸盐水泥（CEM I 52.5 R SR 5），主要含有熟料（95-100%）和0-5%的次要成分，如天然矿物材料或熟料衍生物，符合标准EN 197-1:2011 [82]和EN 197-2:2020 [83]。
- 两种类型的骨料：最大粒径为12毫米的粗硅质河骨料和最大粒径为4毫米的细硅质骨料，符合标准EN 12620:2003+1:2009 [84]。
- 来自马德里Isabel II水利基础设施的水，符合混凝土生产的技术要求。
- 颗粒化橡胶，由研磨后的轮胎橡胶（GTR）回收制成，有两种尺寸，2毫米和4毫米，在每种混合物中用量相等。
- 高活性超塑剂/减水剂，基于聚羧酸，符合标准EN 934-2:2010+A1:2012 [85]的要求。

表1显示了用于混凝土混合物的材料的物理和化学特性。

2.2. 实验过程
为了实现本研究的目标，使用了四种不同的混凝土混合物制造了48个圆柱形测试试样，这些混合物分别代表了细骨料按体积替换0%、10%、20%和30%的回收橡胶。混合物的比例见表3。每种混合物的测试试样被分为两组。一组测试试样在无约束条件下进行测试直至破坏，然后使用碳纤维或玄武岩纤维增强进行加固；第二组测试试样在未受载荷的情况下直接用碳纤维或玄武岩纤维进行加固，随后在轴向压缩下进行测试直至破坏。测试试样的命名见表4。在混凝土生产之前，所有材料（水泥、骨料、橡胶和水）在实验室中存放24小时，以确保环境条件稳定。粗骨料使用机械筛子筛选，以去除大于12毫米的颗粒。所有成分根据所需的精度分别用工业秤和精密电子天平进行称重。

混凝土混合使用IBERTEST IB32-040V0垂直轴行星式搅拌机进行。首先将干材料混合均匀2分钟，然后加入水和塑化剂，继续搅拌5分钟以确保一致性。测试试样按照EN 12390-1:2022 [77]的规定浇筑在直径100毫米、高度200毫米的圆柱形钢模中，并在每层之间压实。浇筑后，测试试样在室温（23 ± 3°C）和相对湿度60%的条件下存放24小时。之后在控制室中于20 ± 2°C和相对湿度≥95%的条件下养护28天，遵循EN-12390-2:2020 [87]的规定。

24个无约束测试试样按照EN 83506:2004 [88]的规定进行轴向压缩测试。一旦发生破坏，通过涂抹第一层环氧树脂，然后缠绕碳纤维或玄武岩纤维（重叠10厘米）来加固受损的测试试样，以防止接头处过早失效，随后在纤维上涂抹第二层树脂（图1a）。所有实验测试均在马德里高等建筑技术学院（马德里理工大学）的材料实验室使用IBERTEST通用测试机MIB-60/AM（Daganzo de Arriba, Madrid, Spain）进行，遵循EN 12390-4:2022 [89]的规定（图1b）。

3. 结果与分析
下面展示了含有和不含橡胶以及含有和不含增强材料的混凝土试样的压缩断裂测试结果。
图2显示了无约束试样的应力-应变曲线。为了清晰起见，仅展示了每种混合物最具代表性的曲线。可以看出，参考混凝土的最大应力达到最高值，随着橡胶替代百分比的增加而降低，直到20%的替代比例；而30%替代比例的混凝土获得了类似的最大应力。此外，峰值时的纵向应变随着橡胶替代比的增加而减小。

表5、表6和表7显示了不同剂量和增强类型下压缩测试的最具代表性的平均结果：最大正常应力（σmax）、最大纵向应变（εmax）、应变函数的延性（Dε）、极限正常应力（σult）、极限单位纵向应变（εult）、应变能量密度函数的延性（DA）、极限应变能量密度（Uult）、最大应变能量密度（Umax）和纵向弹性模量（E）。

