橡膠微膨脹混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究

徐 輝，張 成，劉佳鈺，周揚(yáng)鋒，榮 彬

（1.華北中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市300000；2.天津大學(xué)，天津市300072）

0 引 言

橡膠集料混凝土是近幾年來(lái)研究比較多的新型混凝土。橡膠集料混凝土是將橡膠顆粒作為混凝土的粗骨料或者細(xì)骨料，按照一定比例配制而成的混凝土，用以改善傳統(tǒng)混凝土的性能。但由于混凝土中的粗骨料和細(xì)骨料與橡膠顆粒的粘結(jié)程度不夠牢固，導(dǎo)致橡膠集料混凝土的抗壓和抗折性能有不同程度的降低。

針對(duì)新拌橡膠集料混凝土的物理性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，得到了具有實(shí)際意義的結(jié)論。Khatib 和Bayomy[1]則對(duì)新拌橡膠集料混凝土的坍落度進(jìn)行了研究;通過(guò)在混凝土中加入粒徑不同的橡膠顆粒代替粗骨料或者細(xì)骨料，研究橡膠顆粒作為混凝土不同組分時(shí)對(duì)于坍落度的影響。通過(guò)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)橡膠顆粒作為粗骨料加入混凝土?xí)r，得到的新拌混凝土的坍落度與普通混凝土相比基本沒有降低或者降低很少;而將橡膠顆粒作為細(xì)骨料加入到混凝土當(dāng)中時(shí)，新拌混凝土的坍落度則下降得較多，如果橡膠顆粒作為細(xì)骨料的比例達(dá)到40%的時(shí)候，制作的混凝土己經(jīng)失去了工作性。

將混凝土顆粒作為混凝土骨料代替一定的傳統(tǒng)砂石骨料可以有效改善混凝土構(gòu)件的延性，提高其抗裂性能；但是其抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定的降低，為了補(bǔ)償這種效應(yīng)，可以加入適量的混凝土膨脹劑來(lái)提高混凝土強(qiáng)度。本文研究了膨脹劑種類以及膨脹劑摻量，橡膠顆粒摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，并篩選出最適合的膨脹劑摻量，橡膠摻量混凝土配合比。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

此次試驗(yàn)采用的水泥為P.042.5 型號(hào)普通硅酸鹽水泥；使用的粗骨料為石灰質(zhì)巖的碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2.6 g/cm3；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.45，表觀密度為3.5 g/cm3；橡膠顆粒集料密度為1.09 g/cm3，平均粒徑為1.2 mm。

1.2 配合比

試驗(yàn)配合比見表1、表2。其中CHA4CR0 代表4%摻量硫鋁酸鈣類膨脹劑，0%摻量橡膠顆粒，其他以此類推。本試驗(yàn)試件混凝土混合不同比例橡膠顆粒及不同比例不同種類的膨脹劑。本試驗(yàn)試件混凝土采用C35 混凝土配合比。水灰比0. 44，膨脹劑摻入法采用外摻法，膨脹劑比例為水泥摻量的百分比。本次試驗(yàn)采用4%、8%、12%、15%摻量膨脹劑，以便盡可能大范圍考慮膨脹劑摻量對(duì)混凝土試件強(qiáng)度的影響，采用0%、2%、4%、6%、8%摻量橡膠顆粒，根據(jù)已有研究[9]中橡膠摻量8%以上對(duì)于混凝土試件的強(qiáng)度影響較大，因而未選取大于8%摻量橡膠顆粒，其中膨脹劑摻量為0%時(shí)為對(duì)比組。

2 試驗(yàn)方法

2.1 膨脹劑種類摻量改變情況下的混凝土抗壓強(qiáng)度

此次試驗(yàn)中共有54 組試件，分別對(duì)應(yīng)不摻入膨脹劑6 組，摻入CHA 膨脹劑24 組，摻入CSA 膨脹劑24 組，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)試件強(qiáng)度要乘以尺寸折減系數(shù)0.95。

