不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓性能試驗研究

劉振華 謝旺軍 文韜

摘要：為了研究不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，文章采用40目粒徑的橡膠粉，以0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂為變化參數(shù)，設(shè)計了C40自密實混凝土試件，并通過試驗觀察了試件的破壞形態(tài)，分析了不同橡膠取代率試件破壞的原因。結(jié)果表明，隨著橡膠取代率的增加，自密實橡膠混凝土強(qiáng)度降低，同時塑性變形能力增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：自密實橡膠混凝土；取代率；抗壓；試驗研究

中圖分類號：U414

基金項目：2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項目“方鋼管自密實橡膠混凝土柱軸壓性能試驗研究”（編號：2020KY34013）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項目“再生骨料泵送混凝土性能研究與應(yīng)用”（編號：2022KY1139）；廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院陸海交通基礎(chǔ)設(shè)施混凝土材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心（交院科研〔2021〕14 號）

作者簡介：劉振華（1989—），碩士，講師，工程師，主要從事工程材料研究、混凝土組合結(jié)構(gòu)、橋梁工程施工、基建項目檔案建設(shè)與管理工作。

0 引言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，全球汽車工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，我國每年產(chǎn)生的廢棄輪胎約為2 000×10⁴t，且廢舊輪胎產(chǎn)出量還在持續(xù)增長，大量廢舊輪胎亟待處理。廢舊輪胎橡膠是一種在自然條件下難溶解的高分子材料，大量存放的廢舊橡膠對自然環(huán)境造成了不可修復(fù)的破壞；如果采用填埋、焚燒的辦法對其進(jìn)行處理，則會排放各種有害氣體，也會加重環(huán)境的破壞^［1］，因此，對廢舊輪胎進(jìn)行再生利用研究是很有必要的。

冀彩云等^［2］研究了橡膠混凝土的抗壓與抗折性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)取代率為4%時其性能發(fā)生下降趨勢；葛文慧^［3］研究了橡膠混凝土中取代率對其力學(xué)性能影響；趙榮生^［4］、楊榮周等^［5］研究了橡膠混凝土的破壞形態(tài)，認(rèn)為取代率越大混凝土的破壞程度越小，延性提高。眾多學(xué)者研究了普通橡膠混凝土的性能，但是研究橡膠自密實混凝土的學(xué)者較少。自密實混凝土在橋梁、道路工程建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用，因此研究橡膠自密實混凝土對交通工程建設(shè)具有積極的意義，同時對國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略具有重要意義。

本文采用40目粒徑的橡膠粉，按照強(qiáng)度等級 C40 確定配合比自制自密實混凝土，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠粉等體積替換砂制作試件，對自密實橡膠混凝土試件進(jìn)行抗壓性能試驗。

1 試驗原材料

本次試驗采用自制自密實橡膠混凝土，根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T283-2012）（以下簡稱《技術(shù)規(guī)程》）與《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）等規(guī)程確定自密實橡膠混凝土配合比。

1.1 水泥

本次試驗所選用的水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m³，力學(xué)性能如表1所示。

1.2 粉煤灰

本次試驗選用一級粉煤灰，其指標(biāo)如表2所示。

1.3 集料

集料也稱骨料，分為粗集料和細(xì)集料，是混凝土的主要組成材料之一。本次試驗所用粗集料選用級配良好的碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 750 kg/m³，堆積密度為1 570 kg/m³，吸水率為0.92%，壓碎指標(biāo)為12.4%；細(xì)集料選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 650 kg/m³，吸水率為1.36%，試驗前已將其曬干備用。

不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓性能試驗研究/劉振華，謝旺軍，文 韜

1.4 橡膠骨料

本次試驗選用的橡膠骨料為四川都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40目（380 μm）橡膠粉，由廢舊輪胎經(jīng)機(jī)械破碎、篩分、清洗、除塵等一系列過程所得，表觀密度為1 168 kg/m³，吸水率為1.7%，如表3所示。

1.5 減水劑

本次試驗所采用減水劑為聚羧酸高性能減水劑，該系列減水劑混凝土的強(qiáng)度增長明顯，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，減水率為30.5%，固含量為97.6%，符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）一等品標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 拌和水

試驗拌和水為南寧市普通自來水。

2 試驗

2.1 自密實橡膠混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計，本次試驗按照強(qiáng)度等級C40確定配合比，通過計算得出，水泥+粉煤灰∶水∶石∶砂=1∶0.39∶1.8∶1.6，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂，具體見表 4。

2.2 試驗過程

2.2.1 混凝土攪拌及坍落度

本試驗采用的混凝土為自配自密實混凝土。自密實橡膠混凝土攪拌時預(yù)先把橡膠粉、粗骨料與細(xì)骨料充分?jǐn)嚢?00 s，然后加入粉煤灰與水泥充分?jǐn)嚢?00 s，其后分?jǐn)?shù)次加入摻有聚羧酸減水劑的水拌和200 s，待投料混合充分且自密實橡膠混凝土表面能看到骨料均勻分布時完成攪拌。拌制的自密實橡膠混凝土的性能評價采用《技術(shù)規(guī)程》中的坍落度、坍落擴(kuò)展度進(jìn)行評價與分析。澆筑試件前測量自密實橡膠混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度以及 T₅₀₀擴(kuò)展時間，以測試其流動性，在確保拌和物的流動性滿足自密實混凝土規(guī)范中的要求后，將其入模、抹平、編號。為防止?jié)仓尚秃笏至魇В盟芰媳∧じ采w試塊表面，24 h后將試件脫模、編號，送入20±2℃、相對濕度＞95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將試件搬出養(yǎng)護(hù)室并靜置在室內(nèi)使其自然干燥，所有試件完全干燥后用電子稱量其重量，計算出每組配合比對應(yīng)的混凝土容重。保證配制的自密實橡膠混凝土拌和物坍落度應(yīng)≥240 mm、坍落擴(kuò)展度應(yīng)為550 mm～650 mm、T₅₀₀≥2S。

