于 群, 鄭忠一, 趙 璇, 王培竹(沈陽大學 . 建筑工程學院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

橡膠集料混凝土凍融循環(huán)后的力學性能

于 群a,b, 鄭忠一a, 趙 璇a, 王培竹a
(沈陽大學 a. 建筑工程學院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

采用橡膠粒等體積取代細骨料制成橡膠混凝土,試驗研究了不同橡膠粒徑(5～8目、30～40目、60～80目)和不同橡膠粒摻量(體積分數(shù)為5%、10%、15%)對混凝土凍融循環(huán)后力學性能的影響規(guī)律.試驗研究結果表明,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,各組混凝土試塊強度呈下降趨勢,橡膠粒的摻入可有效減緩強度下降幅度,各組橡膠混凝土試塊相對強度均大于基準混凝土,且橡膠粒徑越小,效果越明顯,當橡膠粒徑為60～80目、摻量體積分數(shù)為10%時最優(yōu).

橡膠; 混凝土; 凍融循環(huán); 力學性能

橡膠混凝土是一種新型復合材料,其不僅可以實現(xiàn)資源的再利用,而且可以提高混凝土的抗凍性、韌性等性能.相關研究成果表明[1-5],適量橡膠顆粒的摻入可以提高混凝土的抗凍性能.

目前,衡量混凝土凍融循環(huán)性能的快凍法主要以動彈性模量和質量損失作為評價標準,然而在實際工程中,衡量結構安全性能的直接指標是混凝土的力學性能.為此,國內專家學者對普通混凝土凍融循環(huán)后的力學性能進行了較為深入的研究,并建立了凍融循環(huán)后的本構關系,但因為橡膠集料混凝土研究較晚,所以關于橡膠集料混凝土凍融循環(huán)后力學性能的研究十分少見.

本文通過試驗研究了不同橡膠粒徑與不同橡膠摻量對混凝土凍融循環(huán)后力學性能的影響,為同類研究或工程應用提供參考借鑒.

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗所用水泥為遼寧本溪山水實業(yè)有限公司生產(chǎn)的工源牌42.5級普通硅酸鹽水泥;細骨料是細度模數(shù)為2.6的普通河砂,表觀密度為2 540 kg/m3,緊密堆積密度為1 615 kg/m3;粗骨料為5～25 mm粒徑連續(xù)級配的碎石;減水劑為山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的UNF-1型萘系高效減水劑,減水效率為15%～20%;橡膠粒為沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的廢舊輪胎橡膠粒,試驗所用橡膠粒均用質量分數(shù)為3%的氫氧化鈉溶液進行改性處理[6];試驗所用水均為普通自來水.

1.2 配合比設計

基準組混凝土即普通混凝土的設計強度為C45,橡膠粒分別為膠粒a(2.36～4.00 mm)、膠粒b(0.43～0.60 mm)、膠粒c(0.18～0.25 mm),橡膠粒采用等體積取代砂的方式摻入,橡膠粒取代砂的體積分數(shù)為5%、10%、15%等三種,即橡膠粒摻量為5%、10%、15%等三種,具體配合比如表1所示,表1中混凝土試件編號為Cm-n,其中m表示橡膠顆粒種類,n表示橡膠摻量,C-J為基準組.

1.3 試驗方法

混凝土試塊為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊.混凝土凍融循環(huán)采用快凍法,試驗步驟參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行,凍融循環(huán)次數(shù)設定為50次、100次和150次三種,到達預定次數(shù)后測定混凝土試塊的抗壓強度和抗拉強度,測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法》中規(guī)定的程序進行.

表1 1 m3混凝土配合比Table 1 Concrete composition of 1 m3

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環(huán)對試塊影響

試件凍融循環(huán)50次、100次、150次的情況如圖1～圖3所示.由圖可看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件原本光滑的砂漿表面逐漸變得粗糙,在50次凍融循環(huán)后,試塊表面部分露出蜂窩狀的小孔, 其中基準組與橡膠摻量為15%的試塊表現(xiàn)較為明顯;在100次凍融循環(huán)后,部分試塊已露出細骨料,基準組的細骨料則全部露出;在150次凍融循環(huán)后,試件表面剝落比較嚴重,部分試件棱角掉落,且有粗骨料露出.從表觀現(xiàn)象上看,b-5,c-5和c-10組剝落量較少,而其他組受凍融循環(huán)的影響表面破損比較嚴重,最為嚴重的是基準組和a-15組.

