橡膠混凝土抗凍性最佳橡膠取代率試驗(yàn)研究*

楊馨鈺,蘇有文,劉術(shù)梅,唐 琪,高夢秋

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)

0 引言

用橡膠顆粒等體積取代細(xì)骨料制成橡膠混凝土,不僅能將廢棄橡膠再生利用,減少對天然細(xì)骨料的依賴,且其具有減震、抗沖擊、耐磨等特點(diǎn),可改善普通混凝土抗凍性能,延長服役年限。現(xiàn)有研究表明,橡膠顆粒在合理的摻量范圍內(nèi),可明顯提高混凝土的抗凍性能[1-4]。但國內(nèi)外學(xué)者的研究集中于特殊橡膠取代率對混凝土抗凍性能的影響,且試驗(yàn)取代率跨度較大[5-9]。因此,進(jìn)一步細(xì)化橡膠取代率跨度,可更真實(shí)地反映其對混凝土抗凍性能的影響規(guī)律,得到可為實(shí)際工程施工提供參考的最佳取代范圍。

本文在滿足力學(xué)性能配合比的基礎(chǔ)上,細(xì)化取代率跨度,通過試驗(yàn)研究橡膠顆粒取代細(xì)骨料對抗凍性能的影響規(guī)律,確定抗凍性能最佳取代范圍。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料選擇

采用P·O42.5R級水泥;細(xì)骨料采用綿陽天然河砂,Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)為2.71,表觀密度為 2 539kg/m3, 松散堆積密度為1 638kg/m3;粗骨料采用粒徑為5～10mm,10～20mm的合成級配碎石,質(zhì)量比為 3∶7;膠粒采用2～4mm EPDM膠粒,表觀密度為1 216kg/m3,堆積密度為775kg/m3;減水劑采用FDN-C萘系高效減水劑;水為實(shí)驗(yàn)室自來水。以上材料均依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行性能試驗(yàn),各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后使用。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG/F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》確定C30道路混凝土初始配合比,試配并制作試塊進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),最終在滿足力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上確定本試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比,記為RC-0。以基準(zhǔn)配合比為對照組,根據(jù)文獻(xiàn)建議值[10-12]最終確定試驗(yàn)取代率范圍為 5%～15.5%,取代率級差為1.5%,各組配合比如表1所示。

表1 橡膠混凝土試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Table 1 The experiment mix proportion design of rubber concrete kg/m3

1.3 試驗(yàn)過程與方法

1.3.1配料攪拌

本試驗(yàn)采用HJW-60型強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行原料攪拌。為解決橡膠顆粒在攪拌過程易上浮問題,采用二次攪拌法實(shí)現(xiàn)橡膠顆粒在混凝土中的均勻分布,工藝流程如圖1所示。測試其操作性滿足要求后,制作試驗(yàn)試件。

圖1 二次攪拌工藝流程Fig.1 The secondary mixing process

1.3.2試件成型與養(yǎng)護(hù)

抗壓試件為150mm×150mm×150mm,按表1分組,每組制作3個試件,總計(jì)27個?？拐墼嚰?50mm×150mm×550mm,共計(jì)9組27個。為保證試件中橡膠顆粒均勻分布,拌合物裝入模具后置于振動臺振搗,同時配以人工插搗。試件成型后在相對濕度95%,溫度20℃±2℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。

抗凍性能試驗(yàn)采用棱柱體試件,規(guī)格為100mm× 100mm×400mm,共計(jì)9組27個。試件成型方法與前文一致,成型后在20℃±5℃靜置48h脫模,拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

1.3.3力學(xué)性能試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均按照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[13]進(jìn)行性能檢測。

1.3.4抗凍性能試驗(yàn)

質(zhì)量損失反映混凝土表面剝落情況,表征試件的外部損傷。動彈性模量反映混凝土內(nèi)部開裂情況,用聲波測量橫向振動頻率所得,表征試件的內(nèi)部損傷。凍融循環(huán)達(dá)到一定程度時,會造成骨料或增強(qiáng)材料暴露[14]。因此,兩者反映混凝土內(nèi)部與表面的損傷程度,可作為抗凍性能評價指標(biāo)。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,本試驗(yàn)采用KDR-5快速凍融機(jī)完成凍融循環(huán)。設(shè)置每次凍融循環(huán)時間約為3.5h,凍融溫度限值分別為-17℃及4℃。凍融達(dá)到以下情況之一即可停止試驗(yàn):①凍融次數(shù)達(dá)到150次;②相對動彈性模量降至60%;③質(zhì)量損失率達(dá)5%。

