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        橡膠混凝土低溫抗折性能試驗(yàn)研究

        2019-12-06 03:42:52林大地
        關(guān)鍵詞:常溫水灰比抗折

        薛 剛, 林大地

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

        我國(guó)的橡膠消耗量已位居世界第一[1],但作為橡膠主要原材料廢舊輪胎的回收能力不高[2].廢舊輪胎屬于工業(yè)有害廢物,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)廢舊輪胎的再利用[3].將廢舊輪胎破碎制成橡膠顆粒,摻入混凝土中,制成橡膠混凝土.橡膠顆粒的摻入可提高混凝土的韌性、變形性能,還具有抗凍、抗?jié)B、抗沖擊等諸多優(yōu)勢(shì),使其變成土木工程領(lǐng)域的綠色資源[4].橡膠混凝土雖然提高了韌性以及耐久性能,但強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)明顯[5-6],僅適用于對(duì)材料強(qiáng)度要求不是很高的工程領(lǐng)域,比如某些道路工程.目前,關(guān)于低溫環(huán)境下的力學(xué)性能研究較少[7-8].在低溫環(huán)境下橡膠混凝土力學(xué)性能的研究,無(wú)疑可拓展橡膠混凝土在工程中的應(yīng)用范圍,也能為其后廣泛的應(yīng)用提供一些技術(shù)參考和依據(jù).

        在上世紀(jì)70年代,國(guó)外開(kāi)始了對(duì)混凝土低溫環(huán)境下性能的研究[9-10],而我國(guó)的研究集中在近十余年[11-13].在低溫環(huán)境下,橡膠混凝土材料因外界積蓄的應(yīng)變而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,而冰雪融化的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)應(yīng)力消失,與常溫下的力學(xué)性能有很大不同.因此常溫下橡膠混凝土性能無(wú)法在寒冷地區(qū)的應(yīng)用.

        抗折性能是反映材料韌性的重要指標(biāo),良好韌性是橡膠混凝土有別于普通混凝土材料的主要特點(diǎn).本文主要對(duì)12組不同配合比的橡膠混凝土分別在低溫環(huán)境與常溫環(huán)境下進(jìn)行抗折試驗(yàn),對(duì)比分析低溫下抗折強(qiáng)度分別在水灰比、橡膠摻量等因素變化情況下的性能變化規(guī)律,并根據(jù)抗壓強(qiáng)度與抗折的關(guān)系,探究低溫下橡膠混凝土的韌性特點(diǎn).

        1 試驗(yàn)原材料及配合比

        1.1 試驗(yàn)原材料

        (1)水泥:為P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水泥物理性能見(jiàn)表1.

        表1 水泥物理性能

        (2)砂:細(xì)度模數(shù)2.7,表觀密度2 620 kg/m3,堆積密度1 512 kg/m3,質(zhì)中砂.

        (3)石子:表觀密度2 685 kg/m3的碎石,粒徑5~25 mm,壓碎指標(biāo)9.6%的碎石.

        (4)橡膠:5~10目混合橡膠顆粒,堆積密度為610 kg/m3.

        (5)水:普通飲用水.

        (6)粉煤灰為Ⅱ級(jí),礦渣粉為S95級(jí).

        (7)減水劑:聚羧酸減水劑,減水率≥25%.

        1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

        分別采用水灰比為0.35、0.40、0.45的普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土,砂率分別為38%、40%和42%,采用等體積替代法分別以0、10%、20%和30%的摻量代替砂摻入混凝土中.以50 kg/m3和60 kg/m3兩種摻量摻入粉煤灰和礦渣粉.橡膠混凝土的配合比設(shè)計(jì)均符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)相關(guān)規(guī)定.各組材料配合比見(jiàn)表2.

        表2 橡膠混凝土配合比

        2 試驗(yàn)方法

        按照標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行常溫抗折試驗(yàn),目前有兩種混凝土低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)方法:一種是將試件放置于低溫箱內(nèi)充分降溫,然后將其取出進(jìn)行試驗(yàn);另一種則是直接在低溫環(huán)境內(nèi)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn).研究表明[14]:低溫下試驗(yàn),當(dāng)溫度在0 ℃和-40 ℃時(shí),兩類方法之間的差別并不明顯.試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,本文按照第一類方法將試件放入低溫箱后取出,采用三分點(diǎn)彎曲法進(jìn)行抗折試驗(yàn).抗折試驗(yàn)裝置如圖1所示.