表5显示，随着细骨料中被回收橡胶替代的比例增加，最大（Umax）和极限（Uult）变形能量密度降低，表明在变形时储存和 dissipate 能量的能力降低；应变函数的延性（Dε）和应变能量密度函数的延性（DA）随着橡胶替代百分比的增加而略有增加，直到20%的替代比例。

图3表明，将回收橡胶作为细骨料的部分替代显著降低了混凝土的机械性能。与参考混凝土相比，10%替代情况下的最大应力降低到8%。在20%和30%替代比例的混凝土中，最大应力相似，由于橡胶的特性导致压缩强度损失约为14%，部分原因是界面过渡区的性能不足。同时，单位长度的最大纵向变形也逐渐减小，30%替代比例下减少了0.52%。还可以观察到，添加了橡胶的混凝土表现出延性破坏模式，与Villanueva、Youssf和Ospina的研究结果一致[78,90,91]。弹性模量在0%到20%替代范围内显著降低，20%和30%替代比例的混凝土获得了相似的值。

Ling的研究[92]分析了与本研究相同的细骨料替代回收橡胶（GTR）的比例（0%、10%、20%和30%），尽管该研究是在矩形铺路块上进行的，而不是圆柱形试样上。研究结果表明，添加少量（最多10%的橡胶）略微提高了强度，因为橡胶颗粒容易变形并填充了固体颗粒之间的间隙，填充了混凝土混合物中的自由孔隙；相反，观察到增加橡胶替代比例会降低压缩强度。

图4展示了经过预先破坏并用FRP加固的测试试样的最具代表性的应力-应变曲线，从而可以清楚地比较回收橡胶含量和纤维类型对损伤后机械响应的影响。

图4a显示了先用BFRP加固再用FRP加固的测试试样的压缩测试应力-应变曲线。可以看出，未添加橡胶的试样达到了最高的强度和变形水平。在细骨料中有10%被回收橡胶替代的试样中，强度减少了2%；而在20%和30%替代的试样中，强度减少了大约5%。

图4b显示了先用碳纤维（CFRP）加固再用CFRP加固的测试试样的行为。可以看出，用回收橡胶替代细骨料会导致材料的最大应力和初始刚度逐渐降低，并伴随延性的变化；参考混凝土达到了最高的应力，而在10%替代的情况下，应力降低了2.34%，表明其变形能力增强。随着替代比例增加到20%和30%，抗力降低了8-9%，但断裂变形增加。

表6显示了经过压缩破坏后用FRP加固的混凝土试样的机械性能。可以看出，当混凝土的初始强度较低时，用橡胶替代细骨料会降低其机械性能；极限应变（εult）基本保持不变，因此橡胶的添加不会增加其变形能力。由于纤维对混凝土的加固，最大和极限变形能量密度相等，基于变形能量密度（DA）的延性指数均匀地为1。这个值明确表明了脆性后峰破坏行为，因为在超过最大载荷后没有额外的能量被吸收。尽管增强材料改善了混凝土的机械性能，但一旦发生破坏，它是以脆性方式发生的。

