骨料類型及界面改善對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的影響

劉保東，馮明揚(yáng)，林柏歡，柴彥凱，賀文濤

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路、重載鐵路以及城市軌道交通發(fā)展迅速，在給人們生活、出行提供了巨大的交通便利的同時(shí)，沿線建筑物振動(dòng)和噪聲等環(huán)保問(wèn)題日漸凸顯，引起人們的廣泛關(guān)注[1-3]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者呼吁應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)過(guò)度依賴軌道部分減振的設(shè)計(jì)理念，并提出從降低線路結(jié)構(gòu)剛度、切斷振動(dòng)傳播途徑和通過(guò)增加阻尼、耗散振動(dòng)能量等途徑[3-4]，在綜合衡量行車安全、減振需求和成本效益的前提下，降低全線的環(huán)境振動(dòng)水平[5]。

橡膠混凝土(Crumb Rubber Concrete，CRC)是將儲(chǔ)量巨大且回收利用率較低的廢舊橡膠輪胎機(jī)械切割成橡膠粉或橡膠顆粒，并作為骨料加入普通混凝土(Normal concrete，NC)中制備而成。大量研究表明，橡膠混凝土阻尼耗能能力強(qiáng)[6-7]、能量吸收多、延性和抗沖擊性能好[8]，且具有良好的長(zhǎng)期性能[9]，不僅能大量利用廢舊橡膠輪胎，還為改善混凝土固有脆性提供了新思路。有學(xué)者嘗試將橡膠混凝土制作成整體道床[5]、軌枕[8]等來(lái)吸收列車運(yùn)行中的振動(dòng)能量，通過(guò)修建隔振溝及板樁墻[4]來(lái)減少列車的振動(dòng)和噪音[10]，以提高列車行車的穩(wěn)定性和乘客乘車舒適性，取得了良好的減振降噪效果，但實(shí)際應(yīng)用還較少。由于對(duì)橡膠混凝土受力機(jī)理的研究不夠透徹，在如何量化橡膠對(duì)新舊混凝土物理和力學(xué)性能的影響方面缺乏普遍共識(shí)[11]，加之橡膠的加入會(huì)在一定程度上降低混凝土強(qiáng)度和彈性模量，限制了橡膠混凝土的廣泛應(yīng)用。

諸多學(xué)者的研究表明，橡膠混凝土強(qiáng)度下降的原因是承力的剛性骨料減少和橡膠顆粒與混凝土基體間薄弱的界面結(jié)合[12-13]，并提出從限制橡膠骨料的摻入比例(最好不超過(guò)25%)和改善橡膠骨料接觸界面的黏結(jié)作用2個(gè)方面來(lái)恢復(fù)其強(qiáng)度。Ali R.Khaloo等[14]采用薄片型、顆粒型以及兩者混合的橡膠料以12.5%，25%，37.5%，50%等體積取代混凝土的礦物骨料，試驗(yàn)表明新拌橡膠混凝土的自重降低，工作性能的改變?nèi)Q于所取代骨料的粒徑。取代細(xì)骨料時(shí)，混凝土的工作性能尚可接受。試驗(yàn)結(jié)果顯示，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度以及彈性模量出現(xiàn)大幅下降，且呈現(xiàn)出一定的下降規(guī)律。而文獻(xiàn)[15]研究認(rèn)為不同顆粒尺寸對(duì)混凝土影響差別不大。Albano等[12]采用0.29和0.59 mm粒徑大小的橡膠骨料以5%和10%等質(zhì)量取代混凝土中的細(xì)骨料，此外還對(duì)橡膠料進(jìn)行了NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小粒徑橡膠顆粒更容易在表面處產(chǎn)生孔隙導(dǎo)致界面黏結(jié)作用減弱引起強(qiáng)度更大幅度的下降。另外還指出NaOH溶液或硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理對(duì)恢復(fù)橡膠混凝土強(qiáng)度沒(méi)有明顯結(jié)果。Youssf O等[16]試驗(yàn)探究了NaOH浸泡時(shí)間、硅粉添加量以及水泥含量對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明對(duì)橡膠骨料用NaOH溶液預(yù)處理0.5 h，不添加硅粉和350 kg·m-3的水泥含量為其強(qiáng)度最佳的提升方式，效果明顯。董素芬等[17]采用不同硅烷偶聯(lián)劑溶解于乙醇的方法對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行了處理改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻量為1.5%的KH560硅烷偶聯(lián)劑水溶液的界面改善效果以及經(jīng)濟(jì)性上綜合表現(xiàn)更好，橡膠混凝土28 d抗壓、抗折強(qiáng)度較改性前分別提高了9.0% 和30.6%，抗沖擊性提高了80%。文獻(xiàn)[18]得出，加入聚丙烯纖維以后，橡膠混凝土可靠性變差，最大應(yīng)變減小。纖維的引入對(duì)橡膠混凝土內(nèi)部帶來(lái)更多的瑕疵，造成了強(qiáng)度和剛度的下降?？朔畲髲?qiáng)度以后，纖維能夠阻止裂縫開裂和通過(guò)應(yīng)變(韌性)有效吸收能量。

