常、低溫下橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究

朱 涵， 李 威， 朱學超

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.天津大學 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室,天津 300072)

常、低溫下橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究

朱 涵1，2， 李 威1， 朱學超1

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.天津大學 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室,天津 300072)

為了減小強度因素對混凝土材料抗沖擊性能的影響，配制了強度等級相同(等強)的素混凝土和橡膠集料混凝土，橡膠的體積摻量分別為5%、10%和15%；同時考慮溫度因素的影響，利用本課題組自行設(shè)計的U形試件和自主研發(fā)的落錘沖擊試驗裝置，分別測試了在常溫(25 ℃)和低溫(-20 ℃)下不同齡期的抗沖擊性能。試驗結(jié)果表明：橡膠集料混凝土的抗沖擊次數(shù)符合雙參數(shù)威布爾分布，并且在室溫和低溫下，橡膠集料混凝土的抗沖擊性能均隨著橡膠摻量的增加而提高。

橡膠集料混凝土； 抗沖擊； 等強； 常、低溫

0 引言

橡膠集料混凝土(Crumb Rubber Concrete，簡稱CRC)是將橡膠顆粒加入普通混凝土之后形成的一種新型混凝土，這種混凝土在常溫下的力學性能與普通混凝土有著顯著的不同[1]。隨著CRC的應(yīng)用前景越來越廣泛，對它的研究也變得越來越深入。已有的研究表明，CRC具有彈性模量低、脆性低、極限拉應(yīng)變大和阻尼系數(shù)高等特點[2]。朱涵教授還報道了在美國亞利桑那州多個CRC項目實驗段的施工情況[3]。Khatib.Z.K.的研究得出了橡膠摻量的不同對CRC強度影響的關(guān)系，并且建立了橡膠集料摻量—混凝土強度之間的量化數(shù)學模型[4]。此外，對于CRC在低溫下的性能研究也已經(jīng)卓有成效。陳波比較了普通混凝土和CRC的抗凍性，結(jié)果表明：為了提高混凝土的抗凍性，摻加0.14 mm的橡膠粉時的效果比摻加引氣劑時的效果明顯，摻加3～4 mm橡膠顆粒時的效果與摻加引氣劑的效果相同[5]。課題組的楊林虎和張永明對CRC在低溫下的基本力學性能以及脆性進行了比較系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明：CRC的脆性隨著橡膠摻量的提高而降低，延性顯著提高[6-7]。然而，由于混凝土材料抗沖擊性能本身的復雜性和離散性，目前對CRC抗沖擊性能的研究較少，為此采用課題組提出的U型試件落錘沖擊試驗裝置(專利號：ZL201110415423.6)，分別對強度等級相同，不同橡膠摻量的CRC進行了常溫和低溫沖擊試驗研究，其中對于低溫下的沖擊試驗采用的方法是：在低溫下進行試件的養(yǎng)護，到達齡期后在室溫下進行沖擊試驗。

1 試驗

1.1 試驗材料和配合比設(shè)計

試驗所用水泥為“駱駝”牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成分以及相應(yīng)的物理力學性能指標件見表1和表2；砂采用天然河砂，細度模數(shù)為2.65；粗骨料采用的石子為天津市北辰區(qū)生產(chǎn)的主要成分為石灰?guī)r質(zhì)的碎石，級配良好，試驗前用篩子篩出5～20 mm的粗集料，表觀密度2 680 kg/m3；橡膠粒由廢舊輪胎回收碾壓所成，粒徑在1～2 mm，表觀密度為1 050 kg/m3；本試驗用水為自來水。所采用的減水劑為天津市建筑科學研究院研制的UNF5萘系列減水劑，外觀為褐色粉末，減水率≥15%，比重為2 100 kg/m3。試驗配合比設(shè)計參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[8](JGJ55—2011)規(guī)定，要求所有立方體試件的抗壓強度均在30 MPa左右。試驗配合比如表3所示，A、B、C、D 4組配合比的橡膠摻量(按體積外摻)分別為0%、5%、10%、15%。

表1 水泥的化學組成 %

表2 水泥的物理力學性能

表3 試驗組的配合比設(shè)計 kg/m3

1.2 試驗方法

(1)抗壓強度試驗。CRC抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法》[9](GB/T 50081—2002)，在NYL—2000D型壓力試驗機上進行。其中，立方體抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