表1 膨脹劑摻量不同的配合比表 單位：kg/m3

表2 膨脹劑橡膠顆粒摻量不同的配合比表 單位：kg/m3

2.2 膨脹劑種類摻量和橡膠顆粒摻量同時(shí)改變情況下的混凝土抗壓抗折強(qiáng)度

（1）此次試驗(yàn)中有30 組試驗(yàn)，膨脹劑摻量為8%、10%、12%，膨脹劑種類為CSA 和CHA，橡膠摻量為0%、2%、4%、8%。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行，每組有三個(gè)試件，所有試件均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)成型，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)試件強(qiáng)度要乘以尺寸折減系數(shù)0.95。

（2）抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)方法進(jìn)行，膨脹劑摻量，種類，橡膠摻量與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均相同。試件為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體混凝土試件，試驗(yàn)試件強(qiáng)度應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85。

（3）混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算按式（1）計(jì)算：

式中：Ff為混凝土抗折強(qiáng)度，MPa；F 為試件被破壞荷載，N；L 為支座間跨度，mm；H 為試件截面高度，mm；B 為試件截面寬度，mm。

混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算精確至0.1 MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膨脹劑種類摻量改變情況下的混凝土抗壓強(qiáng)度

對(duì)54 組試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件破壞見圖1。未添加膨脹劑的試塊在試驗(yàn)過(guò)程中外表剝落較為明顯，添加膨脹劑的試塊多為只出現(xiàn)裂縫，而外表混凝土仍然較為完好，但膨脹劑添加量達(dá)到15%的試塊試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)在發(fā)出“嘭”的清脆響聲同時(shí)，試塊開裂。

不同種類，不同摻量的膨脹劑的混凝土抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖1 強(qiáng)度試驗(yàn)試件

圖2 膨脹劑及其摻量變化時(shí)的抗壓強(qiáng)度變化曲線

由圖2 可知可以看出各試件組的抗壓強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)波浪形，相對(duì)于普通混凝土的構(gòu)件組，摻入膨脹劑的構(gòu)件組抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。摻入量越高強(qiáng)度提高的越多，且CSA 與CHA 膨脹劑摻量相同情況下對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高差別不大，膨脹劑添加4%硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的相對(duì)抗壓強(qiáng)度提高最少，添加8%、12%、15%的膨脹劑強(qiáng)度提高較明顯，但對(duì)于添加量為15%的構(gòu)件強(qiáng)度提高與添加量8%和12%相比提高不夠明顯，后期雙摻試驗(yàn)考慮添加量8%～12%范圍進(jìn)行后期試驗(yàn)。

3.2 膨脹劑種類摻量和橡膠顆粒摻量同時(shí)改變情況下的混凝土抗壓強(qiáng)度

對(duì)90 組試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件破壞見圖3。同時(shí)添加膨脹劑和橡膠顆粒的試塊多為只出現(xiàn)裂縫，而外表混凝土仍然較為完好，但橡膠顆粒添加量達(dá)到8%的試塊試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輕微剝落。

膨脹劑種類摻量和橡膠顆粒摻量同時(shí)改變情況下的混凝土抗壓強(qiáng)度見圖4、圖5。

由圖4 可知各試件組的抗壓強(qiáng)度曲線隨橡膠顆粒添加量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相對(duì)于只添加膨脹劑的混凝土構(gòu)件組，摻入橡膠顆粒的構(gòu)件組抗壓強(qiáng)度都有不同程度的降低；相對(duì)于兩者都不摻的素混凝土試塊，添加8%、10%硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的混凝土試塊在添加橡膠顆粒量達(dá)到4%之前，抗壓強(qiáng)度均大于素混凝土試塊抗壓強(qiáng)度，橡膠顆粒摻量增加，CHA8 混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度降低較為明顯。對(duì)于混凝土試件，橡膠顆粒摻入量越高強(qiáng)度越低，添加12%硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的混凝土試塊與添加10%硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變化不大，在添加橡膠顆粒量達(dá)到6%時(shí)抗壓強(qiáng)度與素混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度基本一致，而抗裂性能得到較大提高。橡膠顆粒添加量達(dá)到8%時(shí)，強(qiáng)度降低明顯。

