橡膠自密實(shí)混凝土多齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王德奎,何仕,莊金平,林晗緋

(1.閩臺合作土木工程技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；3.福建工程學(xué)院，福建 福州 350118；4.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福州，350118)

廢舊橡膠經(jīng)機(jī)械加工后摻入混凝土中能限制裂縫發(fā)展，是廢舊橡膠環(huán)保再利用重要渠道，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[1-4]對橡膠混凝土進(jìn)行了研究，橡膠混凝土強(qiáng)度隨著橡膠摻量的增加而降低，橡膠混凝土澆筑振搗過程中存在橡膠上浮等問題。而橡膠加入較高強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土中不僅可以提高橡膠摻量，因自密實(shí)混凝土免振搗還可解決橡膠因振搗上浮的問題。文獻(xiàn)[5-9]對橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但相關(guān)橡膠自密實(shí)混凝土的研究文獻(xiàn)還相對較少，且對力學(xué)性能的研究多集中在28 d齡期。因橡膠自密實(shí)混凝土摻粉煤灰較大，其強(qiáng)度在28 d后還會(huì)繼續(xù)增加，橡膠自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度如何發(fā)展、早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度關(guān)系，強(qiáng)度與所摻橡膠粒徑、橡膠摻量的關(guān)系等方面有待于繼續(xù)研究完善。本文以不同橡膠摻量、不同橡膠粒徑，對橡膠自密實(shí)混凝土進(jìn)行多齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11]等規(guī)程，按C50自密實(shí)混凝為基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土進(jìn)行配制。水泥：P.O 42.5，密度 3.10 g/cm3；II級粉煤灰，表觀密度2.35 g/cm3；砂子，河砂，表觀密度2.65 g/cm3；石子采用反擊破碎石，表觀密度2.75 g/cm3；減水劑采用省建科院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，摻量百分比按占膠料總質(zhì)量計(jì)算，為滿足橡膠自密實(shí)混凝土的坍落度擴(kuò)展度，通過試配改變并確定減水劑的摻量。橡膠粉，表觀密度1.159 g/cm3；1～2 mm橡膠顆粒，表觀密度1.193 g/cm3；2～4 mm表觀密度1.126 g/cm3。試驗(yàn)用“混凝土類型-橡膠摻量-橡膠粒徑”來編號，其中，RSCC為橡膠自密實(shí)混凝土，SCC為自密實(shí)混凝土； F代表橡膠粉，L1代表1～2 mm橡膠粒，L2代表2～4 mm橡膠粒，如RSCC-10-F代表摻入橡膠粉、摻量為10%的橡膠自密實(shí)混凝土。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)室試配，橡膠自密實(shí)混凝土各組材料用量如表1。

表1 橡膠自密實(shí)混凝土每立方材料用量Tab.1 Material consumption of RSCC per cubic meter

1.2 試驗(yàn)方案

橡膠粒徑大小、橡膠摻量是影響橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能重要因素，在配制基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土的基礎(chǔ)上，通過摻入等體積取代砂的橡膠，研究不同橡膠粒徑大小、摻量對橡膠自密實(shí)混凝土多齡期力學(xué)性能的影響?？箟簭?qiáng)度試件采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體，一個(gè)配合比為一批次試件，每批次試件試驗(yàn)齡期分別有7、28、60 d，摻入橡膠粒徑類型分別2～4 mm橡膠顆粒、1～2 mm橡膠顆粒、橡膠粉，橡膠摻量分別為10%、20%、30%、40%，共13批次41組試件，每組試件3個(gè)，為驗(yàn)證橡膠自密實(shí)混凝土60 d強(qiáng)度是否已經(jīng)趨于穩(wěn)定，特設(shè)置90 d試件兩組。本次試驗(yàn)壓力機(jī)采用500T液壓伺服壓力機(jī)，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12](GB/T50081-2002)規(guī)定加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土試塊在試驗(yàn)加載時(shí)，細(xì)微裂縫首先出現(xiàn)在試件的粗糙面，荷載繼續(xù)增加，部分混凝土塊從粗糙面上脫落。在相對粗糙面的試件表面上，豎向裂縫首先出現(xiàn)在靠近棱邊的上方位置并向下發(fā)展，接近極限荷載C60時(shí)，裂縫寬度增加并在其旁出現(xiàn)多條細(xì)裂縫，當(dāng)細(xì)微裂縫出現(xiàn)在試件中心后不久，試件突然爆裂并伴隨巨響，碎塊飛向四周?？拷炷猎嚰胁康幕炷撩撀渥疃啵休d面兩端逐漸減少，殘余試件呈兩個(gè)相對對稱的四角錐形，破壞形態(tài)呈明顯的脆性特征。

