橡膠混凝土低溫抗折性能試驗(yàn)研究

薛 剛， 林大地

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

我國(guó)的橡膠消耗量已位居世界第一[1]，但作為橡膠主要原材料廢舊輪胎的回收能力不高[2].廢舊輪胎屬于工業(yè)有害廢物，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)廢舊輪胎的再利用[3].將廢舊輪胎破碎制成橡膠顆粒，摻入混凝土中，制成橡膠混凝土.橡膠顆粒的摻入可提高混凝土的韌性、變形性能，還具有抗凍、抗?jié)B、抗沖擊等諸多優(yōu)勢(shì)，使其變成土木工程領(lǐng)域的綠色資源[4].橡膠混凝土雖然提高了韌性以及耐久性能，但強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)明顯[5-6]，僅適用于對(duì)材料強(qiáng)度要求不是很高的工程領(lǐng)域，比如某些道路工程.目前，關(guān)于低溫環(huán)境下的力學(xué)性能研究較少[7-8].在低溫環(huán)境下橡膠混凝土力學(xué)性能的研究，無(wú)疑可拓展橡膠混凝土在工程中的應(yīng)用范圍，也能為其后廣泛的應(yīng)用提供一些技術(shù)參考和依據(jù).

在上世紀(jì)70年代，國(guó)外開始了對(duì)混凝土低溫環(huán)境下性能的研究[9-10]，而我國(guó)的研究集中在近十余年[11-13].在低溫環(huán)境下，橡膠混凝土材料因外界積蓄的應(yīng)變而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而冰雪融化的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)應(yīng)力消失，與常溫下的力學(xué)性能有很大不同.因此常溫下橡膠混凝土性能無(wú)法在寒冷地區(qū)的應(yīng)用.

抗折性能是反映材料韌性的重要指標(biāo)，良好韌性是橡膠混凝土有別于普通混凝土材料的主要特點(diǎn).本文主要對(duì)12組不同配合比的橡膠混凝土分別在低溫環(huán)境與常溫環(huán)境下進(jìn)行抗折試驗(yàn)，對(duì)比分析低溫下抗折強(qiáng)度分別在水灰比、橡膠摻量等因素變化情況下的性能變化規(guī)律，并根據(jù)抗壓強(qiáng)度與抗折的關(guān)系，探究低溫下橡膠混凝土的韌性特點(diǎn).

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥：為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能見表1.

表1 水泥物理性能

(2)砂：細(xì)度模數(shù)2.7，表觀密度2 620 kg/m3，堆積密度1 512 kg/m3,質(zhì)中砂.

(3)石子：表觀密度2 685 kg/m3的碎石，粒徑5～25 mm，壓碎指標(biāo)9.6%的碎石.

(4)橡膠：5～10目混合橡膠顆粒，堆積密度為610 kg/m3.

(5)水：普通飲用水.

(6)粉煤灰為Ⅱ級(jí)，礦渣粉為S95級(jí).

(7)減水劑：聚羧酸減水劑，減水率≥25%.

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

分別采用水灰比為0.35、0.40、0.45的普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土，砂率分別為38%、40%和42%，采用等體積替代法分別以0、10%、20%和30%的摻量代替砂摻入混凝土中.以50 kg/m3和60 kg/m3兩種摻量摻入粉煤灰和礦渣粉.橡膠混凝土的配合比設(shè)計(jì)均符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)相關(guān)規(guī)定.各組材料配合比見表2.

表2 橡膠混凝土配合比

2 試驗(yàn)方法

按照標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行常溫抗折試驗(yàn)，目前有兩種混凝土低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)方法：一種是將試件放置于低溫箱內(nèi)充分降溫，然后將其取出進(jìn)行試驗(yàn)；另一種則是直接在低溫環(huán)境內(nèi)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn).研究表明[14]：低溫下試驗(yàn)，當(dāng)溫度在0 ℃和-40 ℃時(shí)，兩類方法之間的差別并不明顯.試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，本文按照第一類方法將試件放入低溫箱后取出，采用三分點(diǎn)彎曲法進(jìn)行抗折試驗(yàn).抗折試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 抗折試驗(yàn)裝置Fig.1 Flexural test

橡膠混凝土試件的抗折強(qiáng)度按式(1)計(jì)算.

