橡膠混凝土低溫軸心抗壓及抗折性能試驗研究*

薛 剛， 孫立所， 許 勝

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010)

0 引言

近年來，中國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，廢舊輪胎產(chǎn)量大幅度增加。在自然條件下，廢舊輪胎橡膠是一種極難降解的固體聚合物，廢舊橡膠的回收及再利用已經(jīng)成為我國急需解決的問題。將橡膠顆粒摻入到混凝土中是廢舊橡膠利用的有效方式，混凝土中摻入橡膠顆粒后，可以提高混凝土的韌性、抗凍性能和減震性能等。Alan Richardson等[1]研究不同橡膠粒徑對混凝土抗壓強(qiáng)度和凍融耐久性的影響，結(jié)果表明，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和橡膠顆粒尺寸之間沒有明顯的相關(guān)性，當(dāng)橡膠粒徑小于0.5mm時，橡膠混凝土的抗凍性較好。李響等[2]進(jìn)行超低溫下混凝土本構(gòu)關(guān)系試驗研究，結(jié)果表明，隨著溫度降低，混凝土的峰值應(yīng)變減小，彈性模量呈增大趨勢。時旭東等[3]進(jìn)行受壓試驗，結(jié)果表明，不同低溫下混凝土立方體受壓破壞形態(tài)相似，隨著溫度的降低，受壓破壞變得越來越突然。張楠等[4]比較兩種低溫力學(xué)性能試驗方法，結(jié)果表明，在低溫環(huán)境進(jìn)行低溫力學(xué)性能試驗更合理。劉方等[5]將橡膠摻入到混凝土中進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明與普通混凝土相比，橡膠混凝土的韌性可以提高11%。王軍軍等[6]采用橡膠顆粒等體積取代砂，研究不同橡膠摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著橡膠摻量的增加而降低。袁群等[7]研究橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能，結(jié)果表明，橡膠顆粒摻入到混凝土中，使橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度降低，但可改善混凝土的抗凍性能。廖國維等[8]研究橡膠摻量和粒徑對低摻量橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，結(jié)果表明，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。王婷雅等[9]測試混凝土常溫和低溫下的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，低溫下橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度較常溫提高。李贊成[10]等研究橡膠粒徑、摻量對橡膠混凝土折壓比的影響，結(jié)果表明，橡膠混凝土的破壞特征與普通混凝土相比表現(xiàn)出更好的延性。喬衛(wèi)國等[11]利用正交試驗法研究橡膠顆粒種類、摻量、水灰比和砂率對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的次序，研究表明，水灰比和橡膠摻量是影響橡膠混凝土強(qiáng)度的主要因素。李厚民等[12]在橫梁與立柱的交界部位使用橡膠混凝土，測試了結(jié)構(gòu)承載力、跨中應(yīng)變、立柱應(yīng)變、跨中位移隨橡膠混凝土使用量的變化規(guī)律，結(jié)果表明，橡膠混凝土在橫梁與立柱交界部位的使用對結(jié)構(gòu)的變形有較大的影響并且不降低框架結(jié)構(gòu)的承載力。

與常溫力學(xué)性能研究相比，目前，橡膠混凝土低溫力學(xué)性能研究較少。我國冬季大多數(shù)地區(qū)氣溫很少會突破-30℃，為此本文選擇-30℃作為低溫代表進(jìn)行試驗研究。為橡膠混凝土在寒冷地區(qū)的應(yīng)用及設(shè)計提供數(shù)據(jù)指標(biāo)的參考，擴(kuò)大橡膠混凝土的應(yīng)用范圍。

1 試驗原材料及試驗配合比

1.1 試驗材料

(1)水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥。其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 P·O 42.5R水泥的性能指標(biāo)

(2)粗骨料采用石灰?guī)r碎石，其物理性能如表2所示。

表2 粗骨料物理性能

(3)細(xì)骨料采用河砂，其物理性能如表3所示。

表3 細(xì)骨料物理性能

(4)橡膠顆粒粒徑為1.7～4mm，堆積密度為610 kg/m3，表觀密度為1 050 kg/m3，由廢舊橡膠輪胎加工制成，技術(shù)指標(biāo)如表4所示，橡膠顆粒外觀形貌如圖1所示。

表4 橡膠顆粒的技術(shù)指標(biāo)

圖1 橡膠顆粒

1.2 試驗配合比

設(shè)計強(qiáng)度等級為C40的混凝土。使用橡膠顆粒5～10目，分別以0%，10%，20%，30%的摻量等體積取代砂。配合比參考文獻(xiàn)[13]，如表5所示。

