于 群, 孫明博, 楊 敏

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

橡膠混凝土是一種新型復(fù)合材料,與普通混凝土相比,其具有質(zhì)量輕、抗沖擊性好、抗凍性能好等優(yōu)點[1-5].但由于橡膠顆粒表面和水泥砂漿結(jié)合面的性能較差,橡膠混凝土的強度一般低于普通混凝土,為解決這一問題,國內(nèi)外學(xué)者采用了多種預(yù)處理方式對橡膠顆粒進行預(yù)處理,以增強橡膠顆粒與水泥砂漿的結(jié)合面強度,并得出了預(yù)處理后抗壓強度能夠提高的普遍性結(jié)論[1]80.

本文在已有研究基礎(chǔ)上,從預(yù)處理方式的經(jīng)濟性和工程適用性的角度出發(fā),選取了具有代表性的清水、無機溶液(NaOH溶液)、有機溶液(CCl4溶液)等三種預(yù)處理方式,系統(tǒng)研究了不同預(yù)處理方式對不同橡膠粒徑和摻量的橡膠混凝土工作性能和抗壓強度的影響規(guī)律,以期為橡膠顆粒預(yù)處理方式的選取提供參考借鑒.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

(1) 水泥. 遼寧本溪山水實業(yè)有限公司生產(chǎn)的工源牌42.5級普通硅酸鹽水泥;

(2) 細骨料. 普通河砂,最大粒徑為5 mm,連續(xù)級配,表觀密度為2 540 kg/m3;

(3) 粗骨料. 碎石,粒徑為5～25 mm,連續(xù)級配,級配合格,表觀密度為2 780 kg/m3;

(4) 粗橡膠粒(膠粒a). 沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為2～4 mm的廢舊輪胎粗橡膠粒,表觀密度為1 250 kg/m3;

(5) 細橡膠粒(膠粒c). 沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為60～80目的廢舊輪胎細橡膠粒,表觀密度為890 kg/m3;

(6) 外加劑. 山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的UNF-1型萘系高效減水劑,減水率的質(zhì)量分數(shù)為16%;

(7) 化學(xué)試劑. 沈陽市新化試劑廠生產(chǎn)的NaOH溶液、CCl4溶液;

(8) 水. 自來水.

1.2 試驗配合比

基準(zhǔn)混凝土設(shè)計強度為C45,水膠質(zhì)量比取0.39,減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.75%.橡膠混凝土是將不同處理方式的廢舊橡膠顆粒分別按10%、20%等體積取代細骨料摻加到基準(zhǔn)混凝土中,具體配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Proportions of concrete mix

注: CC表示基準(zhǔn)混凝土;CRC表示橡膠混凝土;編號中的1～17表示組號.

1.3 試驗方法

試驗共設(shè)計17組,51個試件,試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件.第1組為基準(zhǔn)混凝土,即未摻加橡膠顆粒;第2～5組為未處理橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒未作任何處理;第6～9組為清水改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用清水浸泡2 h后自然曬干;第10～13組為無機溶液改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用質(zhì)量分數(shù)為3%的NaOH溶液浸泡2 h后用水反復(fù)沖洗,自然曬干;第14～17組為有機溶液改性的橡膠混凝土,即摻加的橡膠顆粒先用CCl4溶液潤濕,靜置2 h后用水反復(fù)沖洗,自然曬干.

混凝土試件均采用機械攪拌、機械振實,依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)測試混凝土的立方體抗壓強度,試驗機為長春新特試驗機有限公司生產(chǎn)的YAW-3000型微機控制電液伺服壓力試驗機.

2 試驗現(xiàn)象

在混凝土拌合物制作過程中,隨著粗橡膠粒摻量的增多,拌合物的流動性明顯增強,而隨細橡膠粒摻量的增多,拌合物的流動性明顯減弱,但拌合物的保水性和黏聚性均可保持良好狀態(tài).

在試件加載過程中,橡膠混凝土出現(xiàn)的彈性與塑性的臨界點明顯比普通混凝土要高,且隨著橡膠摻量的增多,其臨界值越大.在試件達到極限載荷之前,發(fā)現(xiàn)裂縫均從試件四周表面沿縱向發(fā)展,并逐步沿橫向向中間擴展,但橡膠混凝土試件表面的裂縫存在明顯的中斷現(xiàn)象,且橡膠混凝土比普通混凝土的裂縫要短、多.在試件達到極限載荷后,普通混凝土突然破壞,有明顯的坍塌聲,而橡膠混凝土無明顯的破壞聲,破壞時仍然保持較好的完整性,且隨著橡膠摻量增多和粒徑增大,其完整性越好,混凝土試件破壞形態(tài)對比如圖1所示.