澆筑時每種自密實混凝土依照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法制作3個150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。試件的澆筑過程及坍落度和T₅₀₀擴(kuò)展時間測量結(jié)果見表5。根據(jù)本試驗配置的混凝土拌和物性能均滿足相關(guān)自密實混凝土規(guī)范的要求。

2.2.2 自密實橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗

按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)》（GB50152-2012），在RMT巖石壓力機(jī)上進(jìn)行單軸壓力試驗，加載測量得到每個自密實橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果取 3 個立方體試塊試驗值的有效平均值（見表6），其中混凝土實際軸心抗壓強(qiáng)度推算值f_c、混凝土實際軸心抗拉強(qiáng)度推算值f_t、混凝土實際彈性模量推算值E_c由規(guī)范公式與相應(yīng)文獻(xiàn)得到，見式（1）～（3）：

3 試驗分析

3.1 破壞形態(tài)分析

根據(jù)自密實橡膠混凝土試塊破壞形態(tài)可以看出：摻橡膠的自密實混凝土立方體試塊受壓破壞后仍然保持其完整性，并沒有發(fā)生嚴(yán)重的解體現(xiàn)象，呈現(xiàn)出與普通自密實混凝土截然不同的破壞形式。普通自密實混凝土表現(xiàn)為典型的錐形破壞，而在加載時自密實橡膠混凝土試塊邊緣先出現(xiàn)裂縫，然后沿豎向發(fā)展，形成許多豎向裂紋，并且所摻加的橡膠越細(xì)，其縱向裂紋越細(xì)，隨著橡膠取代率的增加，縱向裂紋的數(shù)量增多、寬度加大，自密實橡膠混凝土試塊的破壞很明顯地反映了延性優(yōu)勢。橡膠粉集料是均勻分布在混凝土內(nèi)部的微小彈簧裝置，起到緩沖吸能作用。由于橡膠顆粒附近的水泥基體抵抗應(yīng)力集中造成受拉破壞開裂，橡膠顆粒自身有很好的彈性變形特性，因此抑制了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，使試件受壓開裂縫隙無法貫通，從而保持了立方體試塊的完整性。

3.2 影響因素分析

由上述試驗的實測值繪制出不同橡膠取代率對自密實橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線，如圖1所示。

由表6和圖1可知：自密實橡膠混凝中橡膠取代率與抗壓強(qiáng)度成反比。通過自密實橡膠混凝土試塊抗壓強(qiáng)度對比發(fā)現(xiàn)，橡膠取代率取值為10%～30%，自密實橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度依次降低到基準(zhǔn)自密實混凝土抗壓強(qiáng)度的 79.6%、70.1%、57.8%、47.6%，由此可以看出，在相同的橡膠取代率下，摻橡膠粉的自密實橡膠混凝土相對于摻了橡膠顆粒的自密實橡膠混凝土強(qiáng)度降低幅度大，但是變形能力逐步增加。

分析原因：（1）橡膠作為彈性模量相對較低的材料，其變形能力相對較強(qiáng)，但橡膠的強(qiáng)度比不上自密實混凝土基體和天然骨料的強(qiáng)度，將其加入到混凝土中相當(dāng)于減少了混凝土承受荷載的有效面積并且提高了孔隙率，使混凝土內(nèi)部更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，于是使自密實橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的抗壓強(qiáng)度下降；（2）因為橡膠是憎水性材料，而且橡膠周圍極易吸附氣泡，使橡膠粉（粒）與水泥基體的膠結(jié)性能降低，加大并且增多了橡膠與自密實混凝土之間的空隙，造成界面過渡區(qū)更容易產(chǎn)生初始微裂縫；（3）當(dāng)橡膠取代率較小時，混凝土內(nèi)部缺陷較少，水泥基體強(qiáng)度高，裂縫開展緩慢，混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度降低不是很明顯，而當(dāng)橡膠取代率增大時，界面過渡區(qū)的初始微裂縫容易貫通形成較大裂縫，使混凝土的抗壓承載力下降。粒徑越大的橡膠對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響越小的主要原因是：相同體積總量的情況下，橡膠粉的比表面積比橡膠顆粒的比表面積大，使橡膠與混凝土接觸的有效面積增大，易產(chǎn)生更多的孔隙，自密實橡膠混凝土含氣量增大，導(dǎo)致?lián)较鹉z粉的自密實橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度下降更明顯。

4 結(jié)語

本文對試驗原材料、澆筑狀況以及混凝土拌和物進(jìn)行自密實性能的檢測。通過相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)分析和對試驗物理現(xiàn)象的觀察，得出以下主要結(jié)論：

（1）橡膠混凝土的自密實性通過配合比的調(diào)整可以得到滿足，保證橡膠在自密實混凝土中的均勻性，使得自密實橡膠混凝土能夠發(fā)揮其優(yōu)越性能，有效延緩混凝土的開裂。

（2）橡膠的摻入會使得橡膠混凝土的強(qiáng)度下降，但是在較小橡膠取代率（10%）的情況下，其相應(yīng)的材料性能還是有所保證的。

（3）自密實橡膠混凝土加載時，試塊邊沿最先出現(xiàn)裂縫，并且沿豎向發(fā)展形成豎向裂紋，豎向裂紋寬度隨著橡膠粒徑的加大而增大，且隨著橡膠取代率的增大而寬度加大、數(shù)量增多。隨著橡膠取代率增加，自密實橡膠混凝土強(qiáng)度降低，變形能力逐步增大。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-26