摻入2～4 mm橡膠顆粒系列的橡膠自密實(shí)混凝土試件破壞過程中，細(xì)微裂縫也先出現(xiàn)在試件的粗糙面，隨荷載繼續(xù)增加，部分混凝土塊從粗糙面上脫落。在相對粗糙面的試件表面上，側(cè)棱邊的附近首先有細(xì)微的裂縫出現(xiàn)，并斜向試塊中部，接近極限荷載時(shí)，有混凝土破壞時(shí)的撕裂聲，相比基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土聲音較小，無向四周飛濺混凝土塊，破壞裂縫較均勻地分布試件中。橡膠摻量越多，破壞時(shí)聲音越小，試件橫向變形越大，裂縫數(shù)量越多并發(fā)展越慢，試件完整性越好。

摻入1～2 mm橡膠顆粒的橡膠自密實(shí)混凝土試件破壞過程中，相比RSCC-L2系列的試件，破壞形態(tài)相似，但同橡膠摻量的試塊，破壞時(shí)分布于試件的裂紋數(shù)量相對要少。

摻入橡膠粉的橡膠自密實(shí)混凝土試件破壞過程中，在同橡膠摻量下，相比摻入橡膠顆粒的試件，試件破壞時(shí)裂縫數(shù)量相對較少，但摻入橡膠粉，也有利于改善自密混凝土脆性破壞形態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 橡膠自密實(shí)混凝土多齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測值Tab.2 Compressive strength test and predicted values of RSCC at different cuing ages

2.2.1 橡膠摻量對各齡期橡膠自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

不同橡膠摻量的橡膠自密實(shí)混凝土7 d強(qiáng)度如圖1(a)所示。摻入橡膠粉，橡膠摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降18.8%、36.0%、47.2%、56.8%。摻入1～2 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了15.2%、27.7%、37.8%、43.6%。摻入2～4 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了15.4%、27.3%、40.7%、49.2%。橡膠自密實(shí)混凝土7 d齡期強(qiáng)度，橡膠摻量越多強(qiáng)度越?。浑S摻量的增加，摻橡膠粉的強(qiáng)度值下降更快。

不同橡膠摻量的橡膠自密實(shí)混凝土28 d強(qiáng)度如圖1(b)所示。摻入橡膠粉，橡膠摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降22.4%、33.1%、43.9%、44.0%。摻入1～2 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了5.6%、17.8%、37.6%、42.0%。摻入2～4 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了18.0%、24.9%、29.7%、42.7%。橡膠自密實(shí)混凝土28 d齡期強(qiáng)度，橡膠摻量越多強(qiáng)度越小；橡膠摻量10%、20%，摻1～2 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度值下降相對要小些。

不同橡膠摻量的橡膠自密實(shí)混凝土60 d強(qiáng)度如圖1(c)所示。摻入橡膠粉，橡膠摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降24.5%、35.0%、47.8%、61.0%。摻入1～2 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了15.7%、24.5%、32.4%、45.5%。摻入2～4 mm橡膠顆粒，摻量10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相對橡膠零摻量自密實(shí)混凝土分別下降了22.3%、26.8%、35.4%、50.4%。橡膠自密實(shí)混凝土60 d齡期強(qiáng)度，橡膠摻量越多強(qiáng)度越小。

圖1 各齡期摻不同橡膠摻量強(qiáng)度曲線Fig.1 Compressive strength of RSCC with different rubber dosage at different curing ages

2.2.2 橡膠粒徑對各齡期橡膠自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

橡膠粒徑對橡膠自密實(shí)混凝土7 d強(qiáng)度的影響如圖2(a)所示。橡膠摻量為10%時(shí)，摻入不同橡膠粒徑的強(qiáng)度值較為接近，橡膠粒徑大小對強(qiáng)度影響不大。橡膠摻量為20%時(shí)，摻入橡膠顆粒的強(qiáng)度值較為接近，但摻橡膠粉的強(qiáng)度值下降較為明顯。橡膠摻量為30%時(shí)，摻橡膠顆粒1～2 mm的強(qiáng)度值略高于摻入橡膠顆粒2～4 mm，摻橡膠顆粒的強(qiáng)度高于摻橡膠粉。橡膠摻量達(dá)40%時(shí)，摻橡膠顆粒1～2 mm的強(qiáng)度高于摻橡膠顆粒2～4 mm。綜上，摻入兩種橡膠顆粒的橡膠自密實(shí)混凝土在同摻量下，強(qiáng)度值較為接近，摻橡膠粉的強(qiáng)度相對均較低。

