橡膠改性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究

許精文

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100012）

0 引言

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，隨之產(chǎn)生的廢舊輪胎數(shù)量已經(jīng)嚴(yán)重超出了自然環(huán)境的承受范圍［1］。橡膠作為廢舊輪胎的主要固體廢物，近年來被廣泛應(yīng)用于制備混凝土中，橡膠混凝土作為一種新型混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上，以橡膠顆?；蛘呦鹉z粉取代部分的混凝土骨料而制成的，能有效改善混凝土的脆性，同時我國公路橋梁網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯，碰撞事故時有發(fā)生，將橡膠混凝土應(yīng)用于公路、橋梁能夠?yàn)橘Y源再生利用以及減少車橋碰撞事故提供了一條可行方案［2-5］。對于橡膠混凝土國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，并取得了豐碩的成果。駱春雨［6］等提出建立了混凝土抗壓強(qiáng)度降低率與橡膠集料體積分?jǐn)?shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。郭帆［7］等研究發(fā)現(xiàn)橡膠粉的摻入會使混凝土強(qiáng)度大幅降低。陳嘉偉［8］研究發(fā)現(xiàn)，橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度變化圖像峰值應(yīng)變變化趨勢隨橡膠摻量增加呈拋物線變化，先增大后減小。劉譽(yù)貴［9］等對不同強(qiáng)度等級的普通混凝土尺寸效應(yīng)研究，結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度越高，抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯，而對彈性模量影響甚小。張軍［10］研究發(fā)現(xiàn)，混凝土受壓的體積越大，即隨著試塊尺寸增大，所測得的抗壓強(qiáng)度越低。但對于橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究未見報(bào)道，因此有必要對其抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。基于此，本文以橡膠混凝土立方體試件為對象，較為系統(tǒng)地分析了混凝土試件尺寸、橡膠粉摻量和強(qiáng)度等級對橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響，以期為橡膠改性混凝土的推廣和應(yīng)用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原材料主要包括：水泥為祁連山高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥42.5；橡膠粉為慶陽隴鑫實(shí)業(yè)公司出產(chǎn)的60目橡膠粉；減水劑為蘭州浩翔環(huán)保建材有限公司出產(chǎn)的QX-GX高效減水劑；粉煤灰為國電蘭州熱電廠Ⅱ級粉煤灰；細(xì)骨料為2.6細(xì)度模數(shù)的中砂，其表觀密度為2 973.3 kg／m3；粗骨料為石灰石質(zhì)碎石，粒徑5～20 mm連續(xù)級配。原料化學(xué)成分如表1所示。

表1 原料化學(xué)成分（w）Table 1 Chemical constituents of raw materials（w）%

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)加載方式及試驗(yàn)結(jié)果處理均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］（GB／T50081-2002）。將全部混凝土試塊放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，測試其抗壓強(qiáng)度?？箟涸囼?yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行，通過對邊長為70、100、150、200 mm，強(qiáng)度等級為C30、C40的普通混凝土立方體試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同強(qiáng)度等級不同橡膠摻量 （0，5%，10%，15%）下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。所有試件均以0.5 MPa／s進(jìn)行加載，以避免加載速率對試件抗壓強(qiáng)度造成影響。配合比C30、C40混凝土試件配合比等體積取代細(xì)骨料，分別如表2和表3所示。

表2 配合比C30、C40混凝土試塊配合比Table 2 Mix ratio C30，C40 concrete block mix ratio kg／m3

表3 橡膠粉等體積取代細(xì)骨料Table 3 Rubber powder substituting fine aggregate in equivalent volume

2 結(jié)果與討論

根據(jù) 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算求得有效抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

圖1 不同強(qiáng)度等級混凝土在不同R摻量下各尺寸抗壓強(qiáng)度Figure 1 Compressive strength of concrete with different strength grades and different R content

從圖1（a）和圖1（b）可以看出，C30和C40，4條折線A、B、C、D抗壓強(qiáng)度由大到小依次為D、A、B、C，抗壓強(qiáng)度隨橡膠摻量的增大而降低，使混凝土試塊內(nèi)部應(yīng)力變化較大，橡膠周圍混凝土首先出現(xiàn)應(yīng)力集中，橡膠周圍混凝土受到應(yīng)力較大，橡膠顆粒受到的應(yīng)力較小，造成橡膠混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布不均，且橡膠摻量越多，橡膠顆粒的間距越小，內(nèi)部空隙、孔隙逐漸貫通，從而導(dǎo)致橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