以上分析表明，針對(duì)顆粒型橡膠骨料粒徑大小對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響有不同的結(jié)果，有必要開展粒徑組劃分更為細(xì)致的研究。以往學(xué)者嘗試通過(guò)多種措施來(lái)恢復(fù)橡膠混凝土的強(qiáng)度，但結(jié)果往往相差很大，有些甚至是相互矛盾的，現(xiàn)階段還未形成符合成本效益的技術(shù)改善方案。鮮有開展包含不同類型橡膠組成，在同一條件下的基本力學(xué)性能的對(duì)比分析。在利用機(jī)械和化學(xué)預(yù)處理以改善橡膠骨料與水泥基黏結(jié)性能方面還缺乏系統(tǒng)研究，且以往學(xué)者更多地從靜力學(xué)特性對(duì)相關(guān)界面改善措施進(jìn)行研究，少有文獻(xiàn)從材料層次對(duì)橡膠混凝土阻尼特性進(jìn)行研究。

本文通過(guò)試驗(yàn)研究橡膠類型、不同界面改善措施對(duì)橡膠混凝土的強(qiáng)度、靜動(dòng)彈模和材料阻尼比的影響規(guī)律，同時(shí)采用電鏡掃描手段得到橡膠混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，以分析橡膠混凝土強(qiáng)度、彈模下降的原因及阻尼機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用中國(guó)聯(lián)合水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂；粗骨料為最大粒徑不超過(guò)20 mm的級(jí)配碎石。減水劑采用TY-6A聚羧酸系高性能減水劑，減水率為20%。選取3種類型的橡膠骨料：①橡膠顆粒Rubber Particles，粒徑組分別為0.15～0.30，0.30～0.60，0.60～1.1，1.18～2.36和2.36～4.75 mm，為方便表述，記為“粒徑組-P”形式；②橡膠纖維Rubber Fiber，長(zhǎng)約20～30 mm，厚2 mm，記為F；③橡膠薄片Rubber Chips，尺寸為20 mm×20 mm×2 mm的菱形薄片，記為C。不同類型橡膠骨料形態(tài)如圖1所示。

圖1 不同類型橡膠骨料形態(tài)

此外，試驗(yàn)還設(shè)計(jì)了添加外摻料(硅粉和聚丙烯纖維)和使用堿性溶液(NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑)對(duì)橡膠骨料預(yù)處理的方法，用以改善橡膠骨料與其他介質(zhì)之間的界面黏結(jié)。硅粉粒徑為水泥粉末顆粒的1%，聚丙烯纖維密度為0.91 g·cm-3。NaOH溶液由工業(yè)燒堿薄片以10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶于水中制得；硅烷偶聯(lián)劑KH-550，屬于氨基硅烷，化學(xué)成分為NH2(CH2)3Si(OCH2CH5)3。

