橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)性能與機(jī)理研究

劉春麗 劉信勇

（1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

利用橡膠高彈性的特點(diǎn)，將廢舊汽車(chē)輪胎粉碎成的橡膠顆粒摻入混凝土中配制成橡膠集料混凝土，不僅能有效提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，耐久性能也得到明顯改善［1-5］，且符合環(huán)保理念，具有較好的工程應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外大多將橡膠集料混凝土作為路面材料應(yīng)用于混凝土道路韌性罩面工程及橋梁伸縮縫和伸縮縫開(kāi)裂修復(fù)等工程。在水利工程中，橡膠集料混凝土也應(yīng)用于溢洪道、泄洪洞等表面承受高速水流沖磨的地方，效果明顯［6-8］。然而，關(guān)于橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)性能的研究較少，落后于工程應(yīng)用。事實(shí)上，在橡膠集料混凝土投入工程實(shí)踐時(shí)，橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)問(wèn)題不可避免。因此，有必要對(duì)橡膠集料混凝土和普通混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

楊令強(qiáng)等［9］通過(guò)橡膠集料混凝土和普通混凝土黏結(jié)試件的劈裂抗拉試驗(yàn)，研究了澆筑間隔時(shí)間、黏結(jié)面處理方法、橡膠顆粒摻量和粒徑對(duì)黏結(jié)抗拉性能的影響。結(jié)果表明，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度隨著澆筑間隔時(shí)間和橡膠顆粒摻量的增加而逐漸降低，但隨黏結(jié)面粗糙度的增加而增大。Dong［10］通過(guò)混凝土剪切試驗(yàn)研究了橡膠集料混凝土和普通混凝土界面黏結(jié)性能，結(jié)果表明，隨著水泥硬化時(shí)間的延長(zhǎng)、橡膠摻量的增加、橡膠粒徑的增大，黏結(jié)試件的剪切強(qiáng)度逐漸降低。

橡膠顆粒摻入普通混凝土后，會(huì)對(duì)新老混凝土黏結(jié)性能產(chǎn)生有利和不利兩方面的影響。一方面，橡膠顆?？梢詼p小普通混凝土的干縮，有利于降低黏結(jié)邊界附近的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。另一方面，橡膠顆粒降低了普通混凝土的整體強(qiáng)度，新老混凝土黏結(jié)界面上橡膠顆粒的存在會(huì)成為一種新的缺陷，降低界面過(guò)渡層的力學(xué)性能?？傊?，新老混凝土黏結(jié)界面由于橡膠顆粒的加入，改變了過(guò)渡層的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，增大了過(guò)渡層的不均勻性，致使橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)性能和機(jī)理不同于普通混凝土之間的黏結(jié)。

本研究在C30強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土配合比基礎(chǔ)上，選取平均2 mm和4 mm兩種粒徑的橡膠顆粒，采用等體積取代砂的方式制備橡膠集料混凝土，通過(guò)橡膠集料混凝土與普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體黏結(jié)試件的劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，研究橡膠顆粒粒徑、摻量以及改性方法對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用42.5普通硅酸鹽水泥，其性能如表1所示。粗集料為石灰石礫石；細(xì)集料為天然河砂和平均2 mm、4 mm的橡膠顆粒（見(jiàn)圖1）。粗集料和細(xì)集料的特性見(jiàn)表2，砂與橡膠顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。界面劑選用兩種：一種是水泥凈漿界面劑，水灰比為0.4；另一種是改性環(huán)氧型界面劑，主要成分為環(huán)氧。

圖1 橡膠顆粒

圖2 砂與橡膠的顆粒集配圖

表1 水泥性能

表2 集料性能

本試驗(yàn)所用橡膠顆粒是由廢舊汽車(chē)輪胎經(jīng)機(jī)械粉碎而成，表面的炭黑、氧化鋅和芳烴油不利于橡膠顆粒與水泥基體的黏結(jié)，因而利用改性劑方法對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行處理，以去除橡膠顆粒表面炭黑、硬脂酸鋅等物質(zhì)［11］。具體方法：橡膠顆粒先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液浸泡24 h后用大量清水沖洗至中性，接著再用橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570溶液，用一定量的無(wú)水乙醇稀釋后充分濕潤(rùn)橡膠。

1.2 配合比

本試驗(yàn)普通混凝土配合比如表3中C30-0行。在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，橡膠顆粒采用等體積取代砂的方式摻入普通混凝土，橡膠摻量為5%（C30-5）、10%（C30-10）、15%（C30-15）、20%（C30-20）和30%（C30-30）。

表3 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)試件

首先成型一批尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體普通混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為20℃±3℃，濕度為90%以上）養(yǎng)護(hù)28 d之后，在自然條件下養(yǎng)護(hù)60 d，形成老混凝土試件。如圖3所示，采用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)將一個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體老混凝土試件劈成兩個(gè)近似75 mm×150mm×150 mm的試件，作為老混凝土黏結(jié)試件。