(2)抗沖擊試驗。由于目前國內(nèi)外對于混凝土材料的沖擊試驗還沒有具體統(tǒng)一的試驗方法，試驗采用課題組自行設(shè)計的U型試件測試混凝土的抗沖擊性能。U型試件如圖1所示，厚度為65 mm。落錘試驗裝置如圖2所示。落錘質(zhì)量水平為0.8 kg，沖擊高度為400 mm，落錘的形狀尺寸分為兩部分，上部為50 mm×50 mm×50 mm的立方體，下部為半徑為30 mm的半球體。沖擊試驗的具體過程為：將U型試件放置在事先準備好的鋼制底座上，以實現(xiàn)固定試件的作用，并將試件的中心對準落錘的中心，讓落錘在固定高度上自由落下，使沖擊頭撞擊試件直到完全靜止，自此一個循環(huán)完成。當試件中部下表面第一次出現(xiàn)裂縫時，記錄為初裂次數(shù)N1，繼續(xù)試驗，直至裂縫貫穿試件整個截面，記錄為破壞沖擊次數(shù)N2。為了定義試件的延性指標，將破壞沖擊次數(shù)N2與初裂次數(shù)N1的差值作為延性指標的代表值，記為Δ，即Δ=N2-N1。

圖1 U型試件示意圖

圖2 落錘試驗裝置

1.3 試件數(shù)量以及養(yǎng)護條件

試驗養(yǎng)護條件分為兩種：常溫和低溫。常溫下的養(yǎng)護方法為分別將試件放在常溫環(huán)境中10 d和31 d，常溫為25 ℃，標號分別為A1-10、A1-31、B1-10、B1-31、C1-10、C1-31、D1-10、D1-31。低溫下的養(yǎng)護方法分別為先放在室溫環(huán)境中7 d、28 d之后再放入冰箱中冷凍3 d，冰箱內(nèi)溫度設(shè)為-20 ℃，標號分別為A2-10、A2-31、B2-10、B2-31、C2-10、C2-31、D2-10、D2-31。

本試驗每組標號需要3個立方體試件用于抗壓強度試驗，需要12個U型試件用于抗沖擊實驗。一共有16組試驗組，因此共需要48個立方體試件和192個U型試件。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 抗壓強度試驗結(jié)果

抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示，表中數(shù)據(jù)為所得試驗數(shù)據(jù)的平均值。從表中數(shù)據(jù)可以看到養(yǎng)護10 d之后試件強度就可以達到最終強度的80%左右，符合實際情況。在常溫下，養(yǎng)護31 d之后，試件均達到了C30混凝土的要求，基本滿足了本試驗所強調(diào)的“等強”條件。從數(shù)據(jù)還可以看出經(jīng)過冷凍3 d的試件在抗壓強度上都有一些提高，這可能的原因是混凝土所含的水分在低溫條件下凝固結(jié)晶成冰，從而使混凝土的抗壓強度有所提高；除此以外，還有一種原因是因為水分凍結(jié)成冰后，體積有所增大膨脹，填充了混凝土內(nèi)部的空隙，使混凝土變得更加飽滿充實，從而提高了抗壓強度。

表4 抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

2.2 抗沖擊試驗結(jié)果

表5列出了每個試驗組抗沖擊試驗結(jié)果的平均值。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，常溫下，橡膠摻量5%、10%、15%的CRC在養(yǎng)護10 d的情況下相比普通混凝土終裂次數(shù)分別提高了71%、117%和260%。在養(yǎng)護31 d的情況下，終裂次數(shù)分別提高了56%、220%、289%。低溫下，養(yǎng)護10 d(包括3 d的低溫養(yǎng)護)的CRC終裂次數(shù)相比普通混凝土分別提高了42%、132%、305%，在養(yǎng)護31 d(包括3 d的低溫養(yǎng)護)的情況下。終裂次數(shù)分別提高了36%、151%和279%。因此可以分析得到：無論是在常溫和低溫下，隨著橡膠摻量的提高，混凝土的抗沖擊性能在不斷提高。這一結(jié)論通過圖3所示的折線圖可以更加直觀的表現(xiàn)出來。除了橡膠摻量，其它因素也會影響混凝土的抗沖擊性能，如養(yǎng)護條件、養(yǎng)護齡期等，這些研究在后續(xù)研究中會做更加具體的敘述。

