聚合物再生混凝土力學(xué)性能研究

易鼎鼎++劉偉++張書(shū)博++周肖慶++王旭升

摘 要：本文設(shè)計(jì)并完成了不同聚合物不同用量的再生混凝土，制備了摻入量為7%、14%、21%、28%丁苯膠乳再生混凝土、再生橡膠粉再生混凝土和普通混凝土試塊，進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度和阻尼性能相關(guān)試驗(yàn)，并以普通混凝土作為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析試驗(yàn)，結(jié)果表明：聚合物再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度破壞過(guò)程和破壞形態(tài)與普通混凝土基本一致；在水膠比、砂率和單位體積材料用量不變的情況下，聚合物再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土，阻尼性能則高于普通混凝土，抗壓強(qiáng)度與阻尼性成反比關(guān)系。

關(guān)鍵詞：普通混凝土；聚合物再生混凝土；抗壓強(qiáng)度；阻尼比

中圖分類(lèi)號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑廢棄物是城市垃圾的主要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界多數(shù)國(guó)家的建筑物拆除垃圾和建筑施工垃圾的數(shù)量約占城市垃圾總量的30%～40%。建筑廢棄物成分復(fù)雜，但其中廢棄混凝土塊、碎磚塊等所占的比例最高，可以作為再生骨料等進(jìn)行資源化利用。將廢棄混凝土塊經(jīng)過(guò)處理加工成再生骨料，既能解決天然骨料資源缺乏的問(wèn)題，保護(hù)骨料產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境，又能解決城市廢棄物的堆放、占地和環(huán)境污染等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過(guò)程中的物質(zhì)循環(huán)利用，保證建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)能力和建筑廢棄再生利用越發(fā)受到政府重視，工程領(lǐng)域期望著建材具有優(yōu)異的抗沖擊能力、減震性能，從而為工程結(jié)構(gòu)抵抗災(zāi)害的能力提供安全保證?；炷磷鳛榛A(chǔ)建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的建筑材料成為實(shí)現(xiàn)人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)期望性能的載體，但再生混凝土也有自身的缺陷，如抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度較低、脆性大、阻尼耗能性和抗化學(xué)腐蝕能力差等。我們通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在再生混凝土添加聚合物，可克服再生混凝土以上絕大多數(shù)的缺陷，尤其使混凝土減震耗能性增強(qiáng)，從而揭示了再生混凝土阻尼性與強(qiáng)度之間蹺蹺板的關(guān)系及成因，有效解決了阻尼功能與強(qiáng)度等力學(xué)性能不可兼顧的矛盾，為該類(lèi)材料的設(shè)計(jì)、制備以及推廣應(yīng)用提供了重要的依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1.聚合物再生混凝土

聚合物再生混凝土是將水泥與再生骨料混合，與分散在水中聚合物粉料或在水中互溶的聚合物乳液結(jié)合產(chǎn)生的復(fù)合材料。目前，有許多國(guó)家在研究聚合物再生混凝土，其制作方法有兩種，一是將聚合物與水混合，以乳液的形式加入，影響水泥水化過(guò)程，從而能夠改善再生混凝土結(jié)構(gòu)；二是先將聚合物與水泥進(jìn)行預(yù)分散，制成干拌再生砂漿，到施工現(xiàn)場(chǎng)加水拌制后使用?；旌衔锱c水拌和時(shí)，聚合物遇水變?yōu)槿橐?，在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中，乳液脫水，形成聚合物固體結(jié)構(gòu)，從而來(lái)影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其性能。

本試驗(yàn)在制備所研究聚合物再生混凝土?xí)r分別采用了以上兩種制備方法，將不同聚合物作為混凝土制備的原材料，根據(jù)所加入的用量多少來(lái)研究其對(duì)再生混凝土的抗壓和阻尼性能。

2.聚合物再生混凝土試驗(yàn)介紹

2.1 試驗(yàn)材料介紹

32.5普通硅酸鹽水泥，摻和料為硅灰，粗骨料是粒徑在2.65mm～26.5mm級(jí)配的再生骨料，由廢棄的混凝土材料制成，細(xì)骨料為河砂，聚合物為丁苯膠乳和再生橡膠粉。

2.2 試驗(yàn)方法

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行，試件為150×150×150mm的立方體試件，壓力試驗(yàn)機(jī)加荷速度為每秒鐘0.5MPa，抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

（1）

式中：fcu——試件破壞荷載（N）；

A——試件承壓面積（mm2）。

混凝土阻尼性能測(cè)試按照自由衰減法進(jìn)行，采用錘擊振動(dòng)試驗(yàn)裝置（圖1所示），試件為T(mén)型（圖2所示），阻尼比按下式計(jì)算：

（2）

式中：

A1和A2為自由衰減曲線中的兩個(gè)峰值；

n為A1與A2之間的振動(dòng)次數(shù).