1.2 配合比及試件制備

以水灰比為0.4的C40級(jí)混凝土為基準(zhǔn)混凝土，將橡膠骨料以20%摻量等體積取代細(xì)骨料。橡膠混凝土配合比及界面改善措施見表1。

表1 橡膠混凝土配合比及界面改善措施

為保證橡膠混凝土試塊的制備質(zhì)量，需對(duì)橡膠骨料進(jìn)行水洗處理，清洗后攤開在自然通風(fēng)處晾干，試塊成型后在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)室溫度為(20±2)℃，濕度為95%。

1.3 試驗(yàn)方法

橡膠混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和靜力彈性模量按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

橡膠混凝土材料的固有頻率fn按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性能試驗(yàn)方法》通過(guò)DT-20動(dòng)彈儀掃頻激勵(lì)測(cè)定。掃頻范圍為100～10 kHz，測(cè)量誤差小于2%，頻率靈敏度為1 Hz，輸出功率為0～15 W。

(1)

橡膠混凝土的動(dòng)彈模由式(2)計(jì)算，每組以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件動(dòng)彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為測(cè)定值。

(2)

式中：Ed為混凝土動(dòng)彈性模量，MPa；a為試件截面邊長(zhǎng)，mm；L為試件的長(zhǎng)度，mm；m為試件的質(zhì)量，kg，精確到0.01 kg。

圖2 由頻率—反應(yīng)曲線求阻尼

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

橡膠混凝土與普通混凝土試塊加載破壞過(guò)程及最終破壞形態(tài)存在較大差別，具體表現(xiàn)在：橡膠混凝土立方體試塊加載過(guò)程中自棱角沿加載方向出現(xiàn)數(shù)條細(xì)裂紋并緩慢發(fā)展，極限破壞時(shí)聲音很悶或無(wú)明顯聲響，試塊完整性較好且無(wú)剝落掉塊現(xiàn)象，橡膠骨料粒徑越大，整體性越好。而普通混凝土在達(dá)到峰值荷載前無(wú)可視裂縫，到達(dá)極限荷載后裂縫沿棱角迅速出現(xiàn)并很快擴(kuò)展貫通，壓潰時(shí)聲音清脆，并伴有表面起皮、塊體剝落現(xiàn)象，破壞呈明顯脆性。橡膠混凝土與普通混凝土試塊受壓破壞形態(tài)如圖3所示。

與立方體試塊類似，橡膠混凝土棱柱體試塊破壞時(shí)，沿對(duì)角線形成數(shù)量較少的短而小的豎向裂縫，裂縫發(fā)展緩慢，且橡膠粒骨料粒徑越大，達(dá)到極限荷載后所承受的荷載下降越緩慢，最終破壞時(shí)完整性較好。而普通混凝土棱柱體試塊破壞時(shí)沿對(duì)角線形成主裂縫，表現(xiàn)為脆性破壞，并伴有大塊混凝土脫落破裂。分析原因是橡膠混凝土內(nèi)部黏彈性橡膠骨料能夠?qū)ν夂奢d起到一定緩沖作用，吸收部分能量，同時(shí)能夠緩解混凝土內(nèi)部空隙處的應(yīng)力集中，對(duì)裂縫的繼續(xù)發(fā)展起到阻礙作用，避免形成主裂縫。

圖3 橡膠混凝土立方體試塊受壓破壞形態(tài)