圖3 沖擊結(jié)果折線圖

除了終裂次數(shù)，還可以發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的初裂次數(shù)也有相應(yīng)提高，延性指標也優(yōu)于普通混凝土，可能的原因是混凝土在承受動力荷載的時候，最開始的裂縫出現(xiàn)在混凝土的內(nèi)部，后來慢慢發(fā)展到試件的表面，橡膠粒具有彈性模量大的特點，這種性能使得橡膠粒抑制了混凝土的內(nèi)部裂縫的發(fā)展，從而提高了混凝土的抗沖擊性能。從裂縫寬度上也可以發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，如圖4所示，圖4(a)為未摻加橡膠試件的終裂狀態(tài)，圖4(b)為摻加橡膠試件的終裂狀態(tài)，兩個試件的試驗養(yǎng)護條件一致，均為常溫養(yǎng)護31 d。

表5 抗沖擊試驗結(jié)果 次

圖4 U型試件承受沖擊荷載破壞

2.3 抗沖擊次數(shù)與威布爾分布

深入了解沖擊破壞的機理可以發(fā)現(xiàn)：疲勞破壞與沖擊破壞的機理具有相似性，文獻[10]中提到，疲勞破壞的試驗數(shù)據(jù)符合威布爾分布，由此可以推斷此次沖擊試驗的數(shù)據(jù)分布也符合威布爾分布，接下來就來驗證這一規(guī)律。

假設(shè)沖擊次數(shù)N服從威布爾分布，威布爾分布的概率密度函數(shù)f(N)、失效分布函數(shù)F(N)、可靠度函數(shù)R(N)分別為

(1)

(2)

(3)

式中，N0、Na、b分別代表最小沖擊壽命參數(shù)、尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

為了安全考慮，取N0=0，就可以得到雙參數(shù)的威布爾分布，以上3個函數(shù)表達式就可改成

(4)

(5)

(6)

對公式(6)的兩端取對數(shù)，可以得到ln{ln[1/R(N)]}=bln(N)-bln(Na)。令Y=ln{ln[1/R(N)]}，X=ln(N)，C=-bln(Na)。則以上的函數(shù)表達式變?yōu)椋篩=bX+C。在這里可以發(fā)現(xiàn)，如果可以證明X和Y之間線性關(guān)系成立，也就是說相關(guān)系數(shù)R2比較大就可以證明橡膠集料混凝土U型試件沖擊次數(shù)服從雙參數(shù)的威布爾分布，驗證過程如下：

第一步先將每種橡膠摻量的12個試件的沖擊次數(shù)(N1,N2)從小到大排列，記下秩序數(shù)i。第二步利用函數(shù)F(N)和R(N)的期望來估計F(N)和R(N)的值。估計表達式如下[11-13]：F(N)=i/(n+1)，R(N)=1-i/(n+1)，n為每組試驗的樣本數(shù)，本試驗為12。第三步將每一組的試驗結(jié)果(N1,N2)按照以上辦法，以Y=ln{ln[1R(N)]}為縱坐標，X=ln(N)為橫坐標，利用最小二乘法進行線性回歸分析，從而得到回歸直線圖以及相應(yīng)的b、bln(Na)、R2，其中b就是所擬合直線的斜率，每組的回歸直線圖如圖5與圖6所示。

