凍融條件下再生橡膠混凝土損傷演變與強(qiáng)度相關(guān)性研究

汪振雙，蘇昊林

(1.東北財(cái)經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，大連 116025；2.伯明翰大學(xué)土木工程學(xué)院，伯明翰 B152TT)

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凍融條件下再生橡膠混凝土損傷演變與強(qiáng)度相關(guān)性研究

汪振雙1，蘇昊林2

(1.東北財(cái)經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，大連 116025；2.伯明翰大學(xué)土木工程學(xué)院，伯明翰B152TT)

為了研究凍融循環(huán)條件下再生橡膠混凝土強(qiáng)度與耐久性之間的相關(guān)性，試驗(yàn)通過對不同摻量和粒徑橡膠顆粒再生混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和抗凍性試驗(yàn)，并基于抗凍性損傷模型構(gòu)建凍融循環(huán)條件下再生橡膠混凝土損傷演變和強(qiáng)度相關(guān)性方程。試驗(yàn)結(jié)果表明：再生混凝土的7d和28d的立方體抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒粒徑和摻量的增加而減小，橡膠顆粒的摻入能改善再生混凝土的抗凍性能，并可通過相對動(dòng)彈模數(shù)值快速估算出再生混凝土的強(qiáng)度，可作為凍融循環(huán)條件下，再生橡膠混凝土結(jié)構(gòu)評估的參考和依據(jù)。

再生混凝土； 橡膠顆粒； 凍融； 損傷； 強(qiáng)度； 相關(guān)性

1 引 言

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善和新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，混凝土材料的需求量和消耗量逐年增加。我國每年工程建設(shè)領(lǐng)域混凝土的消耗量約為13～14億m3，約占全世界混凝土材料消耗量的一半左右[1]。混凝土材料的大量使用，砂、石等天然資源的消耗量也逐年增大。另一方面，隨著混凝土材料的消耗，建筑垃圾隨之產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，我國建筑垃圾已超過15億t，每年因建筑拆除產(chǎn)生10億t以上的建筑垃圾。因此，再生混凝土已成為了建筑垃圾資源化利用的主要途徑，再生混凝土是未來混凝土材料發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土的組成材料、配合比、強(qiáng)度和耐久性展開了大量的研究[3-6]。與普通混凝土相比，再生混凝土的耐久性較差，制約了再生混凝土在工程當(dāng)中應(yīng)用和發(fā)展。廢棄橡膠顆粒摻入到再生混凝土中，不僅改善再生混凝土材料的脆性和自重大缺點(diǎn)，提高了再生混凝土材料的韌性，提高了再生混凝土材料的耐久性[7-10]。此外，還拓展了廢棄橡膠的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境價(jià)值。本文以在凍融條件下再生橡膠混凝土耐久性衰減劣化過程為例，以相對動(dòng)彈模的變化和相對抗壓強(qiáng)度的變化來定義再生橡膠混凝土凍融條件作用的損傷變量[10-13]，研究橡膠顆粒的粒徑和摻量對再生混凝土強(qiáng)度和抗凍性的影響，并用相對動(dòng)彈模這一無損檢測手段表征的凍融前后再生橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中水泥選用的是P·O42.5(大連小野田水泥廠)。細(xì)集料為天然河砂，密度2.68g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.41?；炷恋臏p水劑為多羧酸系高性能AE減水劑，減水率20%。水為普通飲用水。再生粗集料所選用的混凝土是實(shí)驗(yàn)室澆注C40混凝土經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)6個(gè)月以后制得，再生粗集料的最大粒徑控制在25mm。橡膠顆粒為天津市某橡膠廠生產(chǎn)的橡膠粉。再生粗集料和橡膠粉顆粒的物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 橡膠顆粒和再生粗集料的基本性質(zhì)

2.2 再生橡膠混凝土的配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)C30強(qiáng)度等級的再生粗集料混凝土，橡膠顆粒等質(zhì)量取代再生粗集料混凝土中砂子，取代量分別為10kg/m3，20kg/m3和30kg/m3，AE堿水劑用量為水泥用量的5.3%，再生橡膠混凝土的配合比如表2所示。

