橡膠集料改性混凝土高溫后單軸受壓試驗研究

馬四軍，白亞強，韓軼飛

(1.中牟縣建設工程質量監(jiān)督站，河南 中牟 451450；2.鄭州大學 綜合設計研究院有限公司，河南 鄭州 450002；3.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，河南 鄭州 450044)

混凝土結構是我國土木工程領域中主要的結構形式，由于其取材容易、耐久耐火性能良好、整體性好以及保養(yǎng)費用低等特點，已經成為建筑、道路橋梁等各類工程中使用最為廣泛的材料。新型混凝土的研發(fā)一直是我國專家學者所探究的重要領域，如橡膠集料混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯混凝土以及碳纖維混凝土等[1]。以摻加廢棄橡膠制備的顆粒為細骨料的橡膠集料混凝土，一方面可以重復利用廢棄橡膠，對生態(tài)環(huán)境起到保護作用；另一方面摻入橡膠可使混凝土具有降噪隔音、輕質、耐久性好和彈性減震等特點。為了使新型橡膠集料混凝土在工程實踐中得到更好的應用與發(fā)展，國內外專家學者做了大量研究。

劉松岸等[2]研究了不同改性方法處理橡膠顆粒后對橡膠混凝土力學性能及耐久性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，合成樹脂對橡膠混凝土力學性能和耐久性提升較為明顯。Ganjian等[3]研究了不同橡膠摻量混凝土的性能，通過力學性能試驗及耐久性試驗發(fā)現(xiàn)摻入5%的橡膠集料對混凝土性能沒有太大的改變，隨著橡膠摻入量的增多混凝土混合物的性能改變逐漸增大。Atahan 等[4]指出橡膠集料用量的上升會使混凝土抗壓強度及彈性模量降低，同時顯著增加了耗能能力，橡膠顆粒代替率20%～40%的混凝土，可用于有一定強度、對抗斷裂性和能量耗散需求的位置。陳卓明等[5]進行了橡膠混凝土膠凝材料改進試驗研究，確定了丁苯膠乳的摻量為5%時橡膠混凝土的綜合性能最優(yōu)。夏孝維等[6]用三種廢棄輪胎橡膠粉按不同的比例摻入碾壓混凝土中，進行了軸心抗壓強度試驗研究，得出橡膠粉摻量相同時80目橡膠顆粒配置的混凝土強度最高。白亞強等[7]進行了改性橡膠集料摻入機制砂和天然砂混凝土中的試驗研究，通過對比發(fā)現(xiàn)機制砂混凝土摻入橡膠集料要比天然砂對混凝土強度影響更大。陳愛玖等[8]對改性橡膠混凝土進行了力學性能試驗研究，通過改變摻入橡膠的粒徑，和不同濃度的NaOH改性溶液進行試驗，結果表明，相同橡膠摻入粒徑大的混凝土力學性能比粒徑小的有所降低，5%濃度的NaOH改性溶液對提高混凝土的力學性能效果最好。王婷雅等[9]通過對不同粒徑的橡膠混凝土低溫抗壓強度試驗，得出溫度為-20 ℃時，粒徑為3～6 mm 的橡膠混凝土具有最佳的力學性能。綜上所述，目前對橡膠混凝土的研究多以改變橡膠摻入量和橡膠粒徑居多，而對橡膠混凝土高溫力學性能的研究較為少見。橡膠混凝土由于摻加了橡膠粉末(顆粒)，其在高溫作用下內部結構的變化比一般混凝土更為復雜，破壞機理相較普通混凝土結構有所不同。因此，進行橡膠混凝土高溫損傷的研究具有重要意義。

