凍融循環(huán)作用下橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能研究

張衛(wèi)東，王振波，何衛(wèi)忠

(1.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001； 2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 221009)

凍融循環(huán)作用下橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能研究

張衛(wèi)東1，王振波2，何衛(wèi)忠1

(1.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001； 2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 221009)

通過橡膠自密實(shí)混凝土的快速凍融試驗(yàn)，研究了不同橡膠取代率下橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠取代率對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度影響較大，但與取代率不成比例關(guān)系；在相同橡膠取代率的情況下，立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均顯示出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而下降的趨勢(shì).通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析研究，給出了橡膠自密實(shí)混凝土拉壓比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，回歸立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)間的簡(jiǎn)明關(guān)系式.

橡膠自密實(shí)混凝土；凍融循環(huán)；取代率；立方體抗壓強(qiáng)度；劈裂強(qiáng)度

0 引言

為了提高混凝土澆筑施工的效率，降低振搗噪音，保證形狀復(fù)雜、配筋密集構(gòu)件的澆筑質(zhì)量，降低施工難度，上個(gè)世紀(jì)80年代日本東京大學(xué)岡村教授研究團(tuán)隊(duì)提出了自密實(shí)混凝土(SCC)，經(jīng)過近十年的發(fā)展，自密實(shí)混凝土得到了普遍認(rèn)可,被大量運(yùn)用在實(shí)際工程項(xiàng)目中[1-2].

為解決混凝土自重大及動(dòng)力性能、延性偏差的問題，拓展廢棄輪胎等橡膠制品的二次利用途徑，嘗試將廢舊橡膠制成橡膠粉或顆粒加入混凝土中制成橡膠混凝土，此方面的研究較多且已形成了相應(yīng)的研究成果[3-5].關(guān)于橡膠自密實(shí)混凝土物理力學(xué)性能等方面的研究較少.馬昆林等[6]研究了橡膠集料體積分?jǐn)?shù)對(duì)SCC抗壓強(qiáng)度的影響，其試驗(yàn)結(jié)果顯示兩者之間存在較好的線性關(guān)系，并針對(duì)抗壓強(qiáng)度下降原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，建議了最佳橡膠集料體積分?jǐn)?shù)；文獻(xiàn)[7]研究了橡膠體積取代率對(duì)SCC收縮性能、電阻及力學(xué)性能的影響，并擬合了相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系式；文獻(xiàn)[8]表明隨著橡膠取代率的增加，自密實(shí)混凝土的抗沖擊性能有所提高，但其強(qiáng)度及彈性模量有所下降；文獻(xiàn)[9]表明膨脹土、橡膠的存在明顯降低了自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能及動(dòng)彈性模量，同時(shí)降低了氯離子滲透系數(shù)；文獻(xiàn)[10]研究了橡膠取代率對(duì)新拌自密實(shí)混凝土流變特性的影響.

鑒于此，課題組從橡膠自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能出發(fā)，通過改變凍融循環(huán)次數(shù)及橡膠取代率，研究了自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及拉壓比的影響，探討了立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系式，為類似研究提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥(C)采用“海螺”牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥；砂(S)為中粗河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.6；石子(G)為連續(xù)級(jí)配碎石，粒徑為5～20 mm；粉煤灰(FA)為南京嘉琪粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；減水劑(SP)為江蘇博特的PCA(Ⅰ)羧酸高效減水劑；攪拌水(W)為當(dāng)?shù)刈詠硭?；橡膠(RP)為粒徑為350 μm的硫化橡膠粉.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)研究橡膠體積取代率、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)制作了150個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，其中75個(gè)用于研究橡膠取代率及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響，剩下75個(gè)用于研究?jī)烧邔?duì)劈裂強(qiáng)度的影響.以C40自密實(shí)混凝土配合比為基準(zhǔn)，具體如表1所示.按照等體積原則，橡膠粉取代河砂的體積取代率分別為5%、10%、15%和20%.

表1 自密實(shí)混凝土配合比

注：SCC表示自密實(shí)混凝土；RSCC-y中RSCC表示橡膠自密實(shí)混凝土，y表示橡膠體積取代率.

1.3 試驗(yàn)方法

為了保證橡膠粉能與粗細(xì)骨料及水泥彼此均勻混合，先將其倒入攪拌30 s，然后在攪拌過程中慢慢注水?dāng)嚢? min.具體試驗(yàn)步驟按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[11]中具體規(guī)定執(zhí)行，每個(gè)凍融循環(huán)周期約為4 h，試件中心最低和最高溫度分別控制在-18±2 ℃和5±2 ℃.為了研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，待凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到25、50、75、100次后，分別從凍融箱中取出立方體試件，自然晾干后依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081—2002)[12]中規(guī)定方法進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 橡膠取代率的影響

橡膠取代率(y)對(duì)自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線分別見圖1、圖2.