圖1 混凝土試件破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of concrete samples(a)—CC1試件; (b)—CRC10試件; (c)—CRC11試件.

試驗完成后,掰開破壞的試件發(fā)現(xiàn):①普通混凝土試件內(nèi)部密實性較好,而橡膠混凝土破壞面存在較多的裂縫和孔洞;②未預(yù)處理的橡膠混凝土試件有少量的橡膠顆粒散落在混凝土內(nèi)部,其破壞面上只有少許橡膠顆粒存在撕裂現(xiàn)象;③經(jīng)不同預(yù)處理的橡膠混凝土試件中,橡膠顆粒與水泥漿粘結(jié)較緊密,其破壞面存在明顯的橡膠撕裂現(xiàn)象,在CCl4溶液預(yù)處理的橡膠混凝土中尤為明顯;④摻粗橡膠粒混凝土的破壞面凹凸不平,且存在較多小塊,而摻細橡膠?；炷恋钠茐拿姹容^平整,面積較大.

3 試驗結(jié)果

3.1 工作性能

各組混凝土的坍落度試驗結(jié)果對比如圖2所示,由圖2可知:①隨著粗橡膠粒摻量的增多,混凝土拌合物的坍落度明顯增大,而隨著細橡膠粒摻量的增多,混凝土拌合物的坍落度逐漸減小.② 總體來看, 經(jīng)預(yù)處理的橡膠混凝土工作性能明顯好于未處理橡膠混凝土的工作性能,對粗橡膠粒組,NaOH溶液的改善效果最明顯,而CCl4溶液預(yù)處理組的工作性能反而有小幅下降;對細橡膠粒組,CCl4溶液預(yù)處理改善效果最好,而NaOH溶液預(yù)處理在體積摻量為20%時坍落度小于未處理組;清水處理對工作性能的改善較為穩(wěn)定,但改善幅度不大.

圖2 混凝土拌合物坍落度對比Fig.2 Comparison of the slumps of concrete mixture

3.2 抗壓強度

不同預(yù)處理方式下的混凝土抗壓強度對比如圖3所示,各組試件的抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示.由圖3和表2可得出以下結(jié)論:①摻入橡膠顆粒后,混凝土的強度較基準(zhǔn)混凝土均呈現(xiàn)出不同程度的降低;②與摻入未預(yù)處理橡膠顆粒組相比,橡膠顆粒經(jīng)處理后混凝土的抗壓強度均有所提高;③當(dāng)采用清水或NaOH溶液預(yù)處理時,摻入粗橡膠粒的混凝土強度提高明顯,而摻細橡膠粒的混凝土強度改善不大;采用CCl4溶液預(yù)處理時,無論摻入粗或細橡膠粒,混凝土的強度均明顯提高.

圖3 混凝土立方體抗壓強度對比Fig.3 Comparison of the compressive strength of concrete cube

表2 混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果Table 2 The test results of concrete cube compressive strength

4 作用機理分析

結(jié)合試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果,分析認為由于橡膠顆粒的摻入,改變了集料與水泥砂漿的界面形態(tài),因橡膠本身的特性,使水泥砂漿-橡膠集料形成更為薄弱的界面,即所謂的“弱界面”[6-7].

通過對廢舊橡膠顆粒表面進行預(yù)處理,可有效促進橡膠顆粒表面與水泥砂漿發(fā)生物理或化學(xué)作用.如用水沖洗將橡膠顆粒表面的雜質(zhì)除掉,增加了橡膠顆粒與砂漿的接觸;用NaOH溶液對橡膠粒進行浸泡處理,使橡膠表面的有害物質(zhì)硬脂酸鋅溶解;用四氯化碳等有機溶劑對橡膠進行預(yù)處理,增強了橡膠與水泥膠體的相容性.故此,經(jīng)預(yù)處理橡膠顆粒,增強了橡膠顆粒與水泥砂漿的粘結(jié),從而導(dǎo)致強度下降程度減弱.

5 結(jié) 語

通過對橡膠顆粒進行不同的預(yù)處理,可以改善橡膠混凝土的工作性能,提高橡膠混凝土的抗壓強度.對于摻入粗橡膠粒的混凝土,采用NaOH溶液預(yù)處理對混凝土工作性能和抗壓強度改善效果最優(yōu);對摻入細橡膠粒的混凝土,CCl4溶液預(yù)處理則為最佳方案.此外,在選擇預(yù)處理方式時,除性能改善效果外,尚應(yīng)考慮預(yù)處理方式的處理成本、工藝流程和環(huán)境影響等因素,根據(jù)需求進行確定.

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