(1)

式中：fRF為橡膠混凝土抗折強(qiáng)度(MPa)；Fmax為最大荷載(N)；l為支座間距(mm)；b為截面寬度(mm)；h為截面高度(mm).

定義橡膠混凝土試件的抗折強(qiáng)度損失k如式(2)，該指標(biāo)可直觀反映橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度變化情況.

(2)

式中，fCF為基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度(MPa).

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞形態(tài)

水灰比為0.4的普通混凝土及橡膠混凝土抗折試件的破壞形態(tài)如圖2所示.可以看出，抗折試件在中部區(qū)域斷裂，隨著橡膠摻量增大，破壞時(shí)試件未完全折斷，顯示出具有一定保持整體形態(tài)的能力.未摻橡膠的基準(zhǔn)混凝土為明顯的脆性斷裂，破壞時(shí)發(fā)出清脆的斷裂聲，而橡膠混凝土斷裂時(shí)有明顯的形變，并伴有碎裂聲.這是因?yàn)椋鹉z顆粒本身具有抗拉特性，即多個(gè)微小的彈性體分布在混凝土內(nèi)部，試驗(yàn)進(jìn)行中，橡膠顆粒對(duì)其周圍的水泥基體產(chǎn)生的應(yīng)力集中起到了一定的阻礙作用，提高了試件的變形能力.

圖2 試件抗折破壞狀態(tài)Fig.2 Broken state of the specimens

3.2 抗折強(qiáng)度

常溫20 ℃及低溫-30 ℃的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表中抗折損失按照本文(2)式計(jì)算，抗折強(qiáng)度提高系數(shù)為同一配比的低溫抗折強(qiáng)度與常溫抗折強(qiáng)度的比值.

表3 常溫下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度與抗折損失

續(xù)表3

試件編號(hào)20 ℃抗折強(qiáng)度/MPa-30 ℃抗折強(qiáng)度/MPa20 ℃抗折損失/%-30 ℃抗折損失/%抗折強(qiáng)度提高系數(shù)CC-0.459.0413.86001.53RC-0.45-108.6912.523.879.771.44RC-0.45-208.0812.6810.628.511.57RC-0.45-307.1710.9620.6920.921.53

由表3可知，橡膠摻量相同時(shí)，水灰比越大，橡膠混凝土無(wú)論在常溫還是低溫下抗折強(qiáng)度均減小，當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，3種水灰比的橡膠混凝土在常溫下抗折強(qiáng)度依次為9.92 MPa、9.26 MPa、8.69 MPa.在低溫-30 ℃時(shí)，隨著橡膠摻量增加，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度的降幅比常溫情況小，當(dāng)橡膠摻量超過(guò)20%以后，抗折強(qiáng)度下降幅度加快.比如：水灰比為0.35、橡膠摻量為30%時(shí)，橡膠混凝土常溫抗折強(qiáng)度的降幅為24.85%，而低溫抗折強(qiáng)度的降幅為18.95%.

圖3表示在常溫20 ℃及低溫-30 ℃下，各組試件的抗折強(qiáng)度在不同橡膠摻量及水灰比影響下的規(guī)律.根據(jù)表3和圖3(a)可以看出，隨著橡膠摻量由10%增至30%時(shí)，水灰比為0.35的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由2.55%增至24.85%；水灰比為0.40的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由4.04%增至23.21%.水灰比為0.45的橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由3.87%增至20.69%.由此看出，隨著橡膠摻量的增加，水灰比較大的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度損失相對(duì)較小，即橡膠摻量較高情況下，水灰比對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度的影響效低.