綜合前期對橡膠混凝土常溫下力學性能試驗結果[7]，本文選用粒徑為3～5 mm的橡膠顆粒制作橡膠集料改性混凝土試件，對其高溫作用后的軸心抗壓強度和應變幅值進行試驗研究，分析了改變受熱溫度及橡膠摻入量對橡膠混凝土的單軸應力-應變關系的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為河南太陽石集團生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料產自河南滎陽賈峪，石灰石質碎石，粒徑5～20 mm連續(xù)級配，細骨料產自河南魯山，細度模數(shù)為2.9，粉煤灰產自河南孟津中聯(lián)，Ⅱ級粉煤灰。減水劑為河南輝縣慶喜建材有限公司生產的QX-GX高效減水劑。橡膠集料產自河南焦作某橡膠廠，粒徑為35 mm連續(xù)級配，表觀密度為1 080 kg/m3，試驗前，采用3%的NaOH溶液對橡膠顆粒浸泡12 h進行改性處理。

1.2 試件設計

試件尺寸為(100×100×300) mm，摻入的橡膠集料與細骨料等體積替代，摻量分別為0%、10%和20%，試件編號分別為RC(Reference Concrete)、CRC(Crumb Rubber Concrete)-10和CRC-20。本試驗一共澆筑了36塊試件，每個摻量等級設4組試件每組3塊。試件澆筑完成后，用不透水的薄膜將其覆蓋并放入實驗室靜置24 h，拆模后標準養(yǎng)護28 d再靜置10 d后進行高溫試驗。橡膠集料混凝土的配合比見表1。

表1 橡膠集料混凝土配合比

1.3 高溫加熱和單軸壓縮試驗

圖1為試驗裝置圖。試件先在高溫試驗爐中加熱，加熱等級分別為20 ℃、300 ℃、500 ℃和700 ℃，為使試件表面及內部溫度統(tǒng)一，本試驗裝置加熱到目標溫度后保持恒溫加熱90 min，然后取出試件自然冷卻到室溫再進行單軸壓縮加載試驗。單軸壓縮試驗采用加載速度控制方式，加載速度為0.3 MPa/s，直到試件被破壞喪失承載力時停止加載。

圖1 試驗裝置

2 試件破壞現(xiàn)象與形態(tài)

圖2為未經過高溫加熱不同摻量的橡膠集料混凝土單軸壓縮試驗破壞形態(tài)圖。從圖2可以看出，橡膠摻量的增加明顯改變了混凝土的塑性，未摻加橡膠的混凝土在加荷條件相同時產生的破壞程度要遠超摻入橡膠的混凝土。試驗初期試件(RC)表面出現(xiàn)了比較細微的縱向裂紋，隨著荷載增加接近極限時，縱向裂紋迅速擴展為一條縱向主裂縫并伴隨多處細長的微裂縫，這時試件承載力喪失，然而橡膠集料混凝土(CRC)并未出現(xiàn)這種貫穿式的主裂縫，在其承載力喪失后整體形態(tài)保持的比較完整，同時橡膠摻量為20%的混凝土比10%的更完整，表明橡膠摻量的增加在降低混凝土軸心抗壓強度的同時也改善了其延性。

圖2 常溫下軸心抗壓試驗中不同橡膠摻量試件的破壞形態(tài)

橡膠混凝土在經過高溫加熱后，摻入混凝土的橡膠顆粒會發(fā)生質變致使混凝土結構變得疏松，同時混凝土中的水和水泥石經歷高溫作用后會減少和產生化學反應，使得混凝土的致密性嚴重下降，因此試件的彈性模量也會有不同程度的下降。圖3為經受不同高溫后橡膠混凝土試件的軸心受壓破壞形態(tài)(以橡膠摻量10%的混凝土試件為例)。

圖3 橡膠集料混凝土經受不同高溫后單軸受壓破壞形態(tài)(橡膠摻量10%)

從圖3可以看出，橡膠摻量相同時高溫加熱過后的混凝土試件和常溫下對比都會存在不同程度的輕微裂縫，在單軸受壓加載條件下，試件裂縫會沿著這些既有裂縫不斷擴展同時仍以縱向裂縫為主，橡膠混凝土的軸心抗壓強度隨受熱溫度的升高而減小，當其承載力完全喪失后其完整性也越差。