試驗(yàn)前制備的立方體試件和T型試件有普通混凝土各一組，丁苯膠乳、再生膠粉摻入量分別是7%、14%、21%、28%的聚合物再生混凝土分別4組；總計(jì)18組54個(gè)試件。試驗(yàn)時(shí)分別進(jìn)行普通混凝土、再生膠粉再生混凝土和丁苯膠乳再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和阻尼性能測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)，按照式1和式2計(jì)算各組試件的抗壓強(qiáng)度和阻尼比。

2.3 破壞形態(tài)

抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)：在聚合物再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，首先裂縫出現(xiàn)在靠近試塊的側(cè)表層，形成相互近似平行或正倒的“八”字形形式，如圖3所示。隨著荷載的不斷加大，混凝土外表面開(kāi)始外鼓、剝落，最終的破壞形態(tài)為相互分離的正、倒四角錐。

抗折強(qiáng)度破壞形態(tài)：加載初期，再生混凝土試件表面未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)；隨著荷載的增大，試件底表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫出現(xiàn)在試件所施加的兩個(gè)集中荷載之問(wèn)，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫沿著側(cè)表面逐漸豎向向上延伸。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，再生混凝土試件裂縫寬度逐漸增大，最后再生混凝土被折斷。

從裂縫出現(xiàn)形式和破壞最終形態(tài)進(jìn)行判斷，聚合物再生混凝土的破壞方式與普通混凝土基本一致。

2.4 立方體抗壓強(qiáng)度分析

再生混凝土抗壓強(qiáng)度的研究上，肖建莊、Frondistou-Yarnnas等國(guó)內(nèi)外學(xué)者成果指出不同類(lèi)型的再生混凝土抗壓強(qiáng)度比普通混凝土要低，且降低幅度在5%～24%之間。在本試驗(yàn)中，從表1和表2可以看出，聚合物再生混凝土隨著聚合物摻入量的增大，28天抗壓強(qiáng)度隨之降低，且降低幅度不斷擴(kuò)大，基本符合以上學(xué)者的研究成果。但本試驗(yàn)強(qiáng)度降低幅度偏大，摻入再生橡膠粉試件抗壓強(qiáng)度最大降幅為38.57%，摻入丁苯膠乳試件抗壓強(qiáng)度最大降幅則達(dá)到74.03%。

表1摻入丁苯膠乳試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

聚合物摻入量 0 7% 14% 21% 28%

抗壓強(qiáng)度（MPa） 27 24.03 15.78 11.67 7.01

與普通混凝土相比抗壓強(qiáng)度提高百分率 0 -11 -41.55 -56.77 -74.03

表2摻入再生橡膠粉試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

聚合物摻入量 0 7% 14% 21% 28%

抗壓強(qiáng)度（MPa） 35 30.3 28.1 23.0 21.5

與普通混凝土相比抗壓強(qiáng)度提高百分率 0 -13.42 -19.71 -34.28 -38.57

經(jīng)研究分析，聚合物再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低的可能性有：①經(jīng)過(guò)人工或機(jī)械破碎后，使再生粗細(xì)骨料出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，降低了骨料的致密程度，從而使其壓碎指標(biāo)降低，同時(shí)破碎后的粗細(xì)骨料未經(jīng)清洗就直接使用，其中含有較多的泥渣和雜質(zhì)，從而影響水泥與骨料的黏結(jié)性能。②聚合物的摻入在混凝土硬化過(guò)程中會(huì)聚集凝結(jié)，通過(guò)物理化學(xué)作用逐漸生成黏性膜狀物，這些膜狀物會(huì)包裹骨料和未水化的水泥顆粒，使水泥水化不充分，黏結(jié)性變差，混凝土強(qiáng)度降低。

2.5 阻尼性能分析

從表3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，不同類(lèi)型的聚合物再生混凝土阻尼比與普通混凝土試件阻尼比相比都有所提高，提高的百分率隨著聚合物摻入量的增加而加大，但在摻入量大于14%以后，阻尼比的增長(zhǎng)速率均變快，摻入丁苯膠乳的試件比摻入再生橡膠粉的試件其阻尼比增長(zhǎng)速率加快要大，當(dāng)丁苯膠乳摻入量達(dá)28%時(shí)，其阻尼增幅可達(dá)180.39%。

