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)該加強對廢舊輪胎的再利用[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，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，但強度降低的缺點明顯[5-6]，僅適用于對材料強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，國外開始了對混凝土低溫環(huán)境下性能的研究[9-10]，而我國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，而冰雪融化的過程會導(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.本文主要對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)境下進行抗折試驗，對比分析低溫下抗折強度分別在水灰比、橡膠摻量等因素變化情況下的性能變化規(guī)律，并根據(jù)抗壓強度與抗折的關(guān)系，探究低溫下橡膠混凝土的韌性特點.

1 試驗原材料及配合比

1.1 試驗原材料

(1)水泥：為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能見表1.

表1 水泥物理性能

(2)砂：細度模數(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，礦渣粉為S95級.

(7)減水劑：聚羧酸減水劑，減水率≥25%.

1.2 試驗配合比設(shè)計

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)計均符合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)相關(guān)規(guī)定.各組材料配合比見表2.

表2 橡膠混凝土配合比

2 試驗方法

按照標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗過程進行常溫抗折試驗，目前有兩種混凝土低溫力學(xué)性能的試驗方法：一種是將試件放置于低溫箱內(nèi)充分降溫，然后將其取出進行試驗；另一種則是直接在低溫環(huán)境內(nèi)進行力學(xué)試驗.研究表明[14]：低溫下試驗，當(dāng)溫度在0 ℃和-40 ℃時，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，采用三分點彎曲法進行抗折試驗.抗折試驗裝置如圖1所示.

圖1 抗折試驗裝置Fig.1 Flexural test

橡膠混凝土試件的抗折強度按式(1)計算.

(1)

式中：fRF為橡膠混凝土抗折強度(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度損失k如式(2)，該指標(biāo)可直觀反映橡膠混凝土抗折強度較基準(zhǔn)混凝土強度變化情況.

(2)

式中，fCF為基準(zhǔn)混凝土抗折強度(MPa).

3 試驗結(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，破壞時發(fā)出清脆的斷裂聲，而橡膠混凝土斷裂時有明顯的形變，并伴有碎裂聲.這是因為，橡膠顆粒本身具有抗拉特性，即多個微小的彈性體分布在混凝土內(nèi)部，試驗進行中，橡膠顆粒對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 抗折強度

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

表3 常溫下橡膠混凝土抗折強度與抗折損失

續(xù)表3

試件編號20 ℃抗折強度/MPa-30 ℃抗折強度/MPa20 ℃抗折損失/%-30 ℃抗折損失/%抗折強度提高系數(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，水灰比越大，橡膠混凝土無論在常溫還是低溫下抗折強度均減小，當(dāng)橡膠摻量為10%時，3種水灰比的橡膠混凝土在常溫下抗折強度依次為9.92 MPa、9.26 MPa、8.69 MPa.在低溫-30 ℃時，隨著橡膠摻量增加，橡膠混凝土抗折強度的降幅比常溫情況小，當(dāng)橡膠摻量超過20%以后，抗折強度下降幅度加快.比如：水灰比為0.35、橡膠摻量為30%時，橡膠混凝土常溫抗折強度的降幅為24.85%，而低溫抗折強度的降幅為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，水灰比為0.35的橡膠混凝土抗折強度較基準(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度損失相對較小，即橡膠摻量較高情況下，水灰比對橡膠混凝土強度的影響效低.

圖3(b)顯示，-30 ℃時，橡膠混凝土抗折強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，橡膠混凝土的抗折強度變化不大.

圖3 常溫20 ℃和低溫-30 ℃下橡膠混凝土抗折強度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，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提高.

3.3 折壓比

折壓比即混凝土抗折強度和抗壓強度的比值，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，韌性越好.在常溫及低溫下，測試相同配比的橡膠混凝土立方體抗壓強度，進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20%時，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，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，說明混凝土的脆性有所提高.橡膠摻量相同時，水灰比越小，折壓比越大，表明脆性越強，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和常溫情況類似，在低溫-30 ℃時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越好.

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

(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，低溫時折壓比的改變量低于常溫情況.