橡膠摻量對(duì)CBFRC的物理力學(xué)性能影響

賀東青，王金歌，王一鳴

（河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路交通量大增，重型運(yùn)輸車輛的比例越來(lái)越大，這對(duì)公路路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能提出了更高要求.雖然水泥混凝土路面因其具有抗壓和抗彎拉強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在抗裂和抗沖擊性能差、噪音大等缺點(diǎn).

近幾年來(lái)，鋼纖維混凝土因其具有較高的抗彎拉強(qiáng)度和良好的路用性能，得到了較廣泛的應(yīng)用.然而，在混凝土中全部加入鋼纖維，不但大大提高了工程的造價(jià)，而且，在使用過(guò)程中也存在鋼纖維銹蝕嚴(yán)重、路面使用壽命短等缺點(diǎn)［1］.雖然聚丙烯纖維對(duì)于降低混凝土的早期塑性收縮和干縮有獨(dú)到的作用，對(duì)改善路面的抗裂亦有一定效果，但對(duì)提高路面抗彎拉強(qiáng)度的作用卻不夠明顯［2－3］.玄武巖纖維除具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)外，還具有耐溫性佳、抗氧化、抗酸堿、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用的優(yōu)異性能.文獻(xiàn)［4］表明，在混凝土中摻入橡膠顆粒有助于提高路面韌性，減振降噪，但會(huì)導(dǎo)致其抗壓、劈裂和彎拉強(qiáng)度降低.筆者將橡膠顆粒摻入到短切玄武巖纖維混凝土中，通過(guò)橡膠顆粒和玄武巖纖維2種柔性材料的復(fù)合作用，在保留混凝土具有足夠抗壓和抗彎拉強(qiáng)度、有效降低混凝土彈性模量的同時(shí)，明顯改善了混凝土路面的變形性能.

1 試驗(yàn)用原材料

新鄉(xiāng)產(chǎn)“王氏”P·O 42.5水泥；中河砂，細(xì)度模數(shù)2.68；石子，粒徑10～30mm，連續(xù)級(jí)配；聚羧酸系高性能減水劑，減水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）20%～25%；界面處理溶劑為天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)的無(wú)水氫氧化鈉；河南武陟產(chǎn)橡膠顆粒，粒徑分別為3.90，1.70，0.42，0.25mm；浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，具體性能指標(biāo)表1.

表1 短切玄武巖纖維的性能指標(biāo)Table 1 Properties of CBF

為保證橡膠顆粒替代細(xì)骨料的效果，將4種粒徑的橡膠顆粒進(jìn)行混合，并用細(xì)度模數(shù)來(lái)確定4種粒徑橡膠顆粒的摻配率.經(jīng)多次試驗(yàn)，得到粒徑為3.90，1.70，0.42，0.25mm 的橡膠顆?；旌腺|(zhì)量比為1∶1∶1∶2，混合后的橡膠顆粒細(xì)度模數(shù)為2.71，與本文所用砂子的細(xì)度模數(shù)2.68接近.

2 試驗(yàn)方法

依據(jù)文獻(xiàn)［5］，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaOH 溶液浸泡混合的橡膠顆粒，之后用清水多次沖洗，并用pH 試紙檢測(cè)，直至清洗液呈中性為止，放在干燥環(huán)境下，至橡膠顆粒表面干燥.將經(jīng)NaOH 溶液處理后的橡膠顆粒分別以體積分?jǐn)?shù)（φ）10%，20%，30%，40%，50%替代細(xì)骨料，摻入短切玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%［6］的混凝土中.混凝土配合比見(jiàn)表2，其中C0～C5和B0～B5的數(shù)字0～5表示橡膠顆粒摻量為0%～50%，C 為基準(zhǔn)混凝土，B 為短切玄武巖纖維混凝土.

立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，靜力受壓彈性模量試件尺寸為150mm×150mm×300mm，抗彎拉強(qiáng)度試件為150mm×150mm×550mm 小梁.根據(jù)GB／T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量和抗彎拉強(qiáng)度.通過(guò)測(cè)定混凝土小梁受彎的荷載－變形曲線來(lái)評(píng)定變形性能.采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，位移控制，加載速率0.1mm／min.

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix proportion kg／m3

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖1.

由圖1可見(jiàn)，橡膠混凝土（CRC）的立方體抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻量的增加呈下降趨勢(shì).當(dāng)橡膠顆粒摻量為0%～10%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低較快；當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%～40%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低減緩；當(dāng)橡膠顆粒摻量為40%～50%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低幅度又加快；在橡膠顆粒摻量為50%時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度僅為基準(zhǔn)混凝土的24.7%.由圖1 還可見(jiàn)，橡膠顆粒摻量對(duì)短切玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土（BRC）立方體抗壓強(qiáng)度的影響基本與橡膠混凝土一致.