圖3 強(qiáng)度試驗(yàn)試件

圖4 CHA 中橡膠摻量變化的抗壓強(qiáng)度

圖5 CS A 中橡膠摻量變化的抗壓強(qiáng)度

由圖5 可知，添加12%氧化鈣類（CSA）膨脹劑的混凝土試塊與添加8%、10%氧化鈣類（CSA）膨脹劑的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變化不大，橡膠顆粒含量增加混凝土試件強(qiáng)度明顯降低，混凝土試塊在添加橡膠顆粒量達(dá)到6%之前，雙摻的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度是大于素混凝土試件的抗壓強(qiáng)度的?；炷猎噳K在添加橡膠顆粒量達(dá)到8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降達(dá)30%以上。

綜合圖4、圖5 可知，添加氧化鈣類（CSA）膨脹劑的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度比添加同等摻量是硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度大。相對(duì)于普通混凝土的構(gòu)件組，摻入膨脹劑的構(gòu)件組抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。摻入量越高強(qiáng)度提高的越多，添加4%硫鋁酸鈣類（CHA）膨脹劑的相對(duì)抗壓強(qiáng)度提高最少，添加8%、12%、15%的膨脹劑強(qiáng)度提高較明顯，但對(duì)于添加量為15%的構(gòu)件強(qiáng)度提高與添加量8%和12%相比提高不夠明顯，后期雙摻試驗(yàn)考慮添加量8%～12%范圍進(jìn)行后期試驗(yàn)。

3.3 膨脹劑種類摻量和橡膠顆粒摻量同時(shí)改變情況下的混凝土抗折強(qiáng)度

對(duì)90 組試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。試件破壞見圖6。試驗(yàn)中構(gòu)件僅出現(xiàn)一條裂縫未有其他變化。

圖6 抗折試驗(yàn)試件

由圖7、圖8 可知各試件組的抗折強(qiáng)度曲線隨橡膠顆粒添加量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖7 CHA 中橡膠摻量變化時(shí)的抗折強(qiáng)度

圖8 CS A 中橡膠摻量變化時(shí)的抗折強(qiáng)度

由圖7 可知，CHA 膨脹劑摻量越多，混凝土試件抗折強(qiáng)度提高越明顯。橡膠摻量越多，混凝土試件抗折強(qiáng)度下降的越明顯，其中橡膠摻量起到主要控制作用。當(dāng)橡膠摻量達(dá)到6%之后，混凝土試件抗折強(qiáng)度下降的十分明顯，當(dāng)橡膠摻量到8%時(shí)，CHA5混凝土試件抗折強(qiáng)度下降達(dá)20%以上?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，CHA10 混凝土試件的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)較好。

由圖8 可知，總體上，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度是逐步降低的，CSA 的摻量在8%～12%變化時(shí)對(duì)于混凝土試件抗折強(qiáng)度的提升區(qū)別不大，橡膠顆粒對(duì)試件的抗折強(qiáng)度起到控制作用。在橡膠摻量達(dá)到6%之前，CSA10 試件與CSA12試件隨著橡膠顆粒摻量抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)相差不大?？紤]到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，CSA10 為最優(yōu)的選擇。

綜合圖6、圖7 來(lái)看，兩種膨脹劑對(duì)于試件的抗折強(qiáng)度的影響差別不大。

4 結(jié) 論

（1）在混凝土中摻入膨脹劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度的較為明顯的提高，4%～12%膨脹劑摻量時(shí)，混凝土試件的強(qiáng)度提高的較為明顯，12%～15%膨脹劑摻量時(shí)，混凝土試件的強(qiáng)度提高的不多。

（2）橡膠的摻入有利于混凝土試件的延性破壞，相應(yīng)的橡膠摻量的增加使得混凝土試件的強(qiáng)度降低，8%橡膠摻量時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降達(dá)30%以上。

（3）加入膨脹劑可以使混凝土更加密實(shí)，膨脹劑的摻入一定程度上補(bǔ)償了橡膠混凝土強(qiáng)度的損失。在抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度中橡膠摻量起主要因素，膨脹劑摻量起次要因素，且在6%橡膠摻量與10%膨脹劑摻量的配合比下的混凝土試件力學(xué)性能優(yōu)于其他復(fù)摻的試件。