圖1 50次凍融循環(huán)Fig.1 Freezing and thawing cycle for 50 times

圖2 100次凍融循環(huán)Fig.2 Freezing and thawing cycle for100 times

圖3 150次凍融循環(huán)Fig.3 Freezing and thawing cycle for 150 times

隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,試塊的質量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,在經(jīng)過50次凍融循環(huán)時,部分試塊質量略有增加;在100次凍融循環(huán)時,試塊質量損失率呈下降趨勢,基準混凝土試塊的質量損失率大于橡膠混凝土試塊;在150次凍融循環(huán)時,試塊質量損失下降明顯,a-5組混凝土試塊有棱角掉落現(xiàn)象,但最大質量損失率僅為3.2%,未達到快凍法試驗的破壞標準.同時,混凝土試塊的動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢,但最多下降到70%,未達到凍融破壞標準.

2.2 抗壓強度試驗

抗壓試驗過程中,試塊的破壞形式均為柱狀破壞,具有相同摻量但不同粒徑的橡膠混凝土試塊的破壞形態(tài)較為接近.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試塊破壞時表面裂紋逐漸增多,側面疏松,有大量表面剝落現(xiàn)象,摻有橡膠的混凝土試塊完整性較好,且在150次凍融循環(huán)后,Cb-5、Cb-10、Cc-5和Cc-10四組試塊在達到極限載荷時仍保持一定的完整性.

經(jīng)過0、50、100、150次凍融循環(huán)后的混凝土立方體試塊抗壓強度試驗平均值和相對抗壓強度如表2所示,表2中pcum為立方體抗壓強度試驗平均值;p0表示相對抗壓強度,即不同凍融循環(huán)次數(shù)試塊抗壓強度與未凍融試塊強度的比值.由表2結果可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試塊的相對抗壓強度呈下降趨勢.總體來看,除Ca-15組150次凍融循環(huán)外,其余各組在各凍融循環(huán)次數(shù)時的相對抗壓強度均高于基準組,說明橡膠粒摻入后可以有效提供混凝土抗凍融性能,減緩強度下降幅度.從橡膠粒粒徑影響來看,摻加膠粒c的各組試塊相對抗壓強度最大,說明橡膠粒粒徑越細效果越好.從橡膠粒摻量影響來看,50次循環(huán)時,摻量影響不大,100次循環(huán)時,摻量5%和10%基本相當,而摻量15%的強度下降較多;150次循環(huán)時,摻量10%情況最好,摻量15%最差.綜合來看,以60～80目橡膠粒摻量10%為最佳.

表2 混凝土立方體抗壓強度與相對抗壓強度Table 2 Compressive strength of concrete cube and relative compressive strength

2.3 劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉試驗臨近極限載荷時,裂紋從混凝土試塊中間沿縱向迅速擴展,將試塊劈成兩塊.與摻有橡膠的混凝土試塊相比,基準混凝土試塊的劈裂面比較整齊;與未凍融試塊相比,經(jīng)過凍融循環(huán)后試塊斷裂面處破壞比較嚴重,部分橡膠粒有撕裂現(xiàn)象.試塊劈裂抗拉強度試驗平均值和相對抗拉強度如表3所示,表3中pstm為劈裂抗拉強度試驗平均值;p1表示相對抗拉強度,即不同凍融循環(huán)次數(shù)試塊抗拉強度與未凍融試塊抗拉強度的比值.由表3可知,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,相對劈裂抗拉強度呈下降趨勢.總體來看,橡膠粒摻入能有效提高相對抗拉強度.隨橡膠粒粒徑的減小,相對抗拉強度增大,說明橡膠粒越細效果越好;隨橡膠粒摻量增加,相對抗拉強度呈減小趨勢,摻量15%時最差,摻量5%和10%時相當.值得注意的是,與抗壓強度相比,凍融循環(huán)對抗拉強度影響更大.