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，采用纖維型橡膠骨料的混凝土試塊，達(dá)到抗壓強(qiáng)度值之后，橡膠纖維能夠減緩裂縫發(fā)展，增加其韌性。而采用薄片型橡膠骨料的混凝土試塊，若薄片法線方向與裂縫發(fā)展方向平行，能起到阻裂作用，否則薄片表面會(huì)形成薄弱界面加快裂縫發(fā)展，但根據(jù)其抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)，薄片主要起阻裂作用。采用不同預(yù)處理方式或摻入硅粉對(duì)橡膠混凝土試塊的最終破壞形態(tài)并沒(méi)有太大影響。而摻入聚丙烯纖維的混凝土試塊，在試塊內(nèi)的橡膠顆粒和聚丙烯纖維的共同作用下，韌性得到一定幅度提升，能夠阻止混凝土在承受荷載時(shí)被“拉裂”。在達(dá)到極限荷載后，試塊抗壓強(qiáng)度具有較緩的下降段，完全壓潰時(shí)仍保留一定的完整性。

2.2 強(qiáng)度和彈性模量

2.2.1 橡膠骨料類型的影響

試驗(yàn)測(cè)得橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度和靜動(dòng)彈性模量見表2，同時(shí)將橡膠混凝土強(qiáng)度、動(dòng)靜力彈性模量隨橡膠骨料類型的變化如圖4所示。

由表2和圖4可以看出，就顆粒型橡膠混凝土而言，隨著橡膠粒徑的增大抗壓強(qiáng)度和靜彈模均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且明顯小于普通混凝土的強(qiáng)度和靜彈模，強(qiáng)度降低幅值為30.87%～46.51%，最佳粒徑組為0.60～1.18-P，靜彈模降低幅值為26.3%～31.9%，最佳粒徑組為0.30～0.60-P，但與0.60～1.18-P粒徑組數(shù)據(jù)也很接近，可見橡膠粒徑大小對(duì)強(qiáng)度的影響大于對(duì)彈性模量的影響，所以，當(dāng)橡膠混凝土用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)，應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度和阻尼耗能特性，選用連續(xù)級(jí)配的橡膠骨料。由表2還可以看出，纖維型和薄片型橡膠混凝土強(qiáng)度和靜彈模接近或超過(guò)最佳粒徑組的強(qiáng)度和彈模，但較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度降幅為30.87%～32.56%，靜彈模降幅為19.24%～21.77%。這是由于橡膠骨料外形的改變使它們?cè)诨炷两Y(jié)構(gòu)中的傳力機(jī)制發(fā)生變化，彌補(bǔ)了出現(xiàn)裂縫后顆粒型骨料因長(zhǎng)度不足而無(wú)法再通過(guò)界面摩阻力耗散外荷載的不足，在形成最大強(qiáng)度方面，纖維型橡膠混凝土能夠阻止裂紋開展和通過(guò)應(yīng)變(韌性)有效吸收能量，所以具有更高的強(qiáng)度和彈性模量。

表2 橡膠混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖4 橡膠骨料類型對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模的影響

圖5 橡膠混凝土彈性模量與強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系

由表2、圖4和圖5還可以看出，橡膠混凝土動(dòng)靜彈模隨橡膠骨料類型及各自強(qiáng)度變化規(guī)律基本相同，橡膠混凝土動(dòng)靜彈模比(Ed/Ec)范圍為1.03～1.47，除個(gè)別批次外，均普遍大于普通混凝土動(dòng)靜彈模比1.04，說(shuō)明橡膠混凝土較普通混凝土有較好的阻礙振動(dòng)傳遞和減振效果。