表3摻入再生橡膠粉試件阻尼比測(cè)試結(jié)果

聚合物摻入量 0 7% 14% 21% 28%

阻尼比 0.98 1.53 1.49 1.6 2.29

與普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 56.12 52.04 63.26 133.67

表4摻入丁苯膠乳試件阻尼比測(cè)試結(jié)果

聚合物摻入量 0 7% 14% 21% 28%

阻尼比 1.02 1.45 1.92 2.5 2.86

與普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 42.15 88.23 145.09 180.39

綜合表1～表4可以看出，不同種類(lèi)聚合物再生混凝土性能是不同的，再生橡膠粉再生混凝土抗壓強(qiáng)度要大于丁苯膠乳再生混凝土，但其阻尼比要低于丁苯膠乳再生混凝，呈現(xiàn)出的規(guī)律是在聚合物再生混凝土中，抗壓強(qiáng)度越大的混凝土其阻尼性越低，抗壓強(qiáng)度越小的混凝土其阻尼性越高，抗壓強(qiáng)度與阻尼性成反比關(guān)系。

出現(xiàn)以上這種現(xiàn)象的原因可能是在聚合物和再生混凝土之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)聚合物成分與再生混凝土料漿拌和時(shí)，再生混凝土中的水泥與聚合物乳液中的水發(fā)生水化反應(yīng)，而乳液由于水分的減少而逐漸變稠，聚合物固體物質(zhì)顆粒相互聚集且粘連，隨著水泥水化反應(yīng)的充分進(jìn)行，在混凝土表面和內(nèi)部凝聚成絲狀薄膜層，與CSH等膠體粒子相互交織，骨料被牢固地黏結(jié)在一起，整個(gè)形成相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)形式。此結(jié)構(gòu)形式極大地增強(qiáng)了再生混凝土的形變能力，但削弱了強(qiáng)度性能，聚合物用量的多少影響到集合物再生混凝土界面層的改善程度，所以聚合物用量越大，再生混凝土的阻尼比也越大，抗壓強(qiáng)度越小。

2.6 阻尼性能產(chǎn)生原因探討

聚合物再生混凝土之所以產(chǎn)生較好的變形性和良好的阻尼性，主要原因是大分子成分的聚合物在一定頻率的交變應(yīng)力作用下，鏈狀分子的鏈段運(yùn)動(dòng)克服內(nèi)部阻力需要一段時(shí)間。對(duì)于試驗(yàn)中采用的T字型試件，在激振力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)再生混凝土的變形具有柔性減幅作用，混凝土發(fā)生形變時(shí)，其應(yīng)變要滯后于應(yīng)力。由于聚合物再生混凝土的阻尼性能與頻率有關(guān)，所以在一定的頻率范圍內(nèi)，這種滯后現(xiàn)象表現(xiàn)得十分明顯。滯后的變形運(yùn)動(dòng)需要克服較大的阻尼，這個(gè)過(guò)程將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗到。另外，聚合物分子間和水泥水化后各類(lèi)新物質(zhì)的分子間以及它們的表面或內(nèi)部層之間運(yùn)動(dòng)摩擦都會(huì)產(chǎn)生阻尼。

結(jié)論

（1）采用丁苯膠乳和再生橡膠粉兩種聚合物制備的再生聚合物混凝土，其阻尼性相比普通再生混凝土均有所提高，但兩者對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度都有明顯的減弱作用。

（2）聚合物再生混凝土中，抗壓強(qiáng)度越大的混凝土其阻尼性越低，抗壓強(qiáng)度越小的混凝土其阻尼性越高，抗壓強(qiáng)度與阻尼性成反比關(guān)系。

（3）丁苯膠乳再生混凝土的阻尼性要優(yōu)于再生橡膠粉再生混凝土的阻尼性，但前者的抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度方面比后者要低。要獲得阻尼比和抗壓強(qiáng)度綜合指標(biāo)較好的聚合物再生混凝土，再生橡膠粉用量控制在7%～14%之間，丁苯膠乳用量控制在10%左右。

（4）考慮到大分子聚合物對(duì)再生混凝土強(qiáng)度削弱的影響，在制備聚合物再生混凝土?xí)r，可采用其他方法來(lái)保持或提高混凝土的強(qiáng)度性能，如摻入適當(dāng)?shù)耐饧觿?，如納米二氧化硅。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]柯國(guó)軍，陳俊杰，石建軍，等.混凝土阻尼試驗(yàn)研究及其機(jī)理分析[J].噪音與振動(dòng)控制，2005：61-63.

[3]張波志，王社良，張博，等.再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011：4-6.

[4]萬(wàn)澤青.高阻尼混凝土的試驗(yàn)研究及其在結(jié)構(gòu)耗能減震中的應(yīng)用[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2005.