納米高嶺土對隧道道床橡膠混凝土性能的影響研究*

李 倩

(江漢大學,湖北 武漢 430056)

0 引言

橡膠混凝土是將廢舊橡膠作為集料配制而成的水泥混凝土,可以彌補混凝土在抗拉、抗疲勞、抗沖擊等方面的不足[1-3],有助于處理日益增長的橡膠廢物,具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。此外,橡膠混凝土被證明用在隧道道床中不附加隔振裝置的前提下可以達到減振的目的[4]。近年來,國內(nèi)陸續(xù)開展橡膠混凝土在軌道交通中減振特性的研究并取得了相應的成果[5-8]。橡膠混凝土減振道床是一種新型有效的減振措施,滿足安全性和耐久性的要求[7],橡膠摻量越高,減振效果越好。然而,大量研究表明橡膠混凝土的力學性能隨橡膠摻量的增加而大幅降低[9-12]。

許多學者已通過一系列方法改善橡膠混凝土的力學性能,如改性橡膠[12-15]、添加各種纖維等。在水泥基材料中加入納米顆粒已被證明可以改善混凝土的性能。先前研究表明在橡膠混凝土中添加礦物外加劑如硅灰[16]、二氧化硅[15]和納米材料等[17],利用其填充效應和火山灰效應可以改善橡膠混凝土力學性能。納米高嶺土(nano kaolin,NK)是一種廣泛使用的低成本黏土礦物,其主要成分是高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)[18]。研究表明,NK能有效降低混凝土材料的滲透性,阻礙氯離子進入混凝土內(nèi)部,從而提高混凝土的力學性能和耐久性能[19-20]。然而,關于NK在橡膠混凝土中使用的研究極少,NK成本低,對混凝土具有顯著的改善效果,在橡膠混凝土中加入NK提高力學性能是有可能的。為使大摻量橡膠混凝土隧道道床達到最佳減振效果,同時滿足安全性和耐久性要求,有關NK改性橡膠混凝土的相關力學性能研究亟待開展。

本試驗將研究NK作為礦物外加劑對橡膠水泥砂漿抗壓強度、抗折強度和抗沖擊性能的影響,為實踐應用提供數(shù)據(jù)支撐,并促進大摻量橡膠混凝土在隧道工程中的應用。分離式霍普金森壓桿試驗法(SHPB)因其試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、應變率范圍廣等優(yōu)點成為研究混凝土抗沖擊性能的常用方法[21]。本試驗將采用SHPB測試NK改性橡膠水泥砂漿的抗沖擊性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥和NK的粒徑分布和化學成分分別如圖1和表1所示。

表1 水泥和NK化學組分Table 1 Chemical composition of cement and NK %

圖1 水泥和NK的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of cement and NK

河砂使用細度模數(shù)2.56、表觀密度2 550kg/m3的淮河河砂。

NK和60～80目橡膠顆粒如圖2所示。

圖2 試驗用橡膠顆粒和NKFig.2 Rubber particles and NK for test

1.2 試樣制備

為研究NK對橡膠水泥砂漿靜動態(tài)力學性能的影響,制備素砂漿1組,水灰比0.45,砂率50%。制備橡膠等體積替代10%,20%和30%河砂的橡膠水泥砂漿3組,用R表示;制備NK等質(zhì)量替代3%,7%,11%水泥的30%替代率橡膠水泥砂漿3組,用M表示。各組試件編號分別為CON,R10,R20,R30,R30M3,R30M7,R30M11,具體配合比如表2所示。

表2 砂漿配合比Table 2 Mortar mix ratio g

為了使NK在砂漿中得到良好的分散,首先將NK放在水中用旋轉(zhuǎn)攪拌器高速攪拌5min。將水泥和砂放入砂漿攪拌機中干拌3min,再加入水和NK混合物高速攪拌5min。將制備好的砂漿倒入50mm×50mm×50mm的立方體模具,每組制備9個試塊。澆筑完成后將模具放入標準養(yǎng)護室(溫度20±2℃,相對濕度≥95%)養(yǎng)護1d。拆模后將試件放入裝有飽和氫氧化鈣溶液的容器中,放置在標準養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護。養(yǎng)護至相應齡期(3,7,28d),每組取3個試塊在萬能壓力機上進行抗壓強度測試,測試結(jié)果取平均值作為砂漿試塊抗壓強度代表值。沖擊測試所用試件采用φ50×25鋼模制備,長徑比取0.5[22],每組9個試件。澆筑完成后養(yǎng)護過程與立方體試塊一樣。到達28d齡期后將試件表面打磨平整,平整度控制在0.05mm內(nèi),處理完成后進行沖擊壓縮試驗。