表2 再生的混凝土配合比

2.3 試件成型和測試方法

試驗(yàn)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，再生橡膠混凝土的成型參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，實(shí)驗(yàn)室靜置24h后進(jìn)行拆模，并放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。再生橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150mm的立方體。再生橡膠混凝土的抗凍性試件尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體。按按GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行再生橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和抗凍性測試。其中，再生橡膠混凝土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度測試的試件，是通過100mm×100mm×400mm的棱柱體凍融循環(huán)后進(jìn)行取芯，得到φ50mm×100mm的圓柱體試件，每組3個(gè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 再生橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

再生橡膠混凝土7d和28d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從實(shí)驗(yàn)過程中可以看出，隨著荷載數(shù)值的不斷增大，混凝土表面出現(xiàn)了斜向和豎向的微裂縫。微裂縫隨著施加荷載的進(jìn)一步增大，不斷擴(kuò)展、延伸，形成倒“八”字形裂紋。最終，裂縫延伸，聯(lián)通，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)剝落，導(dǎo)致混凝土材料發(fā)生破壞，成為正、倒相連的四角錐體。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Cubic compressive strength of recycled concrete

3.1.1 橡膠取代率對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橡膠顆粒的取代量對再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度影響比較顯著。橡膠顆粒的粒徑為60目時(shí)，未摻入橡膠顆粒的再生混凝土CR1，其7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為28.3MPa和38.3MPa，橡膠顆粒的取代量為10kg/m3，20kg/m3和30kg/m3時(shí)，CR2，CR3和CR4混凝土7d的立方體抗壓強(qiáng)度分別為CR1混凝土7d抗壓強(qiáng)度的92.2%，89.4%和71.1%，而CR2，CR3和CR4混凝土28d的立方體抗壓強(qiáng)度分別為CR1混凝土28d抗壓強(qiáng)度的93.2%，86.8%和70%?？梢钥闯觯S著橡膠顆粒摻量的增加，再生橡膠混凝土7d和28d的立方體抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這主要是由于橡膠顆粒為彈性材料，模量較低，強(qiáng)度低遠(yuǎn)低于砂子的強(qiáng)度，在再生混凝土配合比設(shè)計(jì)中，等量取代砂子摻入到再生混凝土中，影響再生混凝土的強(qiáng)度。再者，橡膠顆粒是一種有機(jī)彈性材料，屬于憎水性材料，將其摻入到再生混凝土中，影響水泥石與集料之間的粘結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度降低[14]。

3.1.2 橡膠顆粒粒徑對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1的再生橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，當(dāng)橡膠顆粒的取代量為20kg/m3時(shí)，與摻入橡膠顆粒粒徑為60目的再生混凝土相比，摻入橡膠顆粒粒徑為1～3mm和3～6mm的再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度降低比較明顯，其7d立方體抗壓強(qiáng)度分別下降7.5%和5.9%，28d立方體抗壓強(qiáng)度分別下降14.6%和14.5%。由此可知，橡膠顆粒的粒徑對再生混凝土的7d和28d立方體抗壓強(qiáng)度的影響比較明顯。再生混凝土中摻入橡膠顆粒，在混凝土中只起到惰性填充材料的作用，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒有生成新的物相結(jié)構(gòu)[9]。另外，橡膠顆粒的粒徑越大，在再生混凝土材料內(nèi)部引入的孔隙就越大，降低了混凝土材料的密實(shí)度，導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度下降。

3.2 再生橡膠混凝土抗凍性試驗(yàn)

抗凍性是混凝土材料耐久性重要指標(biāo)之一。再生混凝土抗凍性按GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中快凍法進(jìn)行測試。經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，再生混凝土CR1試件尺寸完整性最差，破損較為嚴(yán)重。摻入橡膠顆粒的再生混凝土，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，試件表面尺寸完整性狀況均好于CR1再生混凝土試件。此外，隨著橡膠顆粒摻量的增加，再生粗集料外露少，試件表面砂漿的剝落量少，再生混凝土的抗凍性能較好。

