靜動態(tài)荷載下改性橡膠對混凝土韌性影響研究

湯華明，倪修全，胡 時

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，廢舊輪胎的數(shù)量也在逐年增加[1]。將廢舊橡膠替代混凝土中天然骨料用于土木建設(shè)中，可有效回收利用廢舊橡膠，有利于實現(xiàn)環(huán)境友好和資源節(jié)約。已有大量研究表明，橡膠的摻入會降低混凝土的強度[2]，但同時可以提升混凝土的韌性[3]、凍融性[4]、耐磨性[5]、抗沖擊性[6]、降噪性能[7]、阻尼性能[8]等。影響橡膠混凝土力學(xué)性能的因素主要有橡膠的粒徑、摻量、橡膠骨料與水泥基體的粘結(jié)面強度等。文獻[9]使用NaOH溶液對橡膠進行表面處理，橡膠等體積替換20%砂時，混凝土的抗壓強度提升5.5%；使用硅烷偶聯(lián)劑改性橡膠混凝土的阻尼比得到顯著提升。文獻[10]發(fā)現(xiàn)橡膠的粒徑越小對混凝土強度的降低越明顯，但文獻[11]得出相反結(jié)論，文獻[12]則認為橡膠粒徑對混凝土強度無明顯影響，總之各學(xué)者就橡膠粒徑對混凝土強度的影響觀點并不一致，因此仍有必要繼續(xù)研究。

目前，對混凝土抗沖擊性能的研究主要有落錘試驗法和分離式霍普金森桿(SHPB)實驗法。文獻[13-14]通過落錘沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)橡膠摻量在15%～20%時,混凝土韌性的提升最明顯；使用橡膠纖維等體積替換混凝土中25%細骨料時，所有試件出現(xiàn)初始裂紋和最終破壞所消耗的能量都增加了約5倍，抗沖擊性能明顯提高。

目前，我國的橋梁隧道，高速公路，機場跑道等容易受到動態(tài)荷載的工程結(jié)構(gòu)中仍大量使用混凝土材料，但由于混凝土的脆性特點，使之在動荷載作用下自身結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，為改善混凝土的脆性弱點，本文進行了靜態(tài)壓力試驗和落錘沖擊試驗，測試了混凝土的抗壓強度、抗折強度和抗沖擊性能，以折壓比和抗沖擊韌性比作為韌性評價指標(biāo)，對橡膠的粒徑、摻量及摻合方式對混凝土韌性的影響進行研究。為在不同工程背景下橡膠混凝土的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原料

水泥：海螺牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：5～20mm連續(xù)級配的碎石，表觀密度2 609kg/m3，堆積密1 526kg/m3；砂：表觀密度2 510kg/m3，堆積密度1 570kg/m3，細度模數(shù)2.67；水：實驗室自來水；橡膠顆粒：2種粒徑橡膠(R1:40～80目、R2：2～4mm)的表觀密度分別為1 050kg/m3、1 170kg/m3；氫氧化鈉：固體顆粒，分析純，NaOH含量為96%。

1.2 橡膠處理

綜合考慮經(jīng)濟和效果等因素，本文使用NaOH溶液對橡膠顆粒進行表面處理。首先將NaOH顆粒與水混合配成濃度為1mol/L的氫氧化鈉水溶液，把橡膠顆粒倒入溶液中靜置24h后使用清水反復(fù)沖洗，用PH試紙測量沖洗液直至PH=7，晾干后密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 配合比設(shè)計

試驗采用固配合比，水泥、石子、砂、水的質(zhì)量比為1∶3.13∶1.54∶0.487，分別用R1、R2兩種粒徑橡膠以單摻和混摻的方式等體積替換混凝土中0%、7.5%、15%、30%砂制成橡膠混凝土，共制9組試件。為方便編寫，下文中對各組份進行定義，如：NC∶素混凝土；R1C7.5∶R1的摻量為7.5%；R1+2C30∶ 等體積的R1與R2混合替換30%砂。

1.4 試驗方法

抗壓試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體試件；抗折試驗采用100mm×100mm×400mm試件；落錘試驗采用φ150mm×65mm的圓柱體試件，為保證落錘試驗結(jié)果穩(wěn)定性，根據(jù)文獻[15]所述方法，使用自制落錘機進行試驗如圖1所示，試驗中記錄試件表面出現(xiàn)第一條裂紋時的沖擊次數(shù)N1為初裂沖擊次數(shù)，主裂縫貫穿試件上下面時的沖擊次數(shù)N2為破壞沖擊次數(shù)。為使橡膠在混凝土中分布均勻，首先將橡膠顆粒與砂倒入攪拌機中攪拌3min，然后依次加入石子、水泥，攪拌30s使干料混合均勻，最后加水?dāng)嚢?min，出料，將混凝土裝入模具中震搗成型后立即使用薄膜覆蓋，室溫中靜置1d，然后進行標(biāo)準養(yǎng)護至28d。

圖1 落錘試驗實物圖

1.5 韌性評價指標(biāo)

靜態(tài)：文獻[16]使用折壓比即抗折強度與抗壓強度的比值，對混凝土的韌性進行評價，方法簡單，且能有效表現(xiàn)混凝土的韌性，計算公式如下

k=ff/fc

(1)

其中：k為折壓比；ff為抗折強度；fc為抗壓強度；

動態(tài)：文獻[17]將材料在沖擊荷載下破壞所吸收能量的能力表示為材料的韌性，采用抗沖擊韌性比對混凝土的韌性進行評價，計算公式如下

W=Nmgh

(2)