2.2.2 界面改善的影響

圖6給出了不同改性措施下橡膠混凝土的強(qiáng)度和彈模。由表2及圖6可以看出，用經(jīng)NaOH溶液預(yù)處理的橡膠粒制備的橡膠混凝土其強(qiáng)度和靜彈模較經(jīng)清水處理過(guò)的橡膠粒制備的橡膠混凝土分別提高5.50%和4.75%，而用經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的橡膠粒制備的橡膠混凝土強(qiáng)度和靜彈模均分別下降35.78%和41.02%，這與NaOH溶液預(yù)處理方法能夠部分清除橡膠表面的憎水性物質(zhì)，改善橡膠骨料與其他骨料的黏結(jié)作用有關(guān)，但作用效果有限。在橡膠混凝土中添加硅粉或聚丙烯纖維作為外摻料使其強(qiáng)度分別下降3.67%和3.98%，添加硅粉使橡膠混凝土靜力彈性模量增加4.07%，而添加聚丙烯纖維使靜力彈模下降約9.15%，表明摻入硅粉或聚丙烯纖維對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和靜力彈模的提高無(wú)顯著提高作用。

圖6 改性措施對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模的影響

2.3 材料阻尼

2.3.1 橡膠骨料類型的影響

試驗(yàn)中測(cè)試到的擾動(dòng)頻率范圍及由擾動(dòng)頻率計(jì)算得到的橡膠混凝土阻尼比見表3。繪制橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、阻尼比隨橡膠骨料類型變化關(guān)系如圖7所示。

表3 橡膠混凝土阻尼比

由表3可以看出，采用不同類型橡膠骨料的橡膠混凝土阻尼比范圍是0.77%～0.98%，普遍高于基準(zhǔn)混凝土的0.46%，增幅高達(dá)67.39%～76.09%，可見橡膠混凝土較普通混凝土具有較高的阻尼比，且改變橡膠外形對(duì)橡膠混凝土的阻尼比影響不大。需要指出試驗(yàn)中所測(cè)為試件材料阻尼，其值遠(yuǎn)小于一般抗震規(guī)范規(guī)定的5%的阻尼比取值，這是因?yàn)闆](méi)有計(jì)入其他阻尼耗能因素如摩擦耗能和輻射能量等所致[23]，所測(cè)阻尼比是材料各組分構(gòu)成的直觀阻尼反映。

由圖7所示的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、阻尼比隨橡膠粒徑變化關(guān)系可以看出，在橡膠粒徑較小時(shí)，橡膠混凝土阻尼比隨強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性，但當(dāng)粒徑增大到一定程度后，表現(xiàn)為與普通混凝土類似的規(guī)律即阻尼比隨強(qiáng)度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，有隨著強(qiáng)度增大而降低的趨勢(shì)。

圖7 橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、阻尼比隨橡膠粒徑變化關(guān)系

2.3.2 界面改善的影響

圖8為不同改性措施下橡膠混凝土阻尼比。由表3及圖8還可以看出，用經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理的橡膠骨料制備的橡膠混凝土其阻尼比較對(duì)照組基本未出現(xiàn)較大變化；用經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的橡膠骨料所制備的混凝土其阻尼比較對(duì)照組有了24.05%的增長(zhǎng)，而如前文所述未見其抗壓強(qiáng)度和彈模有較大增長(zhǎng)，說(shuō)明采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)橡膠骨料預(yù)處理并不能對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能有較大的改善，但會(huì)對(duì)阻尼耗能能力有一定幅度的提升。摻入硅粉后，橡膠混凝土阻尼比由0.79%減小至0.70%，說(shuō)明橡膠混凝土的阻尼性能在摻入硅粉后略有下降。而摻入聚丙烯纖維的橡膠混凝土阻尼比由0.79%減小至0.75%，對(duì)材料阻尼影響很小。

圖8 改性措施對(duì)橡膠混凝土阻尼比的影響

2.4 機(jī)理分析

2.4.1 強(qiáng)度、彈模下降機(jī)理

為研究橡膠混凝土強(qiáng)度及彈模下降機(jī)理，對(duì)經(jīng)過(guò)軸壓強(qiáng)度測(cè)試后的典型試件進(jìn)行電鏡掃描得到橡膠粒與水泥漿界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)電鏡掃描圖，如圖9所示。

