橡膠改性再生粗骨料混凝土在高溫后的力學(xué)性能研究

王武陽

（淄博市交通建設(shè)發(fā)展中心，山東 淄博 256100）

0 引言

許多工程結(jié)構(gòu)在其使用壽命期間會出現(xiàn)火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高溫會造成構(gòu)件失去承載能力，降低力學(xué)強(qiáng)度，影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性，甚至導(dǎo)致建筑物倒塌?；炷潦墙ㄖこ讨袕V泛使用的主要材料之一，研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土暴露于高溫環(huán)境下會降低混凝土材料的強(qiáng)度、彈性模量和其他性能。根據(jù)低碳可持續(xù)的發(fā)展要求，回收廢棄混凝土以生產(chǎn)再生骨料混凝土已被證實(shí)有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。再生粗骨料的吸水能力高于天然粗骨料，這降低了再生粗骨料混凝土的真實(shí)水灰比，在摻入一定再生粗骨料的情況下反而會使再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度高于普通混凝土[2]。

該研究旨在評估橡膠改性再生粗骨料混凝土在高溫下的耐火性能，研究在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能。再生粗骨料取代率為40%，橡膠摻量為0、5%、10%，并將混凝土暴露于100℃、200℃、300℃和500℃的高溫環(huán)境下，針對橡膠改性再生粗骨料混凝土的力學(xué)強(qiáng)度、變形性能和耐火機(jī)理進(jìn)行分析，以期為進(jìn)一步推廣綠色建筑材料提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

該研究使用PO42.5R 普通硅酸鹽水泥。天然河砂，堆積密度為1640 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5。天然粗骨料最大粒徑為35 mm，堆積密度為1617 kg/m3。再生粗骨料的最大粒徑同為35 mm，堆積密度為1520 kg/m3。再生粗骨料等質(zhì)量以40%的摻量取代天然粗骨料。橡膠粉的粒徑為40目（即約0.425 mm），橡膠顆粒以0、5%和10%的摻量取代天然細(xì)骨料，制備S0、S1、S3 這3 組不同配比的橡膠改性再生粗骨料混凝土，見表1。在混凝土拌合過程中3 組混凝土的坍落度分別為29 mm、34 mm 和36 mm。

表1 橡膠改性再生粗骨料混凝土試件配合比

1.2 試件制備

混凝土試件均在（20±2）℃的溫度和（90±5）%的相對濕度下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天后，部分試件直接在室溫（約20℃）下進(jìn)行測試，而余下的試件則暴露在不同的高溫環(huán)境中。高溫試驗(yàn)中共設(shè)置4 種不同高溫：100℃、200℃、300℃和500℃，工業(yè)電阻爐的加熱速率為5℃/min，爐內(nèi)溫度升至目標(biāo)溫度后穩(wěn)定60min，停止加熱。當(dāng)試件冷卻到室溫時(shí)，將其從爐中取出后，隨即進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。共制備150mm×150mm×150mm 的立方體試件和直徑為150mm、高度為300mm 的圓柱體試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 表面形態(tài)

在高溫試驗(yàn)爐內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，觀察并記錄溫度提升過程中的現(xiàn)象。當(dāng)溫度為100℃時(shí)，一些蒸氣開始逸出。一旦溫度達(dá)到200℃，爐門的上壁出現(xiàn)少量水滴。當(dāng)溫度為300℃時(shí)，蒸氣逐漸消失，試件表面顏色變淺，出現(xiàn)了幾條較細(xì)的裂紋。當(dāng)溫度為500℃時(shí)，試件表面的裂紋數(shù)量明顯增加，但未觀察到混凝土表面剝落、破碎的現(xiàn)象。橡膠中的硫化物在橡膠改性再生粗骨料混凝土試件中經(jīng)高溫分解并揮發(fā)出強(qiáng)烈的刺激性氣味，在橡膠摻量為10%的試件中，混凝土表面顏色變成紅棕色。在未摻橡膠顆粒的再生粗骨料混凝土中，出現(xiàn)深度為10~30mm 的裂縫。而橡膠摻量為10%的橡膠改性再生粗骨料混凝土暴露于500℃的溫度后，部分試件僅出現(xiàn)5~10mm 的微裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠顆粒的加入改善了暴露于高溫中的再生粗骨料混凝土的開裂性能。分析其原因，當(dāng)混凝土的溫度高于400℃時(shí)，混凝土中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣開始分解，骨料中的一些礦物如石英在高于400℃的溫度下成分也會發(fā)生一定的變化，混凝土?xí)霈F(xiàn)相應(yīng)的體積變化。同時(shí)橡膠顆粒在高溫下的熔化釋放了混凝土的內(nèi)部孔隙壓力，這與袁群等研究的橡膠改性普通混凝土的的機(jī)理分析是一致的。

2.2 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失率定義為加熱后和加熱前試樣的質(zhì)量差與加熱前試件質(zhì)量的比值。該研究中每組試件的質(zhì)量損失率取自3 個(gè)試件的平均值，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 橡膠改性再生粗骨料混凝土的質(zhì)量損失率