式中：W為沖擊功；N為沖擊次數(shù)；m為落錘質(zhì)量，4.5kg；g為重力加速度，9.81m/s2；h為落錘高度，457mm。

C=Wi/W0

(3)

式中：C為抗沖擊韌性比；Wi為橡膠混凝土破壞時的沖擊功；W0為素混凝土破壞時的沖擊功。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)荷載下混凝土力學(xué)性能分析

靜態(tài)荷載下，橡膠粒徑、摻量及摻合方式對混凝土的抗壓強度、抗折強度、折壓比影響規(guī)律如圖2所示。

(a)橡膠摻量-抗壓強度折線圖

圖2(a)顯示隨橡膠摻量的增加混凝土的抗壓強度呈下降趨勢。橡膠摻量相同時，R2C的抗壓強度更高，當(dāng)摻量為30%時，R2C的抗壓強度為27.8MPa,是R1C的130%，R1+2的114%，但較素混凝土降低了40%，文獻[18]也得到相似結(jié)論，而文獻[19]則認為不同粒徑橡膠混摻時混凝土的抗壓強度更高。圖2(b)顯示混凝土的抗折強度隨橡膠摻量的增加不斷降低，當(dāng)橡膠摻量為30%時，R2C的抗折強度最低為4.4MPa，是R1C的122%，R1+2C的113%，但較素混凝土降低了20%。圖2(c)顯示混凝土的折壓比隨橡膠摻量增加而不斷提升。當(dāng) R2摻量為30%，混凝土的韌性最高，為素混凝土的142%。

(a)靜態(tài)荷載下NC的破壞形態(tài)

圖3顯示NC的整體破碎嚴重，破壞前表面裂紋較少，隨荷載增大，出現(xiàn)貫穿整個試件的主裂紋后，試件迅速破壞，內(nèi)部大量碎塊散落，破壞時發(fā)出清脆的響聲，卸載后完全碎裂。R1C30整體破壞較輕，無碎塊剝落，破壞時基本沒有聲音，試件表面分布大量未貫穿試件的微裂紋，卸載后仍能保持較好的完整性，呈現(xiàn)出“裂而不碎”的特征。這是由于彈性模量差異，在壓縮荷載作用下，橡膠與水泥基體粘結(jié)處容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，當(dāng)集中應(yīng)力超過粘結(jié)處強度時，產(chǎn)生微裂紋，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布；隨荷載增大，微裂紋延伸并增寬，同時出現(xiàn)更多粘結(jié)處達到極限應(yīng)力，產(chǎn)生更多微裂紋，多條微裂紋連接貫通致使試件最終破壞。

2.2 動態(tài)荷載下混凝土抗沖擊性能分析

依次對9組試件進行落錘沖擊試驗得到各組混凝土的抗沖擊性能參數(shù)見表1。

表1 混凝土抗沖擊性能參數(shù)表

表1顯示隨橡膠的摻入，各組橡膠混凝土的初裂沖擊次數(shù)N1、破壞沖擊次數(shù)N2和對應(yīng)的沖擊功均得到不同程度的提升。R2C的韌性隨橡膠摻量的增加不斷提高，R2C30的抗沖擊韌性比最高達到3.172，較素混凝土提升約2倍。R1C的韌性則隨橡膠摻量的增加呈先提高后降低的趨勢，當(dāng)橡膠摻量超過15%時，R1C的韌性隨橡膠摻量的增加開始降低。

A:貫通試件上下面的主裂縫；B：未貫穿試件的微裂紋圖4 各組試件最終破壞形態(tài)

落錘沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)NC脆性較強，碎裂時基本沒有前期征兆，試件出現(xiàn)第一條裂縫后迅速破壞，所有裂縫均是貫穿試件上下面的主裂縫；而RC則是先出現(xiàn)微裂紋，隨沖擊次數(shù)增多，微裂紋延伸并增寬直至貫穿整個試件成為破壞試件的主裂縫；試件最終破壞形態(tài)如圖4所示，發(fā)現(xiàn)隨橡膠摻量的增加，試件破壞時的主裂縫數(shù)逐漸減少，未貫穿試件的微裂紋數(shù)呈上升趨勢，試件的最終破壞程度逐漸減弱。在沖擊荷載下，橡膠骨料通過自身變形，吸收部分沖擊能量，減輕了混凝土的沖擊損傷，增強了混凝土的抗沖擊性能。但由于橡膠顆粒與水泥基體的粘結(jié)面(ITZ)處強度較弱，受到?jīng)_擊荷載時，ITZ處結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，因此，當(dāng)ITZ面積過大時，橡膠混凝土的韌性會有所降低。

3 結(jié)論

(1)隨橡膠摻量的增加，混凝土的抗壓強度和抗折強度呈下降趨勢，折壓比和抗沖擊韌性比均提高。

(2) 所受力的形態(tài)不同時，橡膠的粒徑和摻量對混凝土韌性的影響規(guī)律不同。靜壓荷載下，R1對混凝土韌性的提升更顯著，而沖擊荷載下，R2C具有更優(yōu)的韌性性能。

(3)試驗結(jié)果表明，R1、R2等量混摻對混凝土強度和韌性的影響并不能起到正面協(xié)同作用，且在靜壓荷載下，混凝土的韌性更接近于性能較差的R2C，因此不建議將不同粒徑的橡膠混摻使用于實際工程中。