橡膠集料塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度特性

周 梅,朱 涵,薛忠泉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué),建筑工程學(xué)院,遼寧阜新123000;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

塑性混凝土是20世紀(jì)90年代中期開發(fā)出的一種介于土與普通混凝土之間的柔性工程材料,它是由水泥、水、粘土、膨潤土、砂子、石子等經(jīng)攪拌、凝結(jié)而成的混凝土。因其成本低,具有較好的抗?jié)B性能、較低的抗壓強(qiáng)度和彈性模量及適應(yīng)較大的變形而不開裂等優(yōu)點(diǎn),已在壩體、堤防和基礎(chǔ)防滲工程中廣泛應(yīng)用[1]。目前對(duì)塑性混凝土技術(shù)的研究主要集中于塑性混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)靜力分析與動(dòng)力分析、混凝土的耐久性及施工工藝和施工方法等方面[2]。如:Bagheri A R[3]、Balian S[4]、M ahboubi[5]、R.F.G.Bnafill[6]、Sadrekarim i J[7]、劉杰[8]、戴其清[9]、孫萬功[10]、辛伯N[11]、黃燦新[12]、玉敬靜[13]等人研究了塑性混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方法,于玉貞[14]對(duì)塑性混凝土特性及應(yīng)用進(jìn)行了合理性分析。由于塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和模強(qiáng)比較低,因此它與普通混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞型式是不同的,目前國內(nèi)對(duì)其強(qiáng)度特性的研究報(bào)道較少,高丹盈[15]對(duì)加載速度及水泥用量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究[18],其目的只是探索加載速度與水泥摻量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。李清富和張鵬[16]對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,只是給出各因素對(duì)塑性混凝土各種強(qiáng)度的影響規(guī)律。

文章首次將橡膠顆粒摻入塑性混凝土中(部分取代細(xì)集料砂子),采用均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案,通過在較寬泛范圍內(nèi)的橡膠集料塑性混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量的試驗(yàn),建立橡膠集料塑性混凝土抗壓強(qiáng)度與影響因素之間的關(guān)系式,探討橡膠集料塑性混凝土立方體試件邊長與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系、立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系,并進(jìn)行了機(jī)理探討,希望所得結(jié)論對(duì)橡膠集料塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1.1 原材料 水泥:“盾石牌”P?O42.5強(qiáng)度等級(jí)水泥;膨潤土:吉林產(chǎn)天然鈉基膨潤土,主要化學(xué)成分見表1;粘土:當(dāng)?shù)卣惩?經(jīng)粉碎、磨細(xì)、篩分(篩孔2.5 mm)后以泥漿的形式摻入[1];砂:河砂,細(xì)度模數(shù) 2.75,表觀密度 2612 kg/m3,緊堆密度1 560 kg/m3,空隙率 40.3%,含水率1%;石子:5～20 mm碎石,表觀密度2 552 kg/m3,緊堆密度 1 451 kg/m3,空隙率43.1%;減水劑:北京產(chǎn)FDN-I型非引氣減水劑,減水率 20%。具有低摻量、高減水率、低收縮、高保坍等特點(diǎn);橡膠集料:當(dāng)?shù)貜U舊汽車輪胎經(jīng)破碎、除塵、清洗、級(jí)配而得(見圖 1),主要化學(xué)成分見表2,細(xì)度模數(shù)1.52,顆粒級(jí)配見圖2～圖3。

表1 膨潤土化學(xué)成分/%

表2 橡膠集料的化學(xué)成分/%

圖1 橡膠集料

圖2 橡膠集料粒徑分布圖

圖3 橡膠集料級(jí)配曲線

1.1.2 配合比設(shè)計(jì) 配合比設(shè)計(jì)是在保證膠凝材料總量和砂率不變的前提下進(jìn)行的,即膠凝材料(水泥+膨潤土+粘土)總量為380 kg/m3,砂率恒定為0.5(橡膠集料等質(zhì)量取代細(xì)集料砂子)。