3.2.1 質(zhì)量損失率和相對動(dòng)彈模

圖2是再生橡膠混凝土的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化情況?？梢钥闯?，經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，CR1試件質(zhì)量損失率為5.3%，CR2為5.4%，CR3為3.9%，CR4為3.0%，CR5為4.2%，CR6為4.4%。再生混凝土中摻入橡膠顆粒，改善了再生混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和特征，提高了再生混凝土的抗凍性。由圖3的試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，橡膠顆粒的摻量越多，再生混凝土的抗凍性越好。需要指出的是，混凝土的抗凍性與混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，橡膠顆粒屬于非極性有機(jī)材料，極易包裹空氣。這樣新拌混凝土中摻入橡膠顆粒，會(huì)導(dǎo)致混凝土拌合物的含氣量增大，使再生混凝土硬化后的孔隙率增大，進(jìn)而改善再生混凝土的抗凍性。從表3可以看出，橡膠顆粒的粒徑為60目，摻量為30kg/m3時(shí)，引氣量最大，與再生混凝土質(zhì)量損失率的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。值得注意的是，再生混凝土的抗凍性隨著橡膠顆粒粒徑的增大而降低，大粒徑的孔隙對再生混凝土的抗凍性不利。

圖2 再生混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss of recycled concrete after freezing-thawing cycles

圖3 再生混凝土相對動(dòng)彈性模量變化Fig.3 Relative dynamic modulus of recycled concrete after freezing-thawing cycles

混凝土材料凍融劣化是材料由致密到疏松變化的物理過程，可以用混凝土動(dòng)彈性模量變化來表征混凝土在凍融循環(huán)條件下的損傷失效過程。再生粗集料在制備過程中內(nèi)部存在一定的原始缺陷和微裂縫。此外，再生混凝土在成型過程中，由于水分的蒸發(fā)也存在一定的原始缺陷。在凍融循環(huán)條件下，再生混凝土內(nèi)部的微裂縫和原始缺陷逐漸發(fā)育生長，導(dǎo)致再生混凝土的密實(shí)度下降，進(jìn)而使再生混凝土動(dòng)彈性模量下降。從圖3再生橡膠混凝土相對動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的變化中可以看出，再生混凝土經(jīng)過125次凍融循環(huán)之后，CR1的相對動(dòng)彈性模量為85%，而CR2，CR3，CR4，CR5和CR6混凝土的相對動(dòng)彈性模量均大于90%。200次凍融循環(huán)后，CR2混凝土的相對動(dòng)彈性模量為85.8%，而CR3，CR4，CR5和CR6混凝土的相對動(dòng)彈性模量均大于90%。此外，通過試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，橡膠顆粒粒徑60目時(shí)，取代量為30kg/m3時(shí)，再生混凝土的抗凍性最好，這與質(zhì)量損失率的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。60目粒徑的橡膠顆粒摻入到再生混凝土中，相當(dāng)于在再生混凝土的內(nèi)部引入大量的微小閉合孔，改善了再生混凝土的抗凍性[15-17]。

圖4 再生混凝土凍融循環(huán)條件下抗壓強(qiáng)度變化Fig.4 Relative dynamic modulus of concrete after freezing-thawing cycles

3.2.2 抗壓強(qiáng)度的變化

凍融循環(huán)條件下，再生橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在凍融循環(huán)初期，再生橡膠混凝土試件表面出現(xiàn)不同程度的微小損傷。由圖4的可以看出，在凍融循環(huán)條件下，CR1混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降較快，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，CR1混凝土的強(qiáng)度為32MPa，經(jīng)150次凍融循環(huán)后，CR1混凝土試件破損。摻入橡膠顆粒后，再生混凝土的抗凍性提高?？梢钥闯?，凍融循環(huán)條件下，再生橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的變化與相對動(dòng)彈模變化一致。