圖1 橡膠取代率與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖1可知，橡膠取代率與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系明顯.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、25、50次時(shí)，隨著橡膠取代率的提高，橡膠自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì).對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為25次時(shí)，橡膠取代率分別為5%、10%、15%、20%的自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度相應(yīng)為45.5、43.2、35.6、28.7 MPa，為基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土立方體強(qiáng)度(47.8 MPa)的95.19%、90.38%、74.48%、60.04%，可見隨著取代率升高呈現(xiàn)出前期下降較緩慢，后期下降較快的趨勢(shì).

圖2 橡膠取代率與劈裂強(qiáng)度關(guān)系

隨著橡膠取代率的增加，凍融循環(huán)次數(shù)為75次、100次的橡膠自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的變化情況基本保持一致，呈先上升后下降的發(fā)展趨勢(shì).當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為75次時(shí)，橡膠取代率為5%、10%、15%、20%的自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別為39.8、37.9、31.2、21.8 MPa，為同樣凍融條件下基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土立方體強(qiáng)度(35.1 MPa)的113.4%、108.0%、88.9%、62.1%，這表明橡膠取代率5%為立方體抗壓強(qiáng)度先上升后下降的拐點(diǎn)，但橡膠取代率為10%的橡膠自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土高.表明在凍融循環(huán)次數(shù)較高的情況下，橡膠的存在可以有效地提高自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，但取代率以不超過10%為宜.

由圖2可知，橡膠取代率與劈裂強(qiáng)度關(guān)系明顯.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0、25、50次時(shí)，隨著橡膠取代率的提高，橡膠自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為75、100次時(shí)，隨著橡膠取代率的增加，橡膠自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度呈先上升后下降的發(fā)展趨勢(shì)，拐點(diǎn)同樣位于橡膠取代率5%處.表明在一般凍融環(huán)境下，橡膠的存在不利于提高自密實(shí)混凝土抗劈裂強(qiáng)度，但凍融循環(huán)次數(shù)較高(如100次)，合理控制橡膠取代率可以有效提高橡膠自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度.

通過對(duì)比分析可知，一方面橡膠彈性模量及強(qiáng)度較低，加上橡膠憎水且周圍易吸附氣泡進(jìn)而降低橡膠與水泥基體間結(jié)合性能，隨著橡膠取代率增加導(dǎo)致初始微裂縫及孔隙增多，進(jìn)而降低橡膠自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度；另一方面增多的微裂縫、孔隙及橡膠的易變形性有利于緩解凍融循環(huán)導(dǎo)致的損傷.當(dāng)前者的不利作用起主導(dǎo)作用時(shí)，某些凍融條件下混凝土抗壓及劈裂強(qiáng)度隨取代率上升而下降；當(dāng)兩者交互起主導(dǎo)作用時(shí)，某些凍融條件下橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度隨取代率增加呈現(xiàn)先增大后下降趨勢(shì).

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不同橡膠取代率的自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線分別見圖3、圖4.

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土及不同橡膠取代率的自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均下降，但下降速度不同.通過對(duì)不同橡膠取代率的自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化情況分析可知，以50次凍融循環(huán)為界，抗壓強(qiáng)度下降呈現(xiàn)前緩后快的趨勢(shì)，5%取代率的橡膠自密實(shí)混凝土的總體變化速度較為緩慢，每遞增25次凍融循環(huán)，立方體抗壓強(qiáng)度約為基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的99.13%、96.08%、86.71%及81.14%.

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與劈裂強(qiáng)度關(guān)系

由圖4分析可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土及不同橡膠取代率的自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度均隨之下降，且下降速度明顯快于立方體抗壓強(qiáng)度的下降速度.通過對(duì)不同橡膠取代率的自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化情況分析可知，當(dāng)循環(huán)次數(shù)位于50～75次時(shí)，橡膠自密實(shí)混凝土劈裂強(qiáng)度下降最為迅速，波動(dòng)范圍為92.02%～78.35%；超過75次后，下降速度減緩明顯，波動(dòng)范圍僅為78.35%～74.93%.

結(jié)合凍融循環(huán)條件下橡膠對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響分析可知，橡膠的存在會(huì)降低自密實(shí)混凝土的基本力學(xué)性能，且對(duì)劈裂強(qiáng)度影響較大，但同時(shí)也表明控制橡膠取代率，可降低凍融循環(huán)對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步提高其抗凍耐久性能.