在參考相關(guān)研究資料和前期室內(nèi)大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取的四個(gè)因子分別是水膠比(X 1)、橡膠集料取代砂子比率(X2)、水泥占膠凝材料總量比率(X 3)和減水劑占膠凝材料總量比率(X4)。從數(shù)學(xué)建模的樣本容量考慮4個(gè)因子,加上可能的6種交互作用和4種加速作用,共有14個(gè)模型因子,至少要安排15組相互獨(dú)立的試驗(yàn)才可以得到統(tǒng)計(jì)上可以信賴的結(jié)論[17-18],因此文章最終確定為4因素、16水平,即按均勻設(shè)計(jì)表U16(164)安排試驗(yàn)方案。其中X 1選擇了0.8、0.9、1.0和 1.1 4個(gè)水平;X2選擇了 0.0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%、28%、32%、36%、40%、44%、48%、52%、56%和60%16個(gè)水平(文章重點(diǎn)探討橡膠集料摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,故該水平選擇較多);X 3選擇了 52.5%、55%、57.5%、60%、62.5%、65%、67.5%和 70%8個(gè)水平;X 4選擇了0.75%、1.00%、1.25%和1.50%4個(gè)水平。實(shí)驗(yàn)室配合比詳見表3。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量等基本力學(xué)性能按改進(jìn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行,立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)定采用100 mm×100 mm×100mm試件,軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)定采用100mm×100 mm×300mm的試件;橡膠集料塑性混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn),采用的試件尺寸分別是邊長為100 mm和150 mm的立方體,及尺寸為 100 mm×100 mm×150 mm、100 mm×100 mm×200mm 和100 mm×100 mm×250 mm棱柱體。

表3 橡膠集料塑性混凝土試驗(yàn)配合比/kg/m3

續(xù)表

為保證橡膠集料能均勻分布,先攪拌除橡膠集料以外的其它固體材料,攪拌均勻后再將橡膠集料均勻撒入,全部材料投入后再加水?dāng)嚢? min,整個(gè)攪拌時(shí)間控制在5 m in內(nèi)。試件成型過程中,若坍落度≤70 mm,采用振動(dòng)臺(tái)成型;若坍落度＞70mm,則采用免振搗成型。24 h后拆模并編號(hào)(若有缺棱掉角情況發(fā)生,可適當(dāng)延長拆模時(shí)間),所有試件均采用自然養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)主要設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備 HJW-30型強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、ZH-DH-ZD型混凝土試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)、TM-Ⅱ型混凝土彈性模量?jī)x、W AW-500型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)等。

1.3.2 改進(jìn)的橡膠集料塑性混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法 立方體抗壓強(qiáng)度,每種配合比成型6塊試件,分別用于測(cè)試其7d、28d抗壓強(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度,每種配合比成型6塊試件,其中3塊用于測(cè)試軸心抗壓強(qiáng)度,3塊用于測(cè)試彈性模量。橡膠集料塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法是在文獻(xiàn)19]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。由于要求試件的預(yù)計(jì)破壞荷載在試驗(yàn)機(jī)全量程的20%～80%之間,而塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度較低,因此應(yīng)選用適宜量程的壓力機(jī),本試驗(yàn)使用量程為50 kN萬能試驗(yàn)機(jī)。將養(yǎng)護(hù)至齡期的抗壓試件放在試驗(yàn)機(jī)下壓板正中間,上下壓板與試件之間宜墊以墊板,試件的承壓面應(yīng)與成型時(shí)的頂面相垂直。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī),當(dāng)上墊板與上壓板即將接觸時(shí)如有明顯偏斜,應(yīng)調(diào)整球座使試件受壓均勻。加荷時(shí)應(yīng)注意加荷速度,按普通混凝土的加荷速度為0.3～0.5 MPa/s來推算,塑性混凝土加荷速度應(yīng)控制在0.05～0.15M Pa/s,對(duì)于邊長100 mm的立方體試件相當(dāng)于0.5～1.5 kN/s。文章選擇了0.5 kN/s的加載速度,并以3個(gè)試件測(cè)值的平均值乘以換算系數(shù)(邊長為100 mm的試件取0.95)作為該組試件的最終抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果詳見表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橡膠集料塑性混凝土的基本力學(xué)性能