        圖1 抗折試驗(yàn)裝置Fig.1 Flexural test

        橡膠混凝土試件的抗折強(qiáng)度按式(1)計(jì)算.

        (1)

        式中:fRF為橡膠混凝土抗折強(qiáng)度(MPa);Fmax為最大荷載(N);l為支座間距(mm);b為截面寬度(mm);h為截面高度(mm).

        定義橡膠混凝土試件的抗折強(qiáng)度損失k如式(2),該指標(biāo)可直觀反映橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度變化情況.

        (2)

        式中,fCF為基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度(MPa).

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 試件破壞形態(tài)

        水灰比為0.4的普通混凝土及橡膠混凝土抗折試件的破壞形態(tài)如圖2所示.可以看出,抗折試件在中部區(qū)域斷裂,隨著橡膠摻量增大,破壞時(shí)試件未完全折斷,顯示出具有一定保持整體形態(tài)的能力.未摻橡膠的基準(zhǔn)混凝土為明顯的脆性斷裂,破壞時(shí)發(fā)出清脆的斷裂聲,而橡膠混凝土斷裂時(shí)有明顯的形變,并伴有碎裂聲.這是因?yàn)?,橡膠顆粒本身具有抗拉特性,即多個(gè)微小的彈性體分布在混凝土內(nèi)部,試驗(yàn)進(jìn)行中,橡膠顆粒對(duì)其周圍的水泥基體產(chǎn)生的應(yīng)力集中起到了一定的阻礙作用,提高了試件的變形能力.

        圖2 試件抗折破壞狀態(tài)Fig.2 Broken state of the specimens

        3.2 抗折強(qiáng)度

        常溫20 ℃及低溫-30 ℃的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,表中抗折損失按照本文(2)式計(jì)算,抗折強(qiáng)度提高系數(shù)為同一配比的低溫抗折強(qiáng)度與常溫抗折強(qiáng)度的比值.

        表3 常溫下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度與抗折損失

        續(xù)表3

        試件編號(hào)20 ℃抗折強(qiáng)度/MPa-30 ℃抗折強(qiáng)度/MPa20 ℃抗折損失/%-30 ℃抗折損失/%抗折強(qiáng)度提高系數(shù)CC-0.459.0413.86001.53RC-0.45-108.6912.523.879.771.44RC-0.45-208.0812.6810.628.511.57RC-0.45-307.1710.9620.6920.921.53

        由表3可知,橡膠摻量相同時(shí),水灰比越大,橡膠混凝土無(wú)論在常溫還是低溫下抗折強(qiáng)度均減小,當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí),3種水灰比的橡膠混凝土在常溫下抗折強(qiáng)度依次為9.92 MPa、9.26 MPa、8.69 MPa.在低溫-30 ℃時(shí),隨著橡膠摻量增加,橡膠混凝土抗折強(qiáng)度的降幅比常溫情況小,當(dāng)橡膠摻量超過(guò)20%以后,抗折強(qiáng)度下降幅度加快.比如:水灰比為0.35、橡膠摻量為30%時(shí),橡膠混凝土常溫抗折強(qiáng)度的降幅為24.85%,而低溫抗折強(qiáng)度的降幅為18.95%.

        圖3表示在常溫20 ℃及低溫-30 ℃下,各組試件的抗折強(qiáng)度在不同橡膠摻量及水灰比影響下的規(guī)律.根據(jù)表3和圖3(a)可以看出,隨著橡膠摻量由10%增至30%時(shí),水灰比為0.35的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由2.55%增至24.85%;水灰比為0.40的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由4.04%增至23.21%.水灰比為0.45的橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的降幅由3.87%增至20.69%.由此看出,隨著橡膠摻量的增加,水灰比較大的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度損失相對(duì)較小,即橡膠摻量較高情況下,水灰比對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度的影響效低.