2.3 拉壓比

拉壓比是反映混凝土脆性的主要指標(biāo)之一.橡膠自密實(shí)混凝土拉壓比(劈裂強(qiáng)度/立方體抗壓強(qiáng)度)與凍融循環(huán)的關(guān)系曲線見圖5.

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與拉壓比關(guān)系

由圖5可知，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠自密實(shí)混凝土的拉壓比均隨橡膠取代率的增加而增大，這表明橡膠取代部分細(xì)骨料有利于提高自密實(shí)混凝土的塑性；橡膠取代率相同條件下，橡膠自密實(shí)混凝土的拉壓比隨凍融循環(huán)次數(shù)大體呈下降趨勢(shì)，但取代率低于15%時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)為100的自密實(shí)混凝土拉壓比卻高于循環(huán)次數(shù)為75的自密實(shí)混凝土的拉壓比.由于研究所限，未進(jìn)行橡膠取代率為20%的橡膠自密實(shí)混凝土在更高凍融循環(huán)次數(shù)下的力學(xué)試驗(yàn)，無法反映該取代率下自密實(shí)混凝土的拉壓比變化情況.結(jié)合普通自密實(shí)混凝土在凍融作用下拉壓比比值變化情況，可知橡膠取代細(xì)骨料能提高處于凍融作用下的自密實(shí)混凝土的拉壓比比值，且提高其塑性.

2.4 關(guān)系曲線

圖6 立方體抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)擬合關(guān)系

圖7 劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)擬合關(guān)系

(1)

表2 橡膠自密實(shí)混凝土力學(xué)性能與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系式

注：由于筆者研究的凍融循環(huán)次數(shù)有限，故0≤N≤100.

由式(1)及表2可知，立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度兩者與凍融循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性較好，且反映出兩者隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.

3 結(jié)論

(1)橡膠取代率對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓、劈裂強(qiáng)度影響明顯，但不成比例關(guān)系.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0、25及50次時(shí)，隨著取代率的增加，兩強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì).而循環(huán)次數(shù)為75及100次時(shí)卻呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，表明在較高凍融循環(huán)次數(shù)下，合理控制橡膠取代率有助于提高自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能.

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨之下降，表明橡膠自密實(shí)混凝土損傷越嚴(yán)重.橡膠取代率為5%時(shí)，橡膠自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度受凍融循環(huán)影響最小，變化速率相對(duì)緩慢.

(3)相同取代率條件下，橡膠自密實(shí)混凝土拉壓比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加大體呈下降趨勢(shì)；相同凍融條件下，橡膠自密實(shí)混凝土拉壓比隨橡膠取代率增加而增大，顯示出橡膠的存在有助于提高凍融狀態(tài)下自密實(shí)混凝土的抗裂性能.

(4)通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)回歸，給出了橡膠自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系式，且相關(guān)性較好，為橡膠自密實(shí)混凝土的抗凍耐久性研究提供參考.

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Study of Mechanical Properties of Rubberized Self-compacting Concrete Subjected to Freeze-thaw Cycle

ZHANG Weidong1, WANG Zhenbo2, HE Weizhong1

(1.School of Architecture and Civil Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huaian 223001，China; 2.College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009,China)

Through the freezing and thawing tests, the influence of replacement rate of rubber on mechanical properties of rubberized self-compacting concrete (RSCC) under different cycle times of freeze-thaw were studied. The results showed that the replacement rate of rubber had great influence on cubic compressive strength and split strength of RSCC under the same freeze-thaw cycle time,but not in proportional relation; cubic compressive strength and split strength of RSCC under the same replacement rate of rubber decreased with the freeze-thaw cycle times increasing. Based on the analysis of the test data, the change law between tension-compression ratio and freeze-thaw cycle times was given, and the relevant simple formula were regressed between cubic compressive strength，split strength and freeze-thaw cycle times. This study could serve as a reference for durability of RSCC under freezing and thawing environment.

rubberized self-compacting concrete; freeze-thaw cycle; replacement rate; cubic compressive strength; split strength

2016-05-30；

2016-07-19

江蘇省高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀骨干教師基金資助項(xiàng)目；淮安市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(HAS2014021-3)

張衛(wèi)東(1981— )，男，江蘇南通人，淮陰工學(xué)院副教授，主要從事新型建筑材料性能研究， E-mail：jsntzwd@163.com．

1671-6833(2017)02-0078-05

TU528.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.02.017