表4 橡膠集料塑性混凝土的基本力學(xué)性能

表4表明,橡膠集料塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大,且隨橡膠集料摻入量的增加,前期強(qiáng)度(7d)增長率更明顯(第8組橡膠集料摻量最多,前期強(qiáng)度增長率最高)?？梢哉J(rèn)為橡膠顆粒摻量越多,橡膠集料塑性混凝土強(qiáng)度在7 d前形成的強(qiáng)度所占比例越大,7～28 d所占比例越小,說明橡膠顆粒的摻量對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的削弱作用大于前期。

2.2 橡膠集料塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

選擇表3中的 6組配合比,每組配合比成型邊長為100 mm和150 mm兩種尺寸的立方體試件,實(shí)測(cè)其抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表5。

表5 橡膠集料塑性混凝土立方體試件邊長與強(qiáng)度換算系數(shù)

從表5中可看出,兩種混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度存在明顯的尺寸效應(yīng),在所測(cè)試的試件尺寸范圍內(nèi)幾組混凝土的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)有比較好的規(guī)律性,即換算系數(shù)在0.83左右。從斷裂力學(xué)尺寸效應(yīng)等角度考慮,橡膠集料比較好地改善了混凝土的脆性且由于塑性混凝土強(qiáng)度較低,因此強(qiáng)度尺寸效應(yīng)相應(yīng)平緩[20-21],但試驗(yàn)結(jié)果卻相反。筆者認(rèn)為主要原因是本文采用的是自然養(yǎng)護(hù)條件,引起混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的六方面因素[22]中的“擴(kuò)散現(xiàn)象”起了主導(dǎo)作用。由于擴(kuò)散時(shí)間與試件尺寸的平方成正比,而且擴(kuò)散本身改變了材料的性質(zhì)并產(chǎn)生殘余應(yīng)力,最終導(dǎo)致非線性應(yīng)變和開裂。一般通過采取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)來消除這種因素的影響,而本文采取的是自然養(yǎng)護(hù)使養(yǎng)護(hù)條件成為本強(qiáng)度試驗(yàn)條件下對(duì)尺寸效應(yīng)影響的最主要因素。故本試驗(yàn)研究取得的換算系數(shù)只適用于自然養(yǎng)護(hù)條件下的試件邊長與強(qiáng)度的換算。

2.3 橡膠集料塑性混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

不同尺寸試件的軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量實(shí)測(cè)結(jié)果見表6。根據(jù)圣維南原理,試件加壓端面的垂直壓應(yīng)力和合力為零的水平約束力,只對(duì)端面附近、試件高度約等于寬度范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響,試件的中間部分接近單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)。因此,對(duì)普通混凝土試件端面約束的結(jié)果,在受壓破壞的試件中留下一個(gè)未被毀壞的錐形體或棱錐體,其高度近似等于 3b/2(b為試件橫向尺寸)。當(dāng)試件高度大于1.7b時(shí),端面約束很小可不需考慮[20]。表7所示結(jié)果表明:當(dāng)長徑比從1.0變化到1.68時(shí),幾種混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試值均有所降低?；炷猎嚰箟簭?qiáng)度的影響在試件長徑比較大的試件中更容易表現(xiàn)出來。

表6 橡膠集料塑性混凝土在不同標(biāo)距下軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量

2.4 橡膠集料塑性混凝土立方體與棱柱體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

表7 橡膠集料塑性混凝土立方體與棱柱體試件邊長與強(qiáng)度換算系數(shù)