橡膠粒徑對橡膠自密實(shí)混凝土28 d強(qiáng)度的影響如圖2(b)。橡膠摻量10%、20%，摻1～2 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度較明顯高于摻2～4 mm橡膠顆粒，摻橡膠粉的強(qiáng)度最小。橡膠摻量30%、40%，摻2～4 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度值較接近摻1～2 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度值，摻橡膠粉的強(qiáng)度值與摻橡膠顆粒的強(qiáng)度差值較大。同摻量下?lián)饺胂鹉z粉的強(qiáng)度均小于摻入橡膠顆粒的強(qiáng)度，摻入1～2 mm橡膠顆粒的抗壓強(qiáng)度值最大，特別在摻量10%、20%時(shí)要明顯高于其它兩種橡膠類型。

橡膠粒徑對橡膠自密實(shí)混凝土60 d強(qiáng)度的影響如圖2(c)。橡膠摻量10%，摻1～2 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度較明顯高于摻2～4 mm橡膠顆粒。橡膠摻量20%、30%、40%，摻2～4 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度值較接近摻1～2 mm橡膠顆粒的強(qiáng)度值。不同橡膠摻量，摻橡膠粉的強(qiáng)度值最小，與摻橡膠顆粒的強(qiáng)度差值較大。

圖2 各齡期摻不同橡膠粒徑強(qiáng)度曲線Fig.2 Compressive strength of RSCC with different particle size at different curing ages

3 預(yù)測橡膠自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式

3.1 以橡膠粒徑、摻量為變量的抗壓強(qiáng)度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式

通過試驗(yàn)獲得了不同橡膠粒徑、摻量的橡膠自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，回歸分析橡膠粒徑、橡膠摻量對橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的預(yù)測公式，所得公式(1)：

(1)

3.2 7 d齡期強(qiáng)度預(yù)測后期強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式

摻入橡膠為1～2 mm粒徑，摻量分別為10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土，28 d強(qiáng)度值相對7 d分別增長30.1%、32.8%、36.0%、20.2%，60 d強(qiáng)度值相對7 d強(qiáng)度分別增長了35.9%、42.7%、48.6%、32.1%。摻入橡膠粉，摻量分別為10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土，28 d齡期相比7 d齡期分別增長了11.6%、22.0%、24.2%、24.4%，60 d強(qiáng)度值相對7 d強(qiáng)度分別增長了27.0%、38.8%、35.2%、23.3%，摻量40%的試件28 d強(qiáng)度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。摻入橡膠為2～4 mm粒徑，摻量分別為10%、20%、30%、40%的橡膠自密實(shí)混凝土，28 d強(qiáng)度值相對7 d分別增長了13.2%、20.6%、38.5%、31.7%，60 d強(qiáng)度值相對7 d強(qiáng)度分別增長了25.7%、37.5%、49.1%、33.5%，摻量40%的試件28 d強(qiáng)度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)所得橡膠自密實(shí)混凝土7、28、60 d強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法，回歸分析橡膠自密混凝土后期28、60 d強(qiáng)度與早期7 d強(qiáng)度的預(yù)測公式，所得公式(2)：

(2)

5 結(jié)論

1)橡膠加入改變了自密實(shí)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在混凝土抗壓破壞中起到一定的緩沖、承載作用，改善了自密實(shí)混凝土脆性破壞，抗壓破壞形態(tài)中具有一定的塑性特性。

2)摻不同橡膠粒徑、摻量的橡膠自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度均隨橡膠摻量的增加而減小；摻兩種不同粒徑橡膠顆粒的7 d齡期強(qiáng)度差值很小，28、60 d齡期強(qiáng)度在摻量10%時(shí)，摻1～2 mm橡膠顆粒較明顯高于摻2～4 mm橡膠顆粒；同摻量條件下，摻橡膠粉的抗壓強(qiáng)度均低于摻橡膠顆粒的強(qiáng)度值。

3)橡膠自密實(shí)混凝土7 d齡期的抗壓強(qiáng)度發(fā)展可達(dá)60 d抗壓強(qiáng)度的65%～80%，7 d后強(qiáng)度增長趨勢有所減緩，摻橡膠顆粒、摻量40%的試件在28 d齡期抗壓強(qiáng)度值已經(jīng)趨于穩(wěn)定，兩組90 d齡期試件強(qiáng)度與60 d的試件強(qiáng)度對比增長很小，60 d抗壓強(qiáng)度值已經(jīng)趨于穩(wěn)定。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了橡膠粒徑、摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，擬合了早齡期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度的預(yù)測公式，通過驗(yàn)證擬合預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。