圖5 齡期10 d的CRC沖擊次數(shù)N1、N2回歸直線

圖6 齡期31 d的CRC沖擊次數(shù)N1、N2回歸直線

圖5與圖6只列出了具有代表性的幾組數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)如下：C1-10中N1的回歸方程為Y=2.187X-9.262，相關(guān)系數(shù)R2=0.976，N2的回歸方程為Y=2.623X-11.71，相關(guān)系數(shù)R2=0.906；C2-10中N1的回歸方程為Y=3.833X-17.91，相關(guān)系數(shù)R2=0.973，N2的回歸方程為Y=5.546X-28.97，相關(guān)系數(shù)R2=0.946；D1-10中N1的回歸方程為Y=3.027X-13.87，相關(guān)系數(shù)R2=0.960，N2的回歸方程為Y=2.922X-14.48，相關(guān)系數(shù)R2=0.946；D2-10中N1的回歸方程為Y=3.140X-17.52，相關(guān)系數(shù)R2=0.913，N2的回歸方程為Y=3.848X-22.32，相關(guān)系數(shù)R2=0.911；C1-31中N1的回歸方程為Y=4.448X-21.82，相關(guān)系數(shù)R2=0.928，N2的回歸方程為Y=5.807X-29.3，相關(guān)系數(shù)R2=0.876；C2-31中N1的回歸方程為Y=2.660X-14.09，相關(guān)系數(shù)R2=0.912，N2的回歸方程為Y=3.423X-18.57，相關(guān)系數(shù)R2=0.923；D1-31中N1的回歸方程為Y=3.623X-18.02，相關(guān)系數(shù)R2=0.947，N2的回歸方程為Y=5.320X-27.9，相關(guān)系數(shù)R2=0.963；D2-31中N1的回歸方程為Y=5.280X-29.69，相關(guān)系數(shù)R2=0.949，N2的回歸方程為Y=5.980X-34.84，相關(guān)系數(shù)R2=0.891。從上述數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)：10 d的沖擊次數(shù)回歸數(shù)據(jù)中，相關(guān)系數(shù)R2的最小值與最大值分別為0.876與0.973，平均值為0.937；31d的沖擊次數(shù)回歸數(shù)據(jù)中，相關(guān)系數(shù)R2的最小值與最大值分別為0.876與0.981，平均值為0.942，總體相關(guān)系數(shù)平均值為0.940。從這里就可以認為Y=ln{ln[1/R(N)]}和X=ln(N)是線性相關(guān)的。從而就證明了橡膠集料混凝土U型試件沖擊次數(shù)非常好的符合雙參數(shù)威布爾分布。

3 結(jié)論

(1)通過配合比設(shè)計，可以實現(xiàn)對于等強的混凝土，通過摻加橡膠來提高混凝土在常低溫下的抗沖擊性能；在橡膠摻量0%～15%的情況下，這種性能隨著橡膠摻量的增加而提高。

(2)雙參數(shù)威布爾分布可以用來描述橡膠集料混凝土U型試件的沖擊次數(shù)。說明抗沖擊試驗數(shù)據(jù)的離散性雖然很大，但還是存在統(tǒng)計規(guī)律。

CRC對比普通混凝土，雖然具有多方面優(yōu)越的性能，但是橡膠的摻入會影響混凝土的強度，并且在低溫下橡膠集料混凝土的性能也存在很多盲點。研究目的就是在實現(xiàn)等強的前提下，以橡膠摻量、養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間為變量，研究橡膠集料混凝土的抗沖擊性能。這對于在高寒高原地區(qū)橡膠集料混凝土的應(yīng)用具有很重要的工程意義。研究表明：在橡膠摻量0%～15%的情況下，等強的橡膠集料混凝土的抗沖擊性能隨著橡膠摻量的增加而提高。

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Research on Performance of Crumb Rubber Concrete UnderRoom and Low Temperature Impact

Zhu Han1,2， Li Wei1， Zhu Xuechao1

(1.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure & New Materials, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to reduce the influence of the strength on the impact resistance of concrete materials, this research prepared ordinary concrete and crumb rubber concrete of the same strength grade, with the volume of the rubber content of 5%, 10% and 15% respectively. At the same time, considering the influence of the temperature, using u-shape specimen designed by this research team and a newly designed drop weight impact machine, tests were conducted at room temperature (25 ℃) and low temperature (-20 ℃) under different age of impact resistance. The results show that, the number of the impact resistance of the crumb rubber concrete complies with the theory of double parameters Weibull distribution and linear regression theory, and at both room temperature and low temperature, the resistance of crumb rubber concrete increases with the increase of rubber content.

crumb rubber concrete;impact resistance;same strength grade;room and low temperature

國家自然科學基金( 51078261)

朱涵(1956-)，男，教授，博士，主要從事建筑材料耐久性研究。 E-mail:405224363@qq.com

TU528

A

2095-0373(2017)02-0024-07

2016-06-25 責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.05

朱涵，李威，朱學超.常、低溫下橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(2):24-30.