3.3 再生橡膠混凝土強(qiáng)度與損傷之間關(guān)系

Bazant[18]在混凝土抗凍性研究基礎(chǔ)上，建立混凝土抗凍性數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型模擬混凝土在凍融循環(huán)過程中孔隙水的遷移過程，并計(jì)算出孔溶液結(jié)冰釋時(shí)混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力分布。我國學(xué)者許麗萍[19]，李金玉模型[20]和蔡昊[21]等建立了混凝土抗凍性預(yù)測模型，來預(yù)測混凝土的抗凍性。關(guān)宇剛[22,23]基于損傷力學(xué)原理，用混凝土相對動(dòng)彈模量變化定義混凝土的損傷度，研究了混凝土在凍融循環(huán)條件下?lián)p失失效過程，如公式(1)所示：

(1)

式中，D-混凝土損失度，E0，Ei-混凝土初始動(dòng)彈性模量，剩余動(dòng)彈性模量。

已有的大量研究表明[19-22]，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系符合下面的規(guī)律：

(2)

為了便于數(shù)學(xué)回歸方法對數(shù)據(jù)的處理，將公式(1)兩邊同時(shí)取對數(shù)，把上式恒等變形為：

(3)

(4)

再生橡膠混凝土的 值按公式(1)～(4)計(jì)算得到計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 再生橡膠混凝土的η值

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，再生混凝土中摻入橡膠顆粒影響η值，在工程實(shí)際當(dāng)中可以借助于混凝土的相對動(dòng)彈模來快速估算混凝土的強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

通過對比試驗(yàn)分析了不同摻量和粒徑橡膠顆粒對再生混凝土進(jìn)行了強(qiáng)度和抗凍性能的影響，基于抗凍性損傷模型構(gòu)建凍融循環(huán)條件下再生橡膠混凝土損傷演變和強(qiáng)度相關(guān)性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)再生混凝土中摻入橡膠顆粒起到惰性填充作用，再生混凝土的強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻量和粒徑的增加而減??；

(2)再生混凝土中摻入橡膠顆粒改善混凝土的抗凍性，再生混凝土中橡膠顆粒粒徑和摻量對混凝土抗凍性影響比較顯著；

(3)混凝土凍融循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度可以去混凝土的相對動(dòng)彈模進(jìn)行表征，在工程中可通過二者相關(guān)性方程，估算再生橡膠混凝土的強(qiáng)度。

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Correlation between Recycled Rubber Concrete Strength andDamage Evolution in Freeze Thaw Cycles

WANG Zhen-shuang1,SU Hao-lin2

(1.SchoolofInvestmentandConstructionManagement,DongbeiUniversityofFinanceandEconomics,Dalian116025,China;2.SchoolofCivilEngineering,UniversityofBirmingham,BirminghamB152TT,UnitedKingdom)

s:Inordertoresearchtherecycledrubberconcretethecorrelationbetweenstrengthanddurability,compressivestrengthattheagesof7dand28d,andfrostresistancewerecarriedouttoresearchrecycledaggregateconcretewithdifferentrubberparticleswithdifferentreplacementcontentreplacingfineaggregateandsize.Thecorrelationformulawasestablishedtorevealtherelationshipbetweenstrengthanddurabilityundertheeffectoffreezethaw.Itcanbeconcludedthattheadditionofrubberparticlereducedthecompressivestrengthrecycledconcreteattheagesof7dand28d,andthecompressivestrengthdecreasedwiththeadditionofrubberparticlesincreasing.Inaddition,theinfluenceeffectofrubberparticlewassignificant.Thefrostresistanceofrecycledaggregateconcretewasimprovedbyadditionofrubberparticle.Thecorrelationformulaindicatedthatthecompressivestrengthofrecycledrubberconcretecanbeestimatedbyrelativedynamicmodulus,anditcanbeusedtoevaluatetheconcretestructureunderthefreezethawcycles.

recycledaggregateconcrete;rubberparticle;freezethaw;damage;strength;correlation

第八批博士后特別資助項(xiàng)目(2015T80259)；遼寧省教育廳基金一般項(xiàng)目(W2015130)；東北財(cái)經(jīng)大學(xué)青年科技人才培育項(xiàng)目(DUFE2015Q15)

汪振雙(1982-)，男，博士，講師，碩導(dǎo).主要從事混凝土材料科學(xué)與技術(shù)和材料經(jīng)濟(jì)學(xué)方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4286-06