表5 橡膠混凝土配合比

1.3 試件制作方法

根據(jù)規(guī)范[14]測試混凝土的坍落度，并按實際情況適量添加減水劑，使橡膠混凝土的坍落度滿足規(guī)范要求。將拌和好的混凝土同批次放入試模中，振搗夯實后，在常溫下放置24h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d。試件分為兩組，分別在常溫和低溫下進(jìn)行試驗。其中軸心抗壓試驗每組試件36個，試件為尺寸150mm×150mm×300mm的棱柱體；抗折試驗每組試件36個，試件為尺寸100mm×100mm×400mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件。

2 橡膠混凝土棱柱體低溫軸壓性能試驗研究

2.1 試驗方法

張楠等[4]研究表明，0℃和-40℃時，將混凝土試件降溫至目標(biāo)溫度后在常溫環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)測試與直接將混凝土試件置入低溫環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)測試的強(qiáng)度結(jié)果差異并不明顯。本文低溫試驗是將試件放入-30℃的工業(yè)冰箱中冷凍72h后立即取出進(jìn)行試驗，工業(yè)冰箱如圖2所示。跟據(jù)普通混凝土軸心抗壓試驗標(biāo)準(zhǔn)，對試件進(jìn)行軸心抗壓試驗。低溫下應(yīng)變片采用冷凍后粘貼，應(yīng)變片采取雙面中心對稱布置方式來測縱向變形，如圖3所示；使用液壓試驗機(jī)加載如圖4所示；使用動態(tài)應(yīng)變儀采集試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖2 工業(yè)冰箱

圖3 應(yīng)變片布置圖

圖4 液壓伺服加載系統(tǒng)

圖5 數(shù)據(jù)采集儀

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

考慮到采集低溫-30℃下應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€時試驗時間超過10min，外界環(huán)境溫度對試驗的影響則不可忽略，本文試驗只采集了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段。根據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)做出橡膠混凝土相同橡膠摻量不同水膠比的橡膠混凝土的常溫和低溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段見圖6～9。由圖6～9可以看出，低溫和常溫下橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的趨勢基本一致，先是直線上升，后慢慢變得平緩。常溫20℃時，同種橡膠摻量，隨著水膠比的增大試件強(qiáng)度值降低。低溫-30℃時，同種橡膠摻量，隨著不同水膠比變化試件強(qiáng)度也在改變，低溫下橡膠混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變較常溫下都有較大幅度提高，每種橡膠摻量下應(yīng)力和應(yīng)變提高幅度都略不相同。

圖6 橡膠摻量為0%時混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 橡膠摻量為10%時混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 橡膠摻量為20%時混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 橡膠摻量為30%時混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

本文試驗參照規(guī)范[15]中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，橡膠混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度按式(1)計算。常溫下橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和低溫-30℃下橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度具體數(shù)值見表6。從表中可以看出，水膠比為0.35時，基準(zhǔn)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加20.9%，橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加28.9%。水膠比為0.40時，基準(zhǔn)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加30.5%，橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加49.5%。水膠比為0.45時，基準(zhǔn)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加44.1%；橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加53.7%。同種橡膠摻量的橡膠混凝土，水膠比越小，軸心抗壓強(qiáng)度較常溫增加得越小。

fc=F/A

(1)

表6 橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

式中：fc為橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面面積，mm2。

常溫20℃下，隨橡膠摻量增加，不同水膠比對橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖10。從圖10可以看出，不同水膠比的橡膠混凝土，隨著橡膠摻量的增加，抗壓強(qiáng)度變化趨勢相同，呈逐漸下降趨勢。低溫-30℃下橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度變化趨勢見圖11。由圖11可以看出，橡膠摻量相同時，其低溫下不同水膠比的橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值相差不大。隨著橡膠顆粒的摻入，其強(qiáng)度下降明顯，下降趨勢趨于緩和。對比圖9、圖10可以看出，低溫下橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度變化趨勢和常溫下的趨勢幾乎吻合，即隨橡膠摻量的增加，強(qiáng)度逐漸下降。

圖10 常溫20℃下橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

圖11 低溫-30℃下橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

2.4 低溫下軸心受壓試件破壞形態(tài)

圖12為低溫-30℃下水膠比為0.40的不同橡膠摻量的混凝土軸心受壓試件的破壞狀態(tài)圖。從圖中可以看出，受壓試件均為縱向裂紋的劈裂破壞。隨著橡膠摻量增大，極限荷載下試件外形完整性不斷增加。主要是橡膠顆粒在低溫下收縮性較大，但彈性并沒有因低溫而減弱，因此隨著橡膠摻量的增加，提高了混凝土在極限荷載下保持完整性的能力。

圖12 低溫-30℃下軸心受壓試件破壞狀態(tài)

3 橡膠混凝土低溫抗折性能試驗研究

3.1 試驗方法

試驗參照規(guī)范[15]中三分點彎曲試驗法，抗折試驗示意圖如圖13所示，試驗裝置見圖14。

圖13 抗折試驗示意圖

圖14 抗折試驗裝置圖

3.2 抗折試件破壞形態(tài)