表3 混凝土劈裂抗拉強度與相對抗拉強度Table 3 Concrete splitting tensile strength and relative tensile strength

3 結 論

(1) 隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,混凝土強度呈明顯下降趨勢,且對抗拉強度的影響大于對抗壓強度的影響.

(2) 橡膠粒的摻入能夠減緩混凝土因凍融循環(huán)引起的強度下降幅度,各組橡膠混凝土試塊凍融循環(huán)后的相對強度基本都高于基準組.

(3) 橡膠顆粒粒徑越細對力學性能改善越明顯;混凝土相對抗壓強度隨摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當摻量體積分數(shù)為10%時效果最好;混凝土相對抗拉強度基本隨摻量增加而減少,15%摻量最差,5%和10%摻量相差不大.

[1] 楊春峰,葉文超,楊曉慧. 廢舊橡膠集料混凝土抗凍融性能的試驗研究[J]. 混凝土, 2013(3):81-89. (YANG C F, YE W C, YANG X H. Experimental study on frost-resistance property of waste rubber aggregate concrete[J]. Concrete, 2013(3):81-89.)

[2] 牛艷芳,閆寧霞,鄭新橋,等. 橡膠摻量與粒徑對混凝土抗凍性影響試驗研究[J]. 人民黃河, 2013,35(5):121-123. (NIU Y F, YAN N X, ZHENG X Q, et al. Influence of proportions and particle sizes of rubber powder to the concrete frost resistance[J]. Yellow River, 2013,35(5):121-123.)

[3] 徐金花,馮夏庭,陳四利. 橡膠集料對混凝土抗凍性的影響[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2012,33(6):895-898. (XU J H, FENG X T, CHEN S L. Effects of rubber aggregate on the frost resistance of concrete[J]. Journal of North eastern University(Natural Science), 2012,33(6):895-898.)

[4] 李光宇. 橡膠粉混凝土抗凍性能試驗研究[J]. 混凝土, 2008(4):60-62. (LI G Y. Experimental study on frost-resistance properties of powered rubber concrete[J].Concrete, 2008(4):60-62.)

[5] 劉偉. 摻廢舊輪胎橡膠粉混凝土抗凍耐久性試驗研究[D]. 大連:大連理工大學, 2011. (LIU W. Frost resistance research of concrete containing scrap rubber powder[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011.)

[6] 楊春峰,楊敏,葉文超. 改性方式對橡膠混凝土力學性能的影響[J]. 沈陽大學學報(自然科學版), 2012,24(3):78-81. (YANG C F, YANG M, YE W C. Influence of modification to mechanical properties of waste rubber concrete[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2012,24(3):78-81.)

【責任編輯: 趙 炬】

Mechanical Propertiesafter Freeze-Thaw Cycle of Rubber Aggregate Concrete

YuQuna,b,ZhengZhongyia,ZhaoXuana,WangPeizhua

(a. Architectural and Civil Engineering College, b. The Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Rubber concrete was made by using rubber particle instead of fine aggregate. The effects of different rubber particle sizes(with the volumn fraction of 5～8 mesh, 30～40 mesh, 60～80 mesh) and different rubber content (5%,10%,15%) on the mechanical properties of concrete after freeze-thaw cycles were studied. The results show that, with the increase of the number of freezing and thawing cycles, the strength of concrete blocks in each group shows a decreasing trend, and the incorporation of rubber particle could effectively reduce the decrease of strength. The relative strength of rubber concrete blocks in each group is greater than that of the reference concrete, and the smaller the rubber particle size is, the more obvious the effect is; when the rubber particle size of 60 to 80 mesh, the volumn fraction of mixing amount of 10% is optimal.

rubber; concrete; freeze-thaw cycle; mechanical properties

2016-10-14

遼寧省自然科學基金資助項目(201102153); 遼寧省高校創(chuàng)新團隊支持計劃(LT2012021).

于 群(1975-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學副教授.

2095-5456(2017)01-0054-04

TU 528

A