橡膠混凝土電鏡掃描圖顯示裂紋最早發(fā)生于橡膠粒與水泥漿體周圍的空隙、孔洞處，承力過(guò)程中水泥漿與橡膠骨料錯(cuò)位造成裂紋發(fā)展擴(kuò)大，斷面很少見到橡膠骨料被整體分離或局部斷裂，通常是橡膠骨料被拔出的形式(如圖9(a)所示)[13]；在橡膠骨料周圍沒(méi)有觀察到任何黏結(jié)過(guò)渡層(如圖9(b)所示)，甚至沒(méi)有觀察到黏附在界面上的輪胎材料斑塊，說(shuō)明界面黏結(jié)強(qiáng)度較弱，這與橡膠骨料的憎水性有關(guān)。分析橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模下降的原因有：一方面，用橡膠骨料取代細(xì)骨料使混凝土孔隙率增加，承力骨料減小，加之橡膠骨料、剛性骨料和水泥漿體之間的強(qiáng)度、彈模相差較大，一旦承載，按照剛度分配原則，橡膠骨料具有黏彈性幾乎不承力，水泥漿體必將先破碎，且裂紋始于橡膠骨料周圍；另一方面，缺少可靠的界面黏結(jié)及應(yīng)力傳遞層，橡膠骨料和水泥漿體之間的應(yīng)力傳遞只能依靠機(jī)械咬合，加之由于橡膠骨料一般由機(jī)械切割而成，切割過(guò)程中造成的橡膠骨料切入變形和擠壓延性變形使橡膠骨料尖端和水泥漿之間會(huì)有很多微裂紋和孔洞缺陷的存在，圖9(c)和(d)中展示的橡膠粒四周和水泥漿、橡膠粒連接過(guò)渡區(qū)的微觀圖像也證實(shí)了這一點(diǎn)，由于橡膠粒與水泥漿體之間的界面黏結(jié)比水泥漿體與粗骨料之間的界面黏結(jié)更薄弱，也使得裂縫往往在該區(qū)域發(fā)展[24]。

關(guān)于不同骨料種類對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模的影響，筆者認(rèn)為橡膠骨料種類主要影響橡膠骨料與水泥漿基體之間的機(jī)械咬合力和界面過(guò)渡區(qū)最小厚度，且這種機(jī)械咬合力隨著橡膠骨料的表面紋理粗糙和不規(guī)則形狀而增大，而界面過(guò)渡區(qū)最小厚度隨著橡膠骨料粒徑的增大和形狀的不規(guī)則而減小，進(jìn)而影響界面黏結(jié)強(qiáng)度。建議橡膠混凝土在生產(chǎn)中使用級(jí)配粒徑組。

關(guān)于界面改善措施對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模的影響，由圖10所示不同改性措施下橡膠骨料的電鏡掃描圖可以看出，硅烷偶聯(lián)劑的改性成功實(shí)現(xiàn)了橡膠顆粒與水泥漿基體之間的偶聯(lián)(圖10(c))，兩者之間的界面結(jié)合狀況得到改善，使橡膠?？梢愿玫刈柚够炷林形⒘鸭y的擴(kuò)展(圖10(d))。未改性的橡膠顆粒與水泥漿體之間幾乎沒(méi)有接觸而是產(chǎn)生了1條溝痕[25](圖10(a))。但硅烷偶聯(lián)劑未實(shí)現(xiàn)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模有較大的改觀，這可能與硅烷偶聯(lián)劑摻量較少有關(guān)。經(jīng)過(guò)NaOH溶液預(yù)處理表面油性憎水物質(zhì)得到洗滌除凈，截面結(jié)合狀態(tài)也得到一定的改善(圖10(b)所示)，使橡膠混凝土強(qiáng)度和彈模有一定幅度的提升。

圖9 橡膠粒微觀形態(tài)及界面過(guò)渡區(qū)