從表中可以看出，溫度越高，混凝土試件的質(zhì)量損失率越大。當(dāng)200℃時(shí)，摻入橡膠顆粒的混凝土立方體試件和圓柱體試件的質(zhì)量損失率較為相似。當(dāng)300℃時(shí)，立方體試件的質(zhì)量損失率大于圓柱體試件的質(zhì)量損失率。當(dāng)500℃時(shí)，未摻橡膠顆粒的再生粗骨料混凝土的立方體試件的質(zhì)量損失率高于圓柱體試件，而摻入橡膠顆粒后，立方體試件的質(zhì)量損失率低于圓柱體試件。在大部分情況下，摻入5%橡膠顆粒的橡膠改性再生粗骨料混凝土的試件顯示出相對較小的質(zhì)量損失率。如圖1 所示，混凝土試件的質(zhì)量損失率在溫度為200℃~300℃增加幅度較大，而在溫度為300℃~500℃的增加幅度較小。分析原因，這與混凝土試件中游離水和化學(xué)結(jié)合水的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)溫度過高時(shí)，混凝土試件內(nèi)的游離水完全蒸發(fā)，化學(xué)結(jié)合水開始分解。此外，試樣表面在高溫下發(fā)生剝落的現(xiàn)象，表面積的增加導(dǎo)致表面孔隙和微裂紋的數(shù)量隨之增加，使水蒸氣更容易逸出。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)橡膠含量在5%時(shí)，可有效改善生粗骨料混凝土的質(zhì)量損失情況。

圖1 質(zhì)量損失率

2.3 力學(xué)性能

橡膠改性再生粗骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3 所示，圖2 橫軸為試驗(yàn)溫度，縱軸為抗壓強(qiáng)度，圖3 橫軸為橡膠摻量，縱軸為相對抗壓強(qiáng)度。圖2 結(jié)果表明，試驗(yàn)溫度的升高導(dǎo)致未摻橡膠顆粒的再生粗骨料混凝土和橡膠改性再生粗骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均降低。

圖2 抗壓強(qiáng)度

圖3 相對抗壓強(qiáng)度

混凝土試件的相對抗壓強(qiáng)度與橡膠含量之間的關(guān)系如圖3 所示，在未摻入橡膠或橡膠顆粒摻量較小時(shí)，橡膠的存在抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，因此橡膠改性再生粗骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度沒有大幅度下降。圓柱體試件在試驗(yàn)溫度為200℃和500℃時(shí)，5%摻量橡膠改性混凝土的抗壓強(qiáng)度甚至比未摻橡膠顆粒的再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度更高。隨著橡膠含量增加，由于橡膠在高溫環(huán)境中熔化而形成一定量的孔隙，因此混凝土試件中的孔隙率變高，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。例如在橡膠摻量為10%的情況下，當(dāng)立方體試件在試驗(yàn)溫度為300℃和500℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度較橡膠摻量為5%的試件下降了26.0%和28.5%。在大部分試樣中，未摻橡膠的再生粗骨料混凝土相對強(qiáng)度較低，摻量為5%的橡膠改性再生粗骨料混凝土試件的相對強(qiáng)度較高。

2.4 彈性模量

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算彈性模量和彈性模量損失，彈性模量是材料的固有屬性，彈性模量損失是混凝土試件在試驗(yàn)溫度和室溫下測試的彈性模量差值與常溫下的彈性模量的比值。如圖4 所示，當(dāng)試驗(yàn)溫度為200℃時(shí)，未摻橡膠的再生粗骨料混凝土和摻入橡膠的橡膠改性再生粗骨料混凝土的彈性模量降低了約50%。當(dāng)試驗(yàn)溫度大于300℃時(shí)，未摻橡膠的再生粗骨料混凝土和橡膠改性再生粗骨料混凝土的彈性模量都接近于零。隨著橡膠顆粒摻量增加，混凝土試件的相對彈性模量損失相對較小。分析其原因，當(dāng)施加軸向載荷時(shí)，試件所經(jīng)歷的主要變形為內(nèi)部孔隙的壓實(shí)，側(cè)向變形較小，而橡膠的摻入抑制了在高溫環(huán)境下一些內(nèi)部微裂紋的發(fā)展，加入橡膠顆粒以減少彈性模量的損失。

圖4 混凝土的彈性模量

3 結(jié)論

該文分析了再生粗骨料混凝土和橡膠改性再生粗骨料混凝土暴露于不同溫度的高溫環(huán)境中的力學(xué)性能，并得出以下4 個(gè)結(jié)論：1）由于圓柱體試件的表面積較大，因此圓柱體試件的質(zhì)量損失比立方體試件的質(zhì)量損失小。摻入橡膠顆粒提高了混凝土暴露于高溫后的抗裂性能，橡膠顆粒在高溫下熔化釋放了混凝土的內(nèi)部孔隙壓力。2）與未摻橡膠的普通再生粗骨料混凝土相比，摻入一定量橡膠的改性再生粗骨料混凝土在高溫暴露后表現(xiàn)出更低的質(zhì)量損失率，彈性模量損失較小，相對強(qiáng)度較大。橡膠顆粒暴露于高溫后軟化，增加了試件的延性，延長了加載時(shí)間。3）隨著溫度升高，橡膠改性再生粗骨料混凝土的質(zhì)量損失率增大，力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量降低。4）綜合分析，建議橡膠顆粒的摻量為5%，此時(shí)，橡膠改性再生粗骨料混凝土有較好的耐火性能，橡膠改性再生粗骨料混凝土可嘗試用在需要一定耐熱性能的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。