圖1 橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of crumb rubber proportion on cube compressive strength of concrete

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2.

圖2 橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of crumb rubber proportion on splitting tensile strength of concrete

由圖2可見(jiàn)，隨著橡膠顆粒摻量的增大，橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).當(dāng)橡膠摻量為50%時(shí)，橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度僅為基準(zhǔn)混凝土的40%.然而，不同橡膠顆粒摻量下的短切玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均比相應(yīng)橡膠顆粒摻量下混凝土的抗拉強(qiáng)度高，當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%，20%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度分別比相應(yīng)摻量下橡膠混凝土提高了11.9%，10.3%；當(dāng)橡膠顆粒摻量為40%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度比相應(yīng)橡膠混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了20.0%.

3.3 靜力受壓彈性模量

按照GB／T 50081—2002 的試驗(yàn)方法，用割線彈性模量作為混凝土的彈性模量.不同橡膠顆粒摻量下混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量分別見(jiàn)圖3，4.

圖3 不同橡膠顆粒摻量下混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度Fig.3 Axial compressive strength of concrete with different crumb rubber proportion

圖4 不同橡膠顆粒摻量下混凝土的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of concrete with different crumb rubber proportion

由圖3可見(jiàn)，隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度不斷下降，并且其下降趨勢(shì)與立方體抗壓強(qiáng)度一致.在不同橡膠顆粒摻量下，短切玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度均比相應(yīng)摻量下的橡膠混凝土高.由圖4可見(jiàn)，橡膠混凝土的彈性模量隨著橡膠摻量的增加基本呈現(xiàn)直線下降趨勢(shì)，當(dāng)橡膠顆粒摻量為50%時(shí)，混凝土的彈性模量為15.8GPa，僅為基準(zhǔn)混凝土的45.3%.

由于橡膠的彈性模量?jī)H為7.84MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土的彈性模量（34.90GPa），橡膠顆粒的摻入會(huì)使混凝土的彈性模量降低，并且降低幅度隨橡膠顆粒摻量的增加而增大.盡管玄武巖纖維的彈性模量為93.1～110.0GPa，遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)混凝土的彈性模量，但玄武巖纖維摻量?jī)H為0.2%，所以它對(duì)混凝土彈性模量的影響并不大.

3.4 抗彎拉強(qiáng)度

抗彎拉強(qiáng)度是混凝土路面結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，其大小是否滿足設(shè)計(jì)要求，將直接影響這種路面的整體質(zhì)量及使用壽命.試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加荷方式，不同橡膠顆粒摻量下混凝土的抗彎拉強(qiáng)度見(jiàn)圖5.

圖5 不同橡膠顆粒摻量下混凝土的抗彎拉強(qiáng)度Fig.5 Flexural strength of concrete with different crumb rubber proportion

由圖5可見(jiàn)，隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土抗彎拉強(qiáng)度逐漸下降.當(dāng)橡膠顆粒摻量為0%～30%時(shí)，橡膠混凝土的抗彎拉強(qiáng)度下降明顯；當(dāng)橡膠顆粒摻量為30%～40%時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度下降緩慢；而當(dāng)橡膠顆粒摻量為40%～50%時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度又明顯下降.在不同橡膠顆粒摻量下，短切玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土的抗彎拉強(qiáng)度均比相應(yīng)摻量下橡膠混凝土的抗彎拉強(qiáng)度高，當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%，20%，30%，40%，50%時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度分別提高 了16%，21%，20%，23%，35%.

3.5 變形性能

基準(zhǔn)混凝土（C）、橡膠混凝土（橡膠摻量為20%）和玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土（橡膠摻量為20%，短切玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%）的荷載－跨中撓度曲線如圖6所示.

圖6 不同混凝土荷載－跨中撓度曲線Fig.6 Load－deflection curves of different concretes

由圖6可見(jiàn)，隨著荷載的增大，混凝土試件的跨中撓度基本呈線性增長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝土上升段的斜率最大，橡膠混凝土和玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土上升段的斜率基本相同，且均低于基準(zhǔn)混凝土，這說(shuō)明橡膠混凝土和玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土的彈性模量有所降低，與靜力受壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果一致.由圖6還可見(jiàn)，橡膠混凝土和玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土在荷載達(dá)到峰值后仍可繼續(xù)變形，表現(xiàn)出較為明顯的延性特征.

4 結(jié)論

（1）橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和抗彎拉強(qiáng)度均隨橡膠顆粒摻量的增加而降低，在極限荷載下仍表現(xiàn)出一定的延性.

（2）體積分?jǐn)?shù)為0.2%的短切玄武巖纖維對(duì)橡膠混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度影響較大，而對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響較小.

（3）短切玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠混凝土不僅具有較高的抗拉、抗彎拉強(qiáng)度，而且還具有較好的變形能力和較低的彈性模量，為混凝土路面防裂和減震降噪提供了可能.

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