圖3(b)顯示，-30 ℃時(shí)，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度隨橡膠含量的變化規(guī)律與常溫情況略有區(qū)別，橡膠摻量為10%、20%時(shí)，橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度變化不大.

圖3 常溫20 ℃和低溫-30 ℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度Fig.3 Rubber concrete flexural strength at room temperatures 20 °C and-30 °C

圖4 -30 ℃橡膠混凝土抗折強(qiáng)度提高系數(shù)Fig.4 Rubber concrete flexural strength improvement coefficient at-30 ℃

低溫下，不同橡膠摻量的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較常溫下提高原因在于，一是混凝土中的游離水凝結(jié)成冰，在整個(gè)混凝土試件中形成冰晶體網(wǎng)，冰晶體網(wǎng)猶如纖維作用，并且水結(jié)冰體積增大致使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，空隙率降低，減少了試件內(nèi)薄弱環(huán)，抗彎拉應(yīng)力的能力會(huì)明顯提高.二是隨溫度降低，橡膠顆粒硬度極大增加，增加了固體承載材料的數(shù)量，減少了橡膠顆粒邊界處的應(yīng)力集中，混凝土承受彎拉荷載的能力會(huì)提高.

3.3 折壓比

折壓比即混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值，可作為評(píng)價(jià)混凝土材料韌性的一個(gè)指標(biāo).混凝土折壓比越大，韌性越好.在常溫及低溫下，測(cè)試相同配比的橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而得到橡膠混凝土折壓比，圖5所示.

由圖5(a)可以看出，常溫下，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的折壓比增大，混凝土的延性得到改善.橡膠摻量到達(dá)20%時(shí)，橡膠混凝土的折壓比受水灰比的變化影響效小.當(dāng)橡膠摻量為30%時(shí)，水灰比為0.40和0.45的橡膠混凝土折壓比，明顯高于水灰比為0.35的情況，說(shuō)明高摻量橡膠的混凝土，水灰比越大，韌性和變形的提高程度越明顯.

圖5 常溫20 ℃和低溫-30 ℃下橡膠混凝土折壓比Fig.5 Rubber concrete folding ratio at normal temperatures 20 ℃ and-30 ℃

由圖5(b)可以看出，低溫-30 ℃下，隨著橡膠摻量的增加，各組橡膠混凝土折壓比均增大，說(shuō)明混凝土的脆性有所提高.橡膠摻量相同時(shí)，水灰比越小，折壓比越大，表明脆性越強(qiáng)，延性越差.

分析圖5內(nèi)容結(jié)果可知，隨橡膠摻量的增加低溫情況橡膠混凝土的折壓比的變化趨勢(shì)和常溫情況類似，在低溫-30 ℃時(shí)橡膠混凝土的折壓比與常溫相比有所提高，水灰比越大，提高幅度越明顯，表明橡膠混凝土在低溫下仍然保持良好的韌性.

4 結(jié)論

(1)低溫下橡膠混凝土破壞形態(tài)和常溫情況基本一致，隨著橡膠摻量增大，破壞時(shí)試件呈現(xiàn)出保持完整形態(tài)的能力，即橡膠混凝土的延性越來(lái)越好.

(2)隨著橡膠摻量的增加，低溫及常溫的抗折強(qiáng)度逐漸下降，且下降趨勢(shì)加快；橡膠摻量相同時(shí)，隨著水灰比的減小，橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度增大.在低溫下，橡膠摻量越大，抗折強(qiáng)度提高系數(shù)先下降后上升；橡膠摻量相同時(shí)，隨著水灰比越大，橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度越大，抗折強(qiáng)度提高幅度越大.

(3)低溫情況橡膠混凝土折壓比隨著橡膠摻量的變化趨勢(shì)和常溫情況類似，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的折壓比逐漸增大，說(shuō)明橡膠的延性有所改善.低溫環(huán)境下，相同摻量的橡膠混凝土折壓比受水灰比的影響程度降低，具體表現(xiàn)為，配比相同的橡膠混凝土，低溫時(shí)折壓比的改變量低于常溫情況.