        圖3(b)顯示,-30 ℃時(shí),橡膠混凝土抗折強(qiáng)度隨橡膠含量的變化規(guī)律與常溫情況略有區(qū)別,橡膠摻量為10%、20%時(shí),橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度變化不大.

        圖3 常溫20 ℃和低溫-30 ℃下橡膠混凝土抗折強(qiáng)度Fig.3 Rubber concrete flexural strength at room temperatures 20 °C and-30 °C

        圖4 -30 ℃橡膠混凝土抗折強(qiáng)度提高系數(shù)Fig.4 Rubber concrete flexural strength improvement coefficient at-30 ℃

        低溫下,不同橡膠摻量的橡膠混凝土抗折強(qiáng)度較常溫下提高原因在于,一是混凝土中的游離水凝結(jié)成冰,在整個(gè)混凝土試件中形成冰晶體網(wǎng),冰晶體網(wǎng)猶如纖維作用,并且水結(jié)冰體積增大致使混凝土內(nèi)部更加密實(shí),空隙率降低,減少了試件內(nèi)薄弱環(huán),抗彎拉應(yīng)力的能力會(huì)明顯提高.二是隨溫度降低,橡膠顆粒硬度極大增加,增加了固體承載材料的數(shù)量,減少了橡膠顆粒邊界處的應(yīng)力集中,混凝土承受彎拉荷載的能力會(huì)提高.

        3.3 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(píng)價(jià)混凝土材料韌性的一個(gè)指標(biāo).混凝土折壓比越大,韌性越好.在常溫及低溫下,測(cè)試相同配比的橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,進(jìn)而得到橡膠混凝土折壓比,圖5所示.

        由圖5(a)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增大,混凝土的延性得到改善.橡膠摻量到達(dá)20%時(shí),橡膠混凝土的折壓比受水灰比的變化影響效小.當(dāng)橡膠摻量為30%時(shí),水灰比為0.40和0.45的橡膠混凝土折壓比,明顯高于水灰比為0.35的情況,說(shuō)明高摻量橡膠的混凝土,水灰比越大,韌性和變形的提高程度越明顯.

        圖5 常溫20 ℃和低溫-30 ℃下橡膠混凝土折壓比Fig.5 Rubber concrete folding ratio at normal temperatures 20 ℃ and-30 ℃

        由圖5(b)可以看出,低溫-30 ℃下,隨著橡膠摻量的增加,各組橡膠混凝土折壓比均增大,說(shuō)明混凝土的脆性有所提高.橡膠摻量相同時(shí),水灰比越小,折壓比越大,表明脆性越強(qiáng),延性越差.

        分析圖5內(nèi)容結(jié)果可知,隨橡膠摻量的增加低溫情況橡膠混凝土的折壓比的變化趨勢(shì)和常溫情況類似,在低溫-30 ℃時(shí)橡膠混凝土的折壓比與常溫相比有所提高,水灰比越大,提高幅度越明顯,表明橡膠混凝土在低溫下仍然保持良好的韌性.

        4 結(jié)論

        (1)低溫下橡膠混凝土破壞形態(tài)和常溫情況基本一致,隨著橡膠摻量增大,破壞時(shí)試件呈現(xiàn)出保持完整形態(tài)的能力,即橡膠混凝土的延性越來(lái)越好.

        (2)隨著橡膠摻量的增加,低溫及常溫的抗折強(qiáng)度逐漸下降,且下降趨勢(shì)加快;橡膠摻量相同時(shí),隨著水灰比的減小,橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度增大.在低溫下,橡膠摻量越大,抗折強(qiáng)度提高系數(shù)先下降后上升;橡膠摻量相同時(shí),隨著水灰比越大,橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度越大,抗折強(qiáng)度提高幅度越大.

        (3)低溫情況橡膠混凝土折壓比隨著橡膠摻量的變化趨勢(shì)和常溫情況類似,隨著橡膠摻量的增加,橡膠混凝土的折壓比逐漸增大,說(shuō)明橡膠的延性有所改善.低溫環(huán)境下,相同摻量的橡膠混凝土折壓比受水灰比的影響程度降低,具體表現(xiàn)為,配比相同的橡膠混凝土,低溫時(shí)折壓比的改變量低于常溫情況.

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