綜合觀察圖1（a）和圖1（b）4條折線，抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大先增大后減小，且變化幅度由大到小依次為：C、B、A、D。一方面，在振搗混凝土?xí)r，粗骨料易居于試塊中心，細(xì)骨料居于試塊邊緣，這就形成了一定厚度的邊界層。當(dāng)試塊尺寸較大時，邊界層占試塊總尺寸的比例越小，當(dāng)試塊尺寸較小時，邊界層占試塊總尺寸的比例越大，由于橡膠粉不吸水，加入混凝土中橡膠粉表面容易產(chǎn)生大量氣泡，隨橡膠粉的摻量的增加，邊界層效應(yīng)越明顯，各尺寸抗壓強(qiáng)度變化幅度就越大。另一方面，在養(yǎng)護(hù)期間，試塊內(nèi)部不均勻擴(kuò)散產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致試塊發(fā)生非彈性應(yīng)變和開裂。對于大尺寸試塊，表面積較大，干燥速率快，內(nèi)部裂縫較多，對于小尺寸試塊，表面積較小，干燥速率慢，從而使抗壓強(qiáng)度隨試塊尺寸增大而減小。將橡膠粉摻入混凝土后，試塊干燥速率變快，且橡膠摻量越多，干燥速率越快，裂縫越多，即抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯。

圖1（b）可發(fā)現(xiàn)，A與D的抗壓強(qiáng)度最大，且兩折線接近吻合，這也說明在C40橡膠混凝土中摻入5%橡膠粉對混凝土試件的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，增大或減小橡膠粉摻量，抗壓強(qiáng)度均降低很快。橡膠摻量越大 （取代量在15%內(nèi)），抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯。

圖2 R摻量為0%和10%時不同強(qiáng)度混凝土的各尺寸抗壓強(qiáng)度Figure 2 Compressive strength of concrete with different strength at 0%and 10%R

由圖2（a）和圖1（b）可以看出，在各尺寸的抗壓強(qiáng)度C40橡膠混凝土試件均遠(yuǎn)大于C30橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，且隨尺寸增長C40橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度變化幅度較大。C30和C40混凝土在尺寸70～100 mm時，立方體抗壓強(qiáng)度迅速增長，在尺寸100 mm時抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。當(dāng)尺寸超過100 mm時，C40橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度先是大幅度下降，后下降速度變得緩慢，而C30橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度先是趨于穩(wěn)定，后緩慢下降。

對于尺寸為70 mm的橡膠混凝土立方體試塊，在制作過程中同樣選取的石子最大粒徑為16 mm，這使得橡膠混凝土試塊中粗骨料比例大大減小，細(xì)骨料比例相對配合比大大增加，使邊界層占了總尺寸的絕大一部分，試塊的立方體抗壓強(qiáng)度就等同于砂漿來提供，這大大降低了其抗壓強(qiáng)度。計(jì)算可知，邊長70 mm的C30橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度僅為100 mm立方體抗壓強(qiáng)度的75%，邊長70 mm的C40橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度僅為100 mm立方體抗壓強(qiáng)度的85%。同時，混凝土試塊越大，邊界層占試塊總尺寸的比例越小，再加之混凝土尺寸越大，內(nèi)部空隙、裂縫或局部缺陷機(jī)率越大，從而使混凝土立方體抗壓強(qiáng)度越小。由于C40橡膠混凝土配合比中水泥用量較C30橡膠混凝土大，使得橡膠混凝土試塊內(nèi)部粘結(jié)更密實(shí)，從而使C40橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度比C30橡膠混凝土大。C40橡膠混凝土水泥用量較多，試件內(nèi)部更密實(shí)，抗壓強(qiáng)度越高，抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯。

通過以上分析可知，各尺寸混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)隨著橡膠粉摻量的增加，呈增加或趨于平緩的趨勢。隨著橡膠粉摻量的增加（橡膠粉等體積取代細(xì)骨料的取代量在15%以下時），混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯。經(jīng)過對比C30和C40兩組強(qiáng)度下的立方體抗壓尺寸效應(yīng)可發(fā)現(xiàn)，C40強(qiáng)度下立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度要高于C30強(qiáng)度下的值，說明橡膠混凝土強(qiáng)度越高，尺寸效應(yīng)越明顯?；炷翉?qiáng)度越高，混凝土脆性越大，低強(qiáng)度混凝土多發(fā)生延性破壞，而高強(qiáng)混凝土多發(fā)生脆性破壞，使尺寸效應(yīng)更加明顯。

3 結(jié)論

以橡膠混凝土立方體試件為對象，較為系統(tǒng)地分析了混凝土試件尺寸、橡膠粉摻量和強(qiáng)度等級對橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響。其中C30和C40橡膠混凝土，抗壓強(qiáng)度隨橡膠摻量的增大而降低。橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與橡膠摻量密切相關(guān)，橡膠摻量越大 （取代量在15%內(nèi)），抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯；抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大先增大后減小，變化幅度隨橡膠粉 （取代量在15%內(nèi)）的摻量增大而增大；不同強(qiáng)度下橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)結(jié)論一致，強(qiáng)度越高，尺寸效應(yīng)越明顯。該研究能夠?yàn)橄鹉z改性混凝土的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)。