3 試驗結果與分析

橡膠集料混凝土在經過不同高溫加熱后，自身內部結構發(fā)生了很大的變化，摻在混凝土中的橡膠集料隨著溫度的升高達到自身熔點后會液化，更有甚者可能汽化消失，那么混凝土本身就會從內到外產生許多不均勻的孔狀結構，同時高溫后產生的微裂縫會連通這些孔洞，使得原本密實的混凝土結構變得疏松易碎，當受到外荷載作用時極易發(fā)生破壞，這對混凝土的力學性能造成了嚴重的影響。試驗結果表明，高溫后橡膠混凝土的應力-應變曲線更趨于平緩，但軸心抗壓強度損失比普通混凝土要嚴重。

3.1 軸心抗壓強度

試件經歷高溫加熱后，隨著受熱溫度的增加，軸心抗壓強度明顯下降，且橡膠集料混凝土強度折減與橡膠摻量呈正相關關系，橡膠混凝土軸心抗壓強度損失比普通混凝土更為嚴重。普通混凝土在經歷300 ℃ 高溫后軸心抗壓強度的損失在5%以內，而橡膠混凝土損失了24.67%和37.82%，試驗結果如表2所示。

表2 橡膠集料改性混凝土高溫后軸心抗壓強度及折減率 MPa

3.2 不同橡膠摻量混凝土高溫前后的單軸應力-應變關系

不同橡膠摻量混凝土在經過高溫加熱后其應力-應變關系如圖4所示。

圖4 不同橡膠摻量試件隨溫度變化的應力-應變曲線

由圖4可以看出：試件在經過高溫加熱后，應力-應變曲線發(fā)生了較大的變化，橡膠摻量相同時，峰值應力隨著受熱溫度的升高而降低，對應峰值應變不斷增大；摻入的橡膠顆粒增多時，峰值應力隨橡膠的摻入量呈負相關關系。仔細觀察應力-應變曲線，可以看出，高溫作用后應力-應變先近似呈直線增長，隨溫度不斷增高后斜率卻大幅下降，造成這樣的原因是，試件隨溫度的升高其表面裂縫進一步延伸，應變增大的同時應力與低溫時對比明顯減小，裂縫停止延伸時應變達到了極限值，對應的應力不再增加，同時試件表面裂縫隨橡膠摻量增多而增加，但均未出現(xiàn)脆性破壞。

3.3 不同橡膠摻量混凝土高溫后單軸應力-應變關系擬合

不同橡膠摻量和不同溫度作用下應力-應變數(shù)據(jù)進行擬合得出的橡膠摻量和單軸應力-應變關系的擬合曲面如圖5所示。

圖5 不同橡膠摻量混凝土高溫后單軸應力-應變關系擬合

由圖5可以看出：500 ℃高溫后試件的峰值應變約為常溫條件下的2倍，700 ℃高溫后試件的峰值應變約為常溫條件下的4倍，受熱溫度相同時，未經過高溫加熱的試件橡膠摻量對其應力基本無影響，高溫作用后橡膠摻量越多峰值應力越低。

4 結論

通過改變橡膠摻量及受熱溫度等條件對橡膠混凝土試件進行了高溫后軸心受壓測試，觀察其破壞形態(tài)，得出橡膠摻量與受熱溫度對應力-應變關系的影響，分析得出以下結論：

(1)橡膠混凝土在單軸軸心受壓狀態(tài)下的峰值應變受橡膠摻入量的影響，摻入橡膠的混凝土比普通混凝土在喪失承載力后更能保持相對完整的形態(tài)，裂而不碎，且橡膠摻量越大，試件破壞后的形態(tài)相對更完整。

(2)與普通混凝土相比，隨受熱溫度的增加，橡膠混凝土的應力-應變曲線更趨于平緩，極限應力減小，極限應變在500 ℃高溫后約為常溫條件下的2倍，700 ℃高溫后的峰值應變約為常溫條件下的4倍；隨橡膠摻量的增加，試件的應力-應變曲線亦趨于平緩，極限應力降低。

(3)高溫后橡膠混凝土的軸心抗壓強度應力峰值損失較大，在受熱溫度300 ℃后就折減約25%～38%，比普通混凝土損失更加嚴重，因此要高度重視橡膠混凝土高溫力學性能的劣化問題。