图5a和图5b显示，用CFRP加固的试样表现出更大的最大变形εmax，表明在CFRP加固的情况下，极限延性更高；在这两种情况下，随着橡胶替代比例的增加，纵向变形（εmax）几乎保持不变。弹性模量（E）随着橡胶替代比例的增加而降低，但在30%玄武岩的情况下降低得更为明显，尤其是在CFRP加固的情况下，橡胶的加入降低了刚性。在最大应力（σmax）方面，使用碳纤维增强聚合物（CFRP）加固的试件的应力值高于使用玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）加固的试件，但随着橡胶含量的增加，两者都表现出相同的强度下降趋势。图5展示了达到破坏状态后重新用纤维加固的试件的机械性能比较：(a) BFRP；(b) CFRP。图6展示了直接加固试件的最具代表性的应力-应变曲线，突出了回收橡胶含量对FRP加固混凝土 axial 压缩下的机械性能和延展性的影响。图6中的压缩试验应力-应变图分别表示了使用(b) BFRP和(c) CFRP加固的试件。在图6a中，可以观察到使用BFRP加固的试件的行为。特别是，可以看出将回收橡胶作为细骨料的部分替代品会影响材料的机械性能；参考试件具有最高的抗压强度值，在大约千分之4的变形时达到最大应力，之后其强度开始下降直至最终变形。在不同橡胶含量的混凝土中，最大应力和最终应力及变形量是一致的，但在大约千分之3的变形时，曲线的斜率发生变化，此时应力随着变形的增加而缓慢上升。含有30%橡胶的混合物表现最差，而含有10%和20%橡胶的混合物表现相似。在图6b中，可以观察到使用CFRP加固的试件的行为，表明回收橡胶的加入并未对混凝土的机械性能产生负面影响，所有混凝土的抗压强度都相当，且随着橡胶含量的增加，最终应变也有所增加。表7显示，在使用BFRP加固的试件中，用橡胶替代细骨料会降低最终的变形能量密度（Uult），但无论替代比例如何，这一数值都相差不大。当使用CFRP加固时，最终的变形能量密度（Uult）相比参考混凝土有所增加，尤其是在替代比例为10%和20%时。当混凝土成分中包含橡胶时，弹性模量会降低，这使得橡胶加固的混凝土比参考混凝土更具延展性，无论使用的是哪种纤维。图7a和图7b表明，在两种情况下，当混凝土用纤维加固时，其机械性能都有明显的提升：使用CFRP加固的试件在参考混凝土和含橡胶混凝土中都达到了最高的应力和单位应变，其中含20%回收橡胶的混凝土达到了最高的应力。无论使用何种增强材料，橡胶的弹性模量都低于参考混凝土。图7还显示了Chan、Youssf、Cao和Bompa的研究结果[25,76,93,94]中发现的混凝土行为相似性。如图6、图7和表7所示，比较了未预先破坏测试的使用CFRP和BFRP加固的试件的抗压强度结果，发现使用CFRP加固的试件具有更高的抗压强度，平均增加了26%。表8显示了玄武岩纤维加固对混凝土强度的影响，根据待加固混凝土的初始强度不同，最大抗压应力百分比有所变化：表8显示，与未加固的试件相比，使用BFRP加固的试件的最大抗压应力平均增加了16%，其中不含橡胶的混凝土增幅为10%，而含有20%和30%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅分别为19%和19%。在低性能混凝土中，纤维加固是一种可行的方法，可以恢复或提高这些混凝土的强度。与未加固的试件相比，使用BFRP加固的试件的最大应力平均增加了22%，其中参考混凝土的增幅为20%，而含有20%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅为26%。与断裂后加固的试件相比，使用BFRP加固的试件的最大应力平均增加了6%，其中参考混凝土的增幅为20%，含有20%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅为7%。这表明，这种类型的BFRP加固不仅在因预先损耗或掺入回收橡胶而性能较低的混凝土中可行，也在结构混凝土中适用。表9显示了含橡胶与不含橡胶以及使用CFRP加固的混凝土之间的最大应力差异：表9显示，与未加固的试件相比，使用CFRP加固的试件的最大抗压应力平均增加了42%，其中不含橡胶的混凝土增幅为38%，而含有20%和30%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅分别为44%和44%，其中CFRP加固的橡胶混凝土增幅最大。