以25次為一個凍融循環(huán)階段,分別采用電子秤、DT-W18型混凝土動彈性模量測試儀對試件初始和各階段凍融循環(huán)完成后的質(zhì)量、動彈性模量進(jìn)行測定和記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橡膠取代率對力學(xué)性能的影響

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2,3所示。由圖2,3可知,隨著橡膠取代率的不斷增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值均逐漸降低。經(jīng)計(jì)算,取代率達(dá)到15.5%時,抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別相較基準(zhǔn)混凝土降低25.05%,33.12%。但混凝土折壓比隨取代率的增大呈增長趨勢,折壓比增大,韌性增強(qiáng)。說明膠粒摻入在一定程度上改善了混凝土的脆性破壞特征。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨橡膠取代率的變化規(guī)律Fig.2 Regularities of compressive strength with rubber substitution rate

圖3 抗折強(qiáng)度隨橡膠取代率的變化規(guī)律Fig.3 Regularities of flexural strength with rubber substitution rate

2.2 凍融時間對質(zhì)量損失率的影響

計(jì)算得到質(zhì)量損失率實(shí)測值,如表2所示。依據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出各組質(zhì)量損失率隨凍融時間的變化趨勢,如圖4所示。

圖4 質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Regularities of mass loss rate with freeze-thaw times

表2 試件質(zhì)量損失率實(shí)測值Table 2 The measured value of mass loss rate of specimen %

由圖4可知,普通混凝土質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加不斷上升,其表面剝落情況逐漸嚴(yán)重,抗凍性能劣化加劇。橡膠混凝土質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加經(jīng)歷“下降-平緩上升-陡然上升”的變化過程,其受凍融后表面剝落較少,試件較完整,抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。

凍融前期,橡膠混凝土質(zhì)量損失率為負(fù)的原因是試件外部剝落現(xiàn)象不明顯,但內(nèi)部原有裂縫不斷吸水飽和膨脹,試件質(zhì)量增加;中期質(zhì)量損失率為正且平緩上升,這是由于具有彈性的橡膠顆粒均勻分布在混凝土中,對冰脹應(yīng)力有緩沖作用,使表面混凝土局部脫落。隨著凍融次數(shù)的增加,橡膠顆粒的緩沖作用隨冰脹應(yīng)力的增大逐漸失效,混凝土裂縫不斷擴(kuò)展和貫通,呈現(xiàn)出整體破壞形態(tài),質(zhì)量損失率大于內(nèi)部吸水率,質(zhì)量損失率陡然增加。

2.3 凍融時間對相對動彈性模量的影響

計(jì)算得到相對動彈性模量實(shí)測值,如表3所示。依據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出各組相對動彈性模量隨凍融時間的變化趨勢,如圖5所示。

圖5 相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律Fig.5 Regularities of relative dynamic elastic modulus with freeze-thaw times

表3 試件相對動彈性模量實(shí)測值Table 3 The measured values of the relative dynamic elastic modulus of specimen %

由圖5可知,相對動彈性模量均隨凍融次數(shù)的增加而下降,凍融后期下降程度顯著,但橡膠混凝土相對動彈性模量一直高于普通混凝土,下降趨勢也相對平緩,說明橡膠混凝土抗凍性能更優(yōu)。各組橡膠混凝土曲線較接近,相對動彈性模量下降趨勢基本一致。其原因?yàn)橄鹉z顆粒是彈性體,在凍融循環(huán)作用下,可反復(fù)被壓縮和彈性恢復(fù),可在一定程度上緩解內(nèi)應(yīng)力,并限制因飽和水膨脹應(yīng)力引起的裂縫擴(kuò)展。此外,膠粒的摻入存在引氣作用,平衡孔隙的結(jié)構(gòu)狀態(tài),試件內(nèi)部毛細(xì)孔壁受到的壓力減小,可緩解試件的破壞,從而改善橡膠混凝土的抗凍性能。