圖3 老混凝土黏結(jié)試件

將老混凝土黏結(jié)試件放入清水中浸泡1 d，取出擦去黏結(jié)面表面明水。然后將界面劑均勻涂刷在黏結(jié)面上，如圖4（a）所示。界面劑的厚度不宜超過(guò)3 mm［12］，否則會(huì)使黏結(jié)性能降低，厚度以0.5~1.5 mm為宜［13］。之后，將老混凝土試件豎立放入150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試模的一側(cè)，在另一側(cè)澆注新拌橡膠集料混凝土，并振搗成型，在黏結(jié)試件硬化48 h后拆模，把黏結(jié)試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，如圖4（b）所示。

圖4 新老混凝土黏結(jié)試件制作

采用劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)橡膠集料混凝土—普通混凝土黏結(jié)試件的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，分別成型150 mm×150 mm×150 mm的普通混凝土、橡膠集料混凝土完整試件，以檢測(cè)普通混凝土和橡膠集料混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度（以下稱(chēng)為本體強(qiáng)度）。每組試驗(yàn)準(zhǔn)備3個(gè)試件，重復(fù)3次試驗(yàn)，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 新混凝土強(qiáng)度對(duì)新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響

2.1.1 橡膠摻量的影響。圖5為橡膠集料混凝土—普通混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度與橡膠顆粒的關(guān)系曲線。整體上看，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻量的增大而降低。這是由于橡膠集料混凝土的本體強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻量的增加而降低（見(jiàn)圖6）導(dǎo)致的。然而，橡膠顆粒摻量為10%時(shí)，橡膠集料混凝土—普通混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度較摻量5%時(shí)有所提高，并比摻量0%（普通混凝土—普通混凝土黏結(jié)）時(shí)提高了6.3%（平均粒徑2 mm橡膠顆粒）和12.5%（平均粒徑4 mm橡膠顆粒），這表明橡膠顆粒在10%摻量時(shí)，橡膠顆粒明顯減小了新混凝土的收縮，使黏結(jié)界面邊界附近的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力減小，也使新混凝土在黏結(jié)界面的收縮微裂縫減少，但同時(shí)水灰比不變使水泥基體強(qiáng)度不變，從而使新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度有所增大。

2.1.2 橡膠粒徑的影響。從圖5中可以看出，摻加平均4 mm粒徑橡膠顆粒的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度大于摻加平均粒徑2 mm橡膠顆粒的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度，這主要是由于摻加平均粒徑4 mm橡膠顆粒的橡膠集料混凝土的本體強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度）大于摻加平均粒徑2 mm橡膠顆粒的橡膠集料混凝土本體強(qiáng)度（見(jiàn)圖6）。

圖5 黏結(jié)抗拉強(qiáng)度與橡膠摻量關(guān)系曲線

圖6 橡膠集料混凝土整體試件

2.1.3 橡膠顆粒改性的影響。如圖7所示，橡膠顆粒經(jīng)過(guò)改性劑方法處理之后，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度有所提高，橡膠摻量5%時(shí)提高了30.1%（平均2 mm橡膠顆粒）和17.2%（平均4 mm橡膠顆粒），30%時(shí)提高了22.5%（平均2 mm橡膠顆粒）和31.3%（平均4 mm橡膠顆粒）。這主要是因?yàn)橄鹉z集料混凝土本體強(qiáng)度在改性后得到了提高（如圖8所示），劈拉強(qiáng)度提高了2.3%~33.8%。

圖7 改性橡膠集料混凝土—普通混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度與橡膠摻量關(guān)系曲線

圖8 改性橡膠集料混凝土整體試件

2.2 界面劑對(duì)新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響

從圖9中可以看出，在老混凝土黏結(jié)面上涂刷水泥漿、界面劑可以提高黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。涂刷水泥凈漿后，橡膠摻量為0%時(shí)，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度相差較大，而摻加摻量不為0%時(shí)，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度相差不大。涂刷水泥漿界面劑后，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度提高了7.1%~40.4%（平均粒徑2 mm橡膠顆粒）和5.7%~13.8%（平均粒徑4 mm橡膠顆粒）。涂刷改性環(huán)氧界面劑，與水泥漿相比，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度提高了7.2%~40.0%（平均粒徑2 mm橡膠顆粒）和3.0%~24.4%（平均粒徑4 mm橡膠顆粒）?？梢?jiàn)，在提高新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度方面，改性環(huán)氧界面劑要優(yōu)于水泥漿，摻加平均粒徑4 mm橡膠顆粒要優(yōu)于摻加平均粒徑2 mm橡膠顆粒。