從表7中可以看出,橡膠集料塑性混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體與標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件之間的換算系數(shù)為0.84,而普通混凝土是0.76。橡膠集料塑性混凝土棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度差值變小,筆者認(rèn)為是由于橡膠集料塑性混凝土強(qiáng)度較低,與橡膠顆粒本身材質(zhì)的強(qiáng)度差別較小,同時(shí)由于收縮變形不同而造成的應(yīng)力集中也較小。另外,由缺陷效應(yīng)可知,混凝土試件中存在微裂縫和孔隙率等缺陷[23-24],橡膠顆粒的摻入,特別是該試驗(yàn)研究摻入的是細(xì)度模數(shù)為Mx=1.52的橡膠粉,屬于細(xì)粒級(jí)細(xì)集料,或許這些不同尺寸粒徑的橡膠顆粒起到了隔斷微裂縫及填充孔隙的作用,最終使塑性混凝土立方體強(qiáng)度和棱柱體強(qiáng)度差值變小。

2.5 建立抗壓強(qiáng)度及彈性模量回歸方程

以表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本,運(yùn)用M ATLAB和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其中利用MATLAB中 stepwise命令(二次響應(yīng)曲面分析)生成回歸方程,用 SPSS進(jìn)行其他相關(guān)性檢驗(yàn)。

立方體抗壓強(qiáng)度回歸方程:

其中,R2=0.967 708,F=62.274 4,RMSE=0.333 458,P=1.74 381-7,正態(tài)性檢驗(yàn)見圖4中(a)。軸心抗壓強(qiáng)度回歸方程:

其中,R2=0.840 764,F=34.319 9,RMSE=0.483 797,P=6.505 28×10-6,正態(tài)性檢驗(yàn)見圖4中(b)。

彈性模量回歸方程:

其中,R2=0.953 458;F=84.943 1;RMSE=408.83;P=2.920 83×10-8,正態(tài)性檢驗(yàn)見圖4中(c)。

從回歸方程的相關(guān)性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)的box圖可以看出,該試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)比較合理。從方程(1)-(3)中可清晰看出,橡膠集料摻量是強(qiáng)度和彈性模量最主要的影響因素,且隨摻量的增加,無論是立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度,還是彈性模量都在遞減,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,可以通過加大橡膠集料摻量來降低塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量。

2.6 橡膠集料摻量影響混凝土強(qiáng)度的機(jī)理分析

橡膠顆粒對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有兩種作用:一種是降低作用,由于橡膠顆?？箟簭?qiáng)度與水泥基體有差別,摻入橡膠顆粒會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低,而且由于橡膠顆粒表面為非極性,水泥基體為極性,兩者相容性較差,在表面張力的作用下,水泥漿體受到背離橡膠顆粒表面的壓力,使橡膠顆粒-水泥基體不能很好地結(jié)合,進(jìn)一步加劇了混凝土強(qiáng)度的降低。更主要的是隨著橡膠顆粒摻量的增加,混凝土內(nèi)引入大量空氣泡群(見圖5),使混凝土受壓面積變小,強(qiáng)度降低;另一種是增強(qiáng)作用,由于橡膠顆粒的加入可以填充混凝土中粗集料間的孔隙,因此能起到增強(qiáng)的作用。由于降低作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增強(qiáng)作用,所以大摻量橡膠顆粒對(duì)混凝土強(qiáng)度起削弱作用。

圖4 回歸分析方程的正態(tài)性檢驗(yàn)(box圖)

圖5 放大50倍的橡膠集料塑性混凝土SEM圖

3 結(jié) 論

1)通過對(duì)均勻試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析,建立了橡膠集料摻量等因素與塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量之間的回歸方程,定量描述了相關(guān)因素與塑性混凝土強(qiáng)度及彈性模量之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)分析表明,隨著橡膠顆粒取代細(xì)集料砂子比例的提高,塑性混凝土的強(qiáng)度及彈性模量逐漸下降,橡膠集料摻量是影響塑性混凝土強(qiáng)度和彈性模量的主要因素。

2)橡膠顆粒的隔斷和填充作用,使橡膠集料塑性混凝土的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與普通混凝土明顯不同,在自然養(yǎng)護(hù)條件下,橡膠集料塑性混凝土100 mm立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件與150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件之間的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)為0.83,標(biāo)準(zhǔn)立方體與標(biāo)準(zhǔn)棱柱體抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)為0.84。

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