圖15為低溫-30℃下水膠比為0.40的不同橡膠摻量的橡膠混凝土抗折試件的破壞狀態(tài)圖。從圖中可以看出，抗折試件均在中間區(qū)段破壞。隨著橡膠摻量增大，極限荷載下試件保持連接狀態(tài)的能力越好。是因為橡膠顆粒本身具有很好的彈性，其加入到混凝土中猶如微小的彈性體分布在混凝土砂漿內(nèi)部，當(dāng)試件受到較大彎拉荷載作用時，橡膠顆粒對裂紋在水泥砂漿的擴(kuò)展起到了一定的阻礙作用，增加了其變形，使其保持完整性。

圖15 低溫-30℃下試件彎折破壞狀態(tài)

3.3 抗折強(qiáng)度

橡膠混凝土試件的抗折強(qiáng)度按式(2)計算，試件的抗折強(qiáng)度值乘以修正系數(shù)0.85。常溫20℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度和低溫-30℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度具體數(shù)值見表7。從表中可以看出：水膠比為0.35時，基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度較常溫增加20.2%，橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較常溫增加29.7%。水膠比為0.40時，基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度較常溫增加36.7%，橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較常溫增加42.8%。水膠比為0.45時，基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度較常溫增加53.4%；橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較常溫增加52.9%。同種橡膠摻量的橡膠混凝土，水膠比越小，抗折強(qiáng)度較常溫增加得越小。

表7 橡膠混凝土抗折強(qiáng)度

(2)

式中：ff為橡膠混凝土抗折強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

常溫20℃下，不同橡膠摻量和不同水膠比對橡膠混凝土抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖16所示。從圖中可以看出，隨著橡膠摻量的增加，抗折強(qiáng)度逐漸下降，下降趨勢越來越快。橡膠摻量相同時，水膠比越小，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度越大。低溫-30℃下，不同橡膠摻量和不同水膠比對橡膠混凝土抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖17所示。從圖中可以看出，-30℃時，橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度值明顯低于基準(zhǔn)混凝土。橡膠摻量相同時，隨著水膠比的增大，低溫下橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度值越大。

圖16 常溫20℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度

圖17 低溫-30℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度

3.4 折壓比

折壓比即混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值，可作為評價混凝土材料韌性的一個指標(biāo)。混凝土折壓比越大，脆性越小，韌性越好。其計算結(jié)果如表8和表9所示。由表8可以看出，常溫下，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的折壓比在逐漸增大，這說明隨著橡膠摻量的增加，混凝土的脆性降低，延性增強(qiáng)。

表8 常溫20℃下橡膠混凝土折壓比

由表9可以看出，低溫-30℃下，隨著橡膠摻量的增加，不同水膠比的橡膠混凝土折壓比逐漸增大，這說明隨著橡膠摻量的增加，混凝土的脆性降低，延性增強(qiáng)。對于同種橡膠摻量的混凝土，水膠比越小，折壓比越大，即水膠比越小，脆性增強(qiáng)，延性變差。

對比表8和表9，可發(fā)現(xiàn)，低溫-30℃時橡膠混凝土的折壓比與常溫20℃相比數(shù)值上略有增加，脆性變化不大。橡膠摻量相同時，低溫下橡膠混凝土的折壓比受水膠比的影響更加明顯，表現(xiàn)為，橡膠摻量相同時，水膠比越大，混凝土的韌性相對越好。

表9 低溫-30℃下橡膠混凝土折壓比

4 結(jié)論

本文進(jìn)行不同水膠比和不同橡膠摻量的橡膠混凝土軸心抗壓性能試驗和抗折性能試驗，基于試驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)橡膠摻量相同時，低溫下，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變較常溫下都有較大幅度提高。水膠比相同時，隨著橡膠摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越來越平緩，即在相同應(yīng)力下，橡膠摻量越多，應(yīng)變越大。

(2)常溫下，隨著橡膠摻量的增加，抗折強(qiáng)度逐漸下降，下降趨勢越來越快。橡膠摻量相同時，水膠比越小，橡膠混凝土抗折強(qiáng)度越大。低溫下，橡膠摻量相同時，隨著水膠比的增大，低溫下橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度值較常溫下橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度值越大。

(3)常溫下，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的折壓比在逐漸增大，這說明隨著橡膠摻量的增加，混凝土的脆性降低，延性變好。低溫下，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土折壓比的變化趨勢和常溫下一致，即隨橡膠摻量的增加，折壓比逐漸增大。低溫下橡膠混凝土的折壓比受水膠比的影響更加明顯，表現(xiàn)為，橡膠摻量相同時，水膠比越大，混凝土的韌性相對越好。