圖9 不同界面劑下黏結(jié)抗拉強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系

2.3 新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度影響因素顯著性分析

本研究中，影響新老混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的因素有橡膠顆粒改性、摻量、粒徑和界面劑，采用無(wú)重復(fù)雙因素方差分析法對(duì)各影響因素顯著性進(jìn)行定量分析。

首先分析橡膠摻量（A）及界面劑類(lèi)型（B）這兩種因素對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度影響的顯著性。因素A有Ar（r=1，2，3，4，5，6）個(gè)水平，因素B有Bs（s=1，2，3）個(gè)水平。計(jì)算得到檢驗(yàn)因素顯著性的F分布值為FA=9.001，F(xiàn) B=14.898；因?yàn)镕A=9.001＞F0.005（5，36）=2.50，F(xiàn)B=14.898＞F0.005（2，36）=3.28。說(shuō)明在檢驗(yàn)水平0.05下，橡膠摻量（A）和界面劑類(lèi)型（B）都對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響顯著。

再研究新澆混凝土中橡膠顆粒粒徑（A）及橡膠摻量（B）這兩種因素對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的顯著性影響。因素A有Ar（r=1，2）個(gè)水平，因素B有Bs（s=1，2，3，4，5，6）個(gè)水平。計(jì)算得到檢驗(yàn)因素顯著性的F分布值為F A=3.123，F(xiàn) B=9.133；因?yàn)镕A=3.123＜F0.005（1，24）=4.26，F(xiàn)B=9.133＞F0.005（5，24）=2.62。說(shuō)明在檢驗(yàn)水平0.05下，橡膠顆粒粒徑（A）對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響不顯著，而橡膠摻量（B）對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響顯著。

最后研究新澆混凝土中橡膠改性情況（A）及橡膠摻量（B）這兩種因素對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的顯著性影響。計(jì)算得到檢驗(yàn)因素顯著性的F分布值為F A=0.105，F(xiàn) B=7.461；因?yàn)镕A=0.105＜F0.005（1，24）=4.26，F(xiàn) B=7.461＞F0.005（5，24）=2.62。說(shuō)明在檢驗(yàn)水平0.05下，橡膠改性情況（A）對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響不顯著，而橡膠摻量（B）對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響顯著。

3 黏結(jié)機(jī)理分析

新老混凝土黏結(jié)時(shí)，由于老混凝土中水泥水化反應(yīng)已基本完成，新老混凝土之間的黏結(jié)主要依靠范德華力和機(jī)械嚙合力，而這些連接作用較弱。新澆混凝土在硬化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的體積收縮，由于老混凝土的約束作用，在新老混凝土黏結(jié)界面處會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力［14］，黏結(jié)過(guò)渡層內(nèi)出現(xiàn)收縮微裂縫，這也降低了新老混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。橡膠顆?？蓽p小混凝土的干縮，使黏結(jié)界面邊界附近的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力減小。

從微觀角度上看，新老混凝土黏結(jié)界面過(guò)渡層可以分為滲透層、強(qiáng)效應(yīng)層、弱效應(yīng)層三個(gè)薄層［15］，其中強(qiáng)效應(yīng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)黏結(jié)性能起決定性作用。從斷裂角度出發(fā)，將界面層看成混凝土中的軟弱夾層，斷裂模型分為3種情況：①當(dāng)界面黏結(jié)很好，其黏結(jié)強(qiáng)度高于界面層抗裂強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)展到界面處的裂縫將受阻而折回界面層中，并在界面層中沿微裂縫貫通方向隨機(jī)地呈波浪狀發(fā)展；②當(dāng)界面黏結(jié)較好，其黏結(jié)強(qiáng)度接近于界面層抗裂強(qiáng)度時(shí)，微裂縫在界面上和界面層中交替地呈臺(tái)階狀發(fā)展；③當(dāng)界面黏結(jié)較差，其黏結(jié)強(qiáng)度小于界面層材料的抗裂強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)展到界面處的裂縫將沿界面跡線發(fā)展。

4 結(jié)論

①橡膠集料混凝土與普通混凝土黏結(jié)試件的劈拉強(qiáng)度隨著橡膠集料混凝土中橡膠顆粒摻量的增大而呈先增后降的變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在橡膠摻量為10%時(shí)。

②摻加平均粒徑4 mm橡膠顆粒的橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度大于摻加1～3 mm橡膠顆粒的橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。

③橡膠顆粒的改性劑和界面劑均可提高橡膠集料混凝土與普通混凝土的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。

④無(wú)重復(fù)雙因素方差分析結(jié)果表明，橡膠摻量和界面劑類(lèi)型對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度影響顯著，橡膠顆粒粒徑和改性劑橡膠對(duì)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度影響不顯著。