不同預(yù)處理方式對橡膠混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響

于 群, 孫明博, 楊 敏

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044)

橡膠混凝土是一種新型復(fù)合材料,與普通混凝土相比,其具有質(zhì)量輕、抗沖擊性好、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-5].但由于橡膠顆粒表面和水泥砂漿結(jié)合面的性能較差,橡膠混凝土的強(qiáng)度一般低于普通混凝土,為解決這一問題,國內(nèi)外學(xué)者采用了多種預(yù)處理方式對橡膠顆粒進(jìn)行預(yù)處理,以增強(qiáng)橡膠顆粒與水泥砂漿的結(jié)合面強(qiáng)度,并得出了預(yù)處理后抗壓強(qiáng)度能夠提高的普遍性結(jié)論[1]80.

本文在已有研究基礎(chǔ)上,從預(yù)處理方式的經(jīng)濟(jì)性和工程適用性的角度出發(fā),選取了具有代表性的清水、無機(jī)溶液(NaOH溶液)、有機(jī)溶液(CCl4溶液)等三種預(yù)處理方式,系統(tǒng)研究了不同預(yù)處理方式對不同橡膠粒徑和摻量的橡膠混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,以期為橡膠顆粒預(yù)處理方式的選取提供參考借鑒.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 水泥. 遼寧本溪山水實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的工源牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;

(2) 細(xì)骨料. 普通河砂,最大粒徑為5 mm,連續(xù)級(jí)配,表觀密度為2 540 kg/m3;

(3) 粗骨料. 碎石,粒徑為5～25 mm,連續(xù)級(jí)配,級(jí)配合格,表觀密度為2 780 kg/m3;

(4) 粗橡膠粒(膠粒a). 沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為2～4 mm的廢舊輪胎粗橡膠粒,表觀密度為1 250 kg/m3;

(5) 細(xì)橡膠粒(膠粒c). 沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為60～80目的廢舊輪胎細(xì)橡膠粒,表觀密度為890 kg/m3;

(6) 外加劑. 山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的UNF-1型萘系高效減水劑,減水率的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%;

(7) 化學(xué)試劑. 沈陽市新化試劑廠生產(chǎn)的NaOH溶液、CCl4溶液;

(8) 水. 自來水.

1.2 試驗(yàn)配合比

基準(zhǔn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45,水膠質(zhì)量比取0.39,減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.75%.橡膠混凝土是將不同處理方式的廢舊橡膠顆粒分別按10%、20%等體積取代細(xì)骨料摻加到基準(zhǔn)混凝土中,具體配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Proportions of concrete mix

注: CC表示基準(zhǔn)混凝土;CRC表示橡膠混凝土;編號(hào)中的1～17表示組號(hào).

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)17組,51個(gè)試件,試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件.第1組為基準(zhǔn)混凝土,即未摻加橡膠顆粒;第2～5組為未處理橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒未作任何處理;第6～9組為清水改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用清水浸泡2 h后自然曬干;第10～13組為無機(jī)溶液改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH溶液浸泡2 h后用水反復(fù)沖洗,自然曬干;第14～17組為有機(jī)溶液改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用CCl4溶液潤濕,靜置2 h后用水反復(fù)沖洗,自然曬干.

混凝土試件均采用機(jī)械攪拌、機(jī)械振實(shí),依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2002)測試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)機(jī)為長春新特試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的YAW-3000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī).

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在混凝土拌合物制作過程中,隨著粗橡膠粒摻量的增多,拌合物的流動(dòng)性明顯增強(qiáng),而隨細(xì)橡膠粒摻量的增多,拌合物的流動(dòng)性明顯減弱,但拌合物的保水性和黏聚性均可保持良好狀態(tài).

在試件加載過程中,橡膠混凝土出現(xiàn)的彈性與塑性的臨界點(diǎn)明顯比普通混凝土要高,且隨著橡膠摻量的增多,其臨界值越大.在試件達(dá)到極限載荷之前,發(fā)現(xiàn)裂縫均從試件四周表面沿縱向發(fā)展,并逐步沿橫向向中間擴(kuò)展,但橡膠混凝土試件表面的裂縫存在明顯的中斷現(xiàn)象,且橡膠混凝土比普通混凝土的裂縫要短、多.在試件達(dá)到極限載荷后,普通混凝土突然破壞,有明顯的坍塌聲,而橡膠混凝土無明顯的破壞聲,破壞時(shí)仍然保持較好的完整性,且隨著橡膠摻量增多和粒徑增大,其完整性越好,混凝土試件破壞形態(tài)對比如圖1所示.