圖10 改性措施對(duì)橡膠骨料的影響

由以上的機(jī)理分析可知，骨料表面光滑的紋理以及骨料與水泥漿體之間的較大剛度差異是影響橡膠混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。下一步的改性應(yīng)從平衡水泥漿體與橡膠骨料間的剛度差異(如采用硅烷偶聯(lián)劑+硅粉包裹橡膠粒的方法[26])和選擇優(yōu)質(zhì)黏結(jié)材料來(lái)增強(qiáng)界面聯(lián)系(如添加反應(yīng)類纖維PVA材料[27])入手。

2.4.2 阻尼耗能機(jī)理

盡管學(xué)者們對(duì)普通混凝土的阻尼耗能機(jī)理的認(rèn)識(shí)不盡相同，但更多的學(xué)者認(rèn)為混凝土材料受到振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間甚至相之間產(chǎn)生摩擦和振動(dòng)，振動(dòng)能與內(nèi)部孔壁發(fā)生摩擦等，骨料與水泥漿體之間的界面微裂縫在受到振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生閉合、擴(kuò)張、滑移，從而使振動(dòng)能被衰減[28]。薄弱界面、孔隙和裂縫等缺陷是影響混凝土材料阻尼的重要因素[29]。除了普通混凝土的各耗能因素外，橡膠混凝土振動(dòng)中橡膠高分子鏈段的伸縮運(yùn)動(dòng)增加了鏈段間的內(nèi)摩擦作用，將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗能量；橡膠骨料的加入替換了部分的勁性承力骨料，混凝土內(nèi)部孔隙率增加，橡膠骨料在混凝土內(nèi)部起到柔性緩沖作用；橡膠骨料的加入帶來(lái)了更多的界面初始裂紋，使橡膠骨料與水泥漿界面連接較薄弱，振動(dòng)中界面間摩擦作用耗能增加，以上這些因素使橡膠混凝土具有較好的阻尼耗能能力。

3 結(jié) 論

(1)橡膠骨料的加入能夠減緩裂紋發(fā)展，使混凝土破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐模?0%體積摻量下，橡膠混凝土材料阻尼比范圍為0.77%～0.81%，較普通混凝土增加67.39%～76.09%，動(dòng)、靜彈模比范圍為1.03～1.25，較普通混凝土提升3.85%～20.19%，說(shuō)明橡膠混凝土不僅能通過(guò)材料阻尼主動(dòng)耗散輸入的振動(dòng)能量，還能夠阻礙振動(dòng)傳遞，具有減振效果。

(2)橡膠骨料類型對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和彈性模量有一定影響，但對(duì)材料阻尼比影響較小，綜合考慮強(qiáng)度、彈模和阻尼比，最佳粒徑組范圍為1.18～2.36 mm。采用NaOH溶液對(duì)橡膠骨料預(yù)處理有助于橡膠混凝土的強(qiáng)度和彈模的恢復(fù)，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)橡膠骨料預(yù)處理有助于材料阻尼比的提升。

(3)橡膠骨料與水泥漿體、剛性骨料之間的彈模差異，薄弱的界面連接和橡膠骨料周圍孔洞、裂紋是造成橡膠混凝土力學(xué)性能低于普通混凝土的原因，但同時(shí)也是其具有較高阻尼耗能優(yōu)勢(shì)的因素。硅烷偶聯(lián)劑的改性機(jī)理是能夠?qū)崿F(xiàn)橡膠骨料與水泥漿體之間的偶聯(lián)，NaOH溶液的改性機(jī)理是能夠清除橡膠骨料表面的憎水性物質(zhì)，二者都能改善界面結(jié)合狀況。

鑒于橡膠混凝土較好的阻尼耗能和減振能力，可將其應(yīng)用于對(duì)強(qiáng)度、彈模要求不是很高但對(duì)耗能、減振等有特殊需求的軌道路基、道床、隔振溝、阻振障、板樁墻、鐵路及地鐵站臺(tái)、隧道襯砌和鐵路緩沖區(qū)等結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，值得推廣。