2.4 最佳取代范圍確定

2.4.1以力學(xué)性能確定最佳取代范圍

以設(shè)計(jì)強(qiáng)度值30MPa為標(biāo)準(zhǔn)繪制基準(zhǔn)線,求得抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的取代范圍為0～10.9%,如圖2所示。同理,以設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度值4.0MPa為標(biāo)準(zhǔn)繪制基準(zhǔn)線,求得抗折強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的取代范圍為0～13.72%,如圖3所示。橡膠取代率為5%時,抗壓和抗折強(qiáng)度分別相較基準(zhǔn)混凝土降低3.56%和1.19%,混凝土力學(xué)性能沒有明顯變化,所以本試驗(yàn)的橡膠取代率最低限值為5%,與文獻(xiàn)[10,15]研究結(jié)果一致。則抗壓和抗折強(qiáng)度的最佳取代范圍分別為5%～10.9%和5%～13.72%。因此,基于力學(xué)性能確定的最佳取代范圍為5%～10.9%。

2.4.2以質(zhì)量損失率確定最佳取代范圍

取曲線變化相對平緩、抗凍性能穩(wěn)定的區(qū)間作為各自最佳橡膠取代率范圍?；谫|(zhì)量損失率確定的最佳取代率范圍如圖6所示。

圖6 基于質(zhì)量損失率確定最佳取代率范圍Fig.6 Based on the mass loss rate to determine the optimal replacement rate range

以25次凍融為一階段觀察,由圖6可知,隨著橡膠取代率的增加各凍融階段質(zhì)量損失率先減后增。說明隨橡膠粒摻量的增加,抗凍性能經(jīng)歷先增長后降低的過程,即存在基于質(zhì)量損失率的最優(yōu)橡膠粒摻量。橡膠取代率為6.5%～12.5%時,質(zhì)量損失率較小且平緩下降,說明抗凍性能較好且逐漸變優(yōu)。在12.5%時,質(zhì)量損失率相對最低,抗凍性能最佳。超過12.5%時,質(zhì)量損失率陡然增加且呈上升趨勢,說明橡膠混凝土受凍融循環(huán)作用劣化逐漸加重,抗凍性能持續(xù)降低。由此確定,質(zhì)量損失率的最佳橡膠取代范圍為6.5%～12.5%。

2.4.3以相對動彈性模量確定最佳取代范圍

基于相對動彈性模量確定的最佳取代率范圍如圖7所示。由圖7可知,各凍融階段相對動彈性模量均隨橡膠取代率的增加經(jīng)歷“快速上升-平緩上升-下降”的變化過程,表明適量的橡膠摻入有助于提高混凝土的相對動彈性模量,進(jìn)而提高其抗凍性能。橡膠取代率為5%～12.5%時,相對動彈性模量較大且平緩上升,說明抗凍性能較好且逐漸變優(yōu)。橡膠取代率為12.5%時,相對動彈性模量最大,抗凍性能最佳。超過12.5%時,相對動彈性模量下降程度顯著,抗凍性能持續(xù)劣化。由此確定,相對動彈性模量的最佳橡膠取代范圍為5%～12.5%。

圖7 基于相對動彈性模量確定最佳取代率范圍Fig.7 Based on the relative dynamic elastic modulus to determine the optimal replacement rate range

求各最佳取代范圍交集可知:力學(xué)性能和抗凍性能均最佳的橡膠取代范圍為6.5%～10.9%。

3 結(jié)語

基于力學(xué)性能,對比分析不同摻量橡膠顆粒對混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的影響,得到如下結(jié)論。

1)隨著橡膠取代率的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸降低,但折壓比增大,韌性增強(qiáng)?；诹W(xué)性能的最佳橡膠取代范圍為5%～10.9%。

2)隨橡膠取代率的增加,各凍融階段質(zhì)量損失率先減后增,相對動彈性模量先增后減,基于抗凍性能的最佳橡膠取代范圍為6.5%～12.5%。且取代率為12.5%時,均為兩者最優(yōu)橡膠摻量,抗凍性能最佳。

3)力學(xué)性能和抗凍性能均最佳的橡膠取代范圍為 6.5%～10.9%。