圖1 混凝土試件破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of concrete samples(a)—CC1試件; (b)—CRC10試件; (c)—CRC11試件.

試驗(yàn)完成后,掰開破壞的試件發(fā)現(xiàn):①普通混凝土試件內(nèi)部密實(shí)性較好,而橡膠混凝土破壞面存在較多的裂縫和孔洞;②未預(yù)處理的橡膠混凝土試件有少量的橡膠顆粒散落在混凝土內(nèi)部,其破壞面上只有少許橡膠顆粒存在撕裂現(xiàn)象;③經(jīng)不同預(yù)處理的橡膠混凝土試件中,橡膠顆粒與水泥漿粘結(jié)較緊密,其破壞面存在明顯的橡膠撕裂現(xiàn)象,在CCl4溶液預(yù)處理的橡膠混凝土中尤為明顯;④摻粗橡膠?；炷恋钠茐拿姘纪共黄?且存在較多小塊,而摻細(xì)橡膠粒混凝土的破壞面比較平整,面積較大.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 工作性能

各組混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果對比如圖2所示,由圖2可知:①隨著粗橡膠粒摻量的增多,混凝土拌合物的坍落度明顯增大,而隨著細(xì)橡膠粒摻量的增多,混凝土拌合物的坍落度逐漸減小.② 總體來看, 經(jīng)預(yù)處理的橡膠混凝土工作性能明顯好于未處理橡膠混凝土的工作性能,對粗橡膠粒組,NaOH溶液的改善效果最明顯,而CCl4溶液預(yù)處理組的工作性能反而有小幅下降;對細(xì)橡膠粒組,CCl4溶液預(yù)處理改善效果最好,而NaOH溶液預(yù)處理在體積摻量為20%時(shí)坍落度小于未處理組;清水處理對工作性能的改善較為穩(wěn)定,但改善幅度不大.

圖2 混凝土拌合物坍落度對比Fig.2 Comparison of the slumps of concrete mixture

3.2 抗壓強(qiáng)度

不同預(yù)處理方式下的混凝土抗壓強(qiáng)度對比如圖3所示,各組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.由圖3和表2可得出以下結(jié)論:①摻入橡膠顆粒后,混凝土的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土均呈現(xiàn)出不同程度的降低;②與摻入未預(yù)處理橡膠顆粒組相比,橡膠顆粒經(jīng)處理后混凝土的抗壓強(qiáng)度均有所提高;③當(dāng)采用清水或NaOH溶液預(yù)處理時(shí),摻入粗橡膠粒的混凝土強(qiáng)度提高明顯,而摻細(xì)橡膠粒的混凝土強(qiáng)度改善不大;采用CCl4溶液預(yù)處理時(shí),無論摻入粗或細(xì)橡膠粒,混凝土的強(qiáng)度均明顯提高.

圖3 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對比Fig.3 Comparison of the compressive strength of concrete cube

表2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The test results of concrete cube compressive strength

4 作用機(jī)理分析

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果,分析認(rèn)為由于橡膠顆粒的摻入,改變了集料與水泥砂漿的界面形態(tài),因橡膠本身的特性,使水泥砂漿-橡膠集料形成更為薄弱的界面,即所謂的“弱界面”[6-7].

通過對廢舊橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理,可有效促進(jìn)橡膠顆粒表面與水泥砂漿發(fā)生物理或化學(xué)作用.如用水沖洗將橡膠顆粒表面的雜質(zhì)除掉,增加了橡膠顆粒與砂漿的接觸;用NaOH溶液對橡膠粒進(jìn)行浸泡處理,使橡膠表面的有害物質(zhì)硬脂酸鋅溶解;用四氯化碳等有機(jī)溶劑對橡膠進(jìn)行預(yù)處理,增強(qiáng)了橡膠與水泥膠體的相容性.故此,經(jīng)預(yù)處理橡膠顆粒,增強(qiáng)了橡膠顆粒與水泥砂漿的粘結(jié),從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降程度減弱.

5 結(jié) 語

通過對橡膠顆粒進(jìn)行不同的預(yù)處理,可以改善橡膠混凝土的工作性能,提高橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度.對于摻入粗橡膠粒的混凝土,采用NaOH溶液預(yù)處理對混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度改善效果最優(yōu);對摻入細(xì)橡膠粒的混凝土,CCl4溶液預(yù)處理則為最佳方案.此外,在選擇預(yù)處理方式時(shí),除性能改善效果外,尚應(yīng)考慮預(yù)處理方式的處理成本、工藝流程和環(huán)境影響等因素,根據(jù)需求進(jìn)行確定.

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