1.3 SHPB試驗裝置與試驗方法

沖擊壓縮試驗采用φ50分離式霍普金森桿(SHPB)試驗系統(tǒng)進行測試[1,22]。撞擊桿、入射桿、透射桿的長度分別為0.6,2.4,1.2m;各桿材質(zhì)均為密度7.8g/cm3、彈性模量210GPa、縱波波速5 190m/s的合金鋼。本次試驗選用0.25,0.35,0.45MPa三種沖擊氣壓,以便得到在不同應變率下的應力-應變曲線。試驗過程按照沖擊實驗室規(guī)范要求進行。沖擊壓縮試驗完成后,根據(jù)式(1)～(3)(三波法計算原理)[23]求得試件在沖擊荷載作用下的應力、應變和應變率。波形如圖3所示。

圖3 沖擊壓縮試驗波形示意Fig.3 Impact compression test waveform

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2 試驗結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)力學性能分析

各組砂漿抗壓強度和抗折強度如圖4所示。

圖4 3d,7d和28d砂漿抗壓強度和抗折強度Fig.4 Compressive strength and flexural strength of 3d, 7d and 28d mortars

由圖4可知,水泥砂漿抗壓強度和抗折強度隨橡膠顆粒摻量增加而降低,與之前研究結(jié)果一致[9]。在28d齡期時,與CON對比,R10,R20,R30橡膠砂漿抗壓強度分別下降36%,42%,63%,抗折強度分別下降46%,47%,49%。這是由于橡膠屬于彈塑性材料,與砂漿相比具有較低的彈性模量,橡膠也會增加砂漿含氣量,導致砂漿抗壓強度和抗折強度降低。另外,橡膠與砂漿分別表現(xiàn)出憎水性和親水性特性,兩者界面黏結(jié)強度較差。由圖4可知,NK可顯著改善橡膠砂漿抗壓強度和抗折強度,R30M11與R30相比,3,7,28d時抗壓強度分別提升70%,84%,93%,抗折強度分別提升17%,38%,43%。隨著NK摻量的增加,改善效果增強,NK增加了水泥漿體與橡膠顆粒之間界面過渡區(qū)的密實度,與在普通水泥砂漿中效果一樣。但在普通混凝土材料中NK摻量超過10%后會由于分散性較差產(chǎn)生聚集,形成新的薄弱界面過渡區(qū),降低強度,而在本試驗中隨摻量增大,強度不斷提高。這是因為橡膠砂漿擁有更加豐富的孔隙結(jié)構(gòu),能夠包含更多的NK,同時也為NK的水化反應提供了更多空間,促使產(chǎn)生更多的C-S-H[24],提高強度?？箟簭姸群涂拐蹚姸仍鲩L趨勢隨著齡期發(fā)展而升高,這是由于水化后期NK在堿性環(huán)境下發(fā)生了二次水化反應。

2.2 動態(tài)應力-應變曲線分析

不同NK摻量下的橡膠砂漿在不同應變率下的應力-應變(σ-ε)曲線如圖5所示。砂漿動態(tài)性能參數(shù)如表3所示。

圖5 不同NK摻量下橡膠砂漿應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of rubber mortar with different NK content

隨著應變率的增加,峰值應力呈增加趨勢。這是因為在低應變率下砂漿吸收的能量有足夠的時間擴展和貫通原有裂紋,但在高應變率下,其吸收的能量主要以產(chǎn)生更多細小裂紋的方式被消耗,短時間內(nèi)加載荷載,橡膠砂漿只能通過增加應力的方式來抵消外部能量,導致抗壓強度提高[25]。

隨著NK的摻入以及摻量的變化,動態(tài)力學性能也有所不同。在低應變率下:R30組砂漿在應變率為75.066s-1時的峰值應力為5.17MPa,R30組砂漿應力應變曲線較平緩,加入NK后曲線較陡,說明NK的加入對增強橡膠砂漿基體與橡膠顆粒之間的界面具有積極作用,提升了橡膠砂漿的剛度。R30M3組砂漿在應變率為65.13s-1時的峰值應力為17.10MPa,R30M7組砂漿在應變率為50.94s-1時的峰值應力為20.90MPa,R30M11組砂漿在應變率為59.584s-1時的峰值應力為21.8MPa。在高應變率下:R30組砂漿在應變率為140.073s-1時的峰值應力為19.39MPa,R30M3組砂漿在應變率為112.913s-1時的峰值應力為35.41MPa,R30M7組砂漿在應變率為113.533s-1時的峰值應力為44.05MPa,R30M11組砂漿在應變率為122.636s-1時的峰值應力為47.34MPa?？梢?在低應變率和高應變率作用下,NK的摻入可以提高橡膠砂漿的峰值應力,摻量為3%時峰值應力會顯著提高,摻量繼續(xù)增加,增長趨勢變緩。在高、中和低應變率下,摻入NK砂漿,峰值應變隨應變率的提高表現(xiàn)不同,在低應變率下峰值應變隨納米高嶺土的增加而增加,當應變率提高后,由于納米高嶺土的增強作用,峰值應變隨納米高嶺土摻量的增加而減小。