与未加固的试件相比，使用BFRP加固的试件的最大应力平均增加了47%，其中参考混凝土的增幅为40%，含有20%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅为55%。与断裂后加固的试件相比，使用BFRP加固的试件的最大应力平均增加了5%，其中含有20%回收橡胶替代细骨料的混凝土增幅最为显著。即使待加固的混凝土强度很低，使用CFRP加固在含有20%回收橡胶替代细骨料的混凝土中表现最佳。参考混凝土（图8a）由于压缩过程中泊松效应产生的拉应力而主要出现垂直裂缝。随着载荷的增加，集料与水泥浆之间的界面过渡区（ITZ）产生的微裂纹会扩展到水泥浆中并相互连接，形成可见且连续的裂缝。这种断裂方式是脆性的，一旦达到最大破坏应力，其强度能力会迅速丧失。图8中显示的测试试件包括：(a) 未加固的参考混凝土；(b) 未加固的含10%橡胶的混凝土；(c) 未加固的含20%橡胶的混凝土；(d) 使用BFRP加固的参考混凝土；(e) 使用CFRP加固的含10%橡胶的混凝土；(f) 使用CFRP加固的含20%橡胶的混凝土。图8b和图8c表明，将橡胶加入混凝土（图8b,c）改变了其开裂和断裂机制，这是因为橡胶的弹性模量低且与水泥浆的粘附性差。橡胶/水泥浆界面处的微裂纹会迅速产生，但其变形能力减缓了裂纹的扩展，形成了分布更均匀的裂纹，裂纹开口较小。增加橡胶的比例会降低混凝土的强度能力，但提高了其能量吸收能力，从而提高了其延展性。图8d显示了使用BFRP加固的参考混凝土的行为，这种加固方式延缓了裂纹的出现，提高了其强度和延展性。尽管这种混凝土的破坏方式是脆性的（由于纤维突然断裂），但其抗压强度远高于未加固的混凝土。图8e和图8f显示了含有不同比例橡胶的CFRP加固混凝土的行为。橡胶的存在使CFRP比参考混凝土更早承受载荷，从而提高了其强度和延展性。由于CFRP的高弹性模量，即使混凝土的变形很小，也会产生较大的侧向压力，使其强度超过了未加固的参考混凝土。表10比较了加入不同比例橡胶后最重要的机械行为参数。加入橡胶明显改变了混凝土的机械性能：未加固的混凝土表现出低变形和极低的能量吸收能力，而含有10-20%橡胶的混凝土，εmax和Umax显著增加，反映了更好的变形性和能量耗散能力。含有10-20%橡胶的加固混凝土在强度、变形性和能量吸收方面表现最佳，而30%的橡胶虽然保持了较高的Umax，但降低了σmax。总之，未加固的橡胶混凝土的抗压强度随着细骨料替代比例的增加而近似线性下降，而使用FRP加固的橡胶混凝土的抗压强度和最终轴向变形能力有所提高，这一点在Chan等人的研究[25]中得到了验证。4. 结论基于对碳纤维增强聚合物（CFRP）和玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）加固混凝土的机械行为研究，得出了以下结论：用回收橡胶替代细骨料会降低混凝土的抗压强度和刚性，同时提高其延展性和能量吸收能力，这在需要吸收冲击和减少振动的应用中非常有用。橡胶颗粒还能够促进裂纹停止、桥接效应和能量耗散，从而降低混凝土的脆性；然而，这会导致峰值后的强度和刚性降低。在研究的替代水平（10%、20%和30%）中，10%的橡胶含量在机械性能和延展性保留方面提供了最佳的平衡。FRP加固（BFRP和CFRP）显著提高了含橡胶混凝土的抗压强度和延展性，相比未加固状态，导致损伤演变更加稳定，裂纹扩展也更加延迟。FRP加固将未加固试件的开裂模式从分裂和早期裂纹转变为约束压缩机制；然而，当FRP护套断裂时，破坏变得突然且脆性增加。CFRP加固的效果优于BFRP，提供了更高的约束效率，并由于更高的刚性，使强度提高了大约26%或更多。在含20%橡胶的混凝土中观察到了最大的强度提升，其中BFRP的强度提高了约26%，CFRP的强度提高了高达55%。可持续的设计策略是首先使用10%的橡胶替代作为基线解决方案，而更高比例的橡胶（20%和30%）可以通过BFRP和CFRP加固分别进行结构补偿。橡胶加入和FRP加固的联合效应控制了损伤演变和破坏机制。橡胶提高了混凝土的变形性和能量耗散能力，而FRP加固限制了横向扩展并延缓了裂纹扩展。这种相互作用对于设计可持续、延展性和韧性的混凝土结构至关重要。