2.3 橡膠砂漿動態(tài)抗壓強度和動態(tài)增長因子

圖6為橡膠砂漿動態(tài)抗壓強度與平均應變率關系擬合曲線。在試驗應變率范圍內(nèi)動態(tài)抗壓強度與平均應變率之間形成了一種指數(shù)關系,如式(4)～(8)所示。一般來講,橡膠顆粒摻入砂漿中可以填充砂漿孔隙并且與周圍孔隙黏合形成強度,同時又發(fā)揮自身的彈性特點,充分吸收外界荷載作用下傳遞的能量,減少應力集中,抑制裂縫產(chǎn)生及擴展,從而提高動態(tài)抗壓強度。但由圖6可知,30%摻量橡膠使砂漿的動態(tài)抗壓強度低于素砂漿,這是由于大量橡膠摻入會增加薄弱界面的數(shù)量,反而會降低砂漿的動態(tài)抗壓強度。隨著納米高嶺土的摻入,曲線不斷上移,在相似的應變率下,動態(tài)抗壓強度隨納米高嶺土摻量增加而增加,這是因為納米高嶺土在砂漿中填充了橡膠與砂漿之間的孔隙,以自身為成核點促進了水化[26],增強了界面過渡區(qū)的強度。

圖6 不同摻量NK下砂漿動態(tài)抗壓強度Fig.6 Dynamic compressive strength of mortar with different dosage of NK

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動態(tài)增長因子通常是指試件在單軸壓縮下得到的動態(tài)抗壓強度與靜態(tài)抗壓強度的比值,也有學者將裂紋起始應力與準靜態(tài)抗壓強度的比值稱為動態(tài)增長因子[27]。兩者均是用來描述應變率效應對抗壓強度的影響。本試驗DIF值采用前者計算得到。

圖7展示了砂漿動態(tài)增長因子與平均應變率之間的關系。所有砂漿的動態(tài)增長因子隨著平均應變率的增加而提高。由圖7可知,橡膠砂漿的DIF增長趨勢高于普通砂漿,說明橡膠砂漿擁有更高的應變率敏感性。摻有NK的橡膠砂漿的DIF顯著提升,且優(yōu)于CON組砂漿,表明納米高嶺土的摻入提高了橡膠砂漿的動態(tài)抗壓強度。

圖7 砂漿動態(tài)增長因子Fig.7 Mortar dynamic growth factor

2.4 極限韌性分析

砂漿的極限韌性由應力-應變曲線所圍面積表示,代表砂漿試件在承受沖擊荷載過程中吸收能力的大小,綜合體現(xiàn)了試件的強度和延性特性。砂漿的極限韌性與應變率之間的關系(擬合曲線)如圖8所示。在試驗應變率范圍內(nèi)所有砂漿的極限韌性均隨著平均應變率的增大而提高,均符合應變率效應,NK改良后的橡膠砂漿的極限韌性增長速率高于素砂漿和純橡膠砂漿。在同一應變率下,橡膠砂漿的極限韌性低于素砂漿,這是因為橡膠摻量過多,砂漿內(nèi)部薄弱界面過多導致。摻入NK后的橡膠砂漿的極限韌性顯著增強。

圖8 砂漿試件的極限韌性與平均應變率的擬合關系Fig.8 Fitting relationship between ultimate toughness and average strain rate of mortar specimens

2.5 微觀形貌

28d砂漿試件微觀形貌如圖9所示。圖9a為空白砂漿,可以看到試件表面無明顯裂隙及孔隙。圖9b為R30組試樣,可以清晰看到橡膠顆粒與砂漿基體間存在裂隙,這是由于橡膠屬于憎水性材料而砂漿屬于親水性材料,二者不能很好地黏合,這就是橡膠砂漿抗壓強度低于空白對照的原因。由圖9可知,加入NK后,由于NK的填充和成核作用[26]在橡膠顆粒與砂漿基體的界面過渡區(qū)會生成大量的水化產(chǎn)物,水化產(chǎn)物可以填充孔隙,提升砂漿與橡膠顆粒的黏合程度,進而提高橡膠水泥砂漿的強度。

圖9 28d砂漿試件微觀形貌Fig.9 Microscopic morphology of 28d mortar specimen

3 結(jié)語

本文研究了不同摻量納米高嶺土對橡膠水泥砂漿靜動態(tài)力學性能的影響,主要得出以下結(jié)論。

1)橡膠摻入會大幅降低水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度,在納米高嶺土的作用下可顯著提高橡膠砂漿的抗壓強度和抗折強度。

2)納米高嶺土提高了橡膠砂漿的抗沖擊性能,峰值應力顯著提升,同時對峰值應變也產(chǎn)生了影響。在低應變率下峰值應變隨納米高嶺土摻量的增加而增加,高應變率時則相反。

3)砂漿的峰值應力、動態(tài)抗壓強度、動態(tài)增長因子和極限韌性均隨著應變率的增大而提高,呈現(xiàn)明顯的應變率效應。

4)納米高嶺土的摻入不僅提高了橡膠砂漿的靜態(tài)抗壓強度,動態(tài)力學性能也普遍增強,本試驗為橡膠砂漿在隧道工程中的應用提供了一種途徑。