許精文

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100012）

0 引言

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，隨之產(chǎn)生的廢舊輪胎數(shù)量已經(jīng)嚴重超出了自然環(huán)境的承受范圍［1］。橡膠作為廢舊輪胎的主要固體廢物，近年來被廣泛應(yīng)用于制備混凝土中，橡膠混凝土作為一種新型混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上，以橡膠顆?；蛘呦鹉z粉取代部分的混凝土骨料而制成的，能有效改善混凝土的脆性，同時我國公路橋梁網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯，碰撞事故時有發(fā)生，將橡膠混凝土應(yīng)用于公路、橋梁能夠為資源再生利用以及減少車橋碰撞事故提供了一條可行方案［2-5］。對于橡膠混凝土國內(nèi)外學者做了大量研究，并取得了豐碩的成果。駱春雨［6］等提出建立了混凝土抗壓強度降低率與橡膠集料體積分數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式。郭帆［7］等研究發(fā)現(xiàn)橡膠粉的摻入會使混凝土強度大幅降低。陳嘉偉［8］研究發(fā)現(xiàn)，橡膠混凝土的立方體抗壓強度變化圖像峰值應(yīng)變變化趨勢隨橡膠摻量增加呈拋物線變化，先增大后減小。劉譽貴［9］等對不同強度等級的普通混凝土尺寸效應(yīng)研究，結(jié)果表明，混凝土強度越高，抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯，而對彈性模量影響甚小。張軍［10］研究發(fā)現(xiàn)，混凝土受壓的體積越大，即隨著試塊尺寸增大，所測得的抗壓強度越低。但對于橡膠混凝土抗壓強度的尺寸效應(yīng)研究未見報道，因此有必要對其抗壓強度的尺寸效應(yīng)進行研究。基于此，本文以橡膠混凝土立方體試件為對象，較為系統(tǒng)地分析了混凝土試件尺寸、橡膠粉摻量和強度等級對橡膠混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)的影響，以期為橡膠改性混凝土的推廣和應(yīng)用提供科學的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用原材料主要包括：水泥為祁連山高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥42.5；橡膠粉為慶陽隴鑫實業(yè)公司出產(chǎn)的60目橡膠粉；減水劑為蘭州浩翔環(huán)保建材有限公司出產(chǎn)的QX-GX高效減水劑；粉煤灰為國電蘭州熱電廠Ⅱ級粉煤灰；細骨料為2.6細度模數(shù)的中砂，其表觀密度為2 973.3 kg／m3；粗骨料為石灰石質(zhì)碎石，粒徑5～20 mm連續(xù)級配。原料化學成分如表1所示。

表1 原料化學成分（w）Table 1 Chemical constituents of raw materials（w）%

1.2 試驗方法

本次試驗加載方式及試驗結(jié)果處理均參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［12］（GB／T50081-2002）。將全部混凝土試塊放置標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，測試其抗壓強度?？箟涸囼灠凑諛藴试囼灧椒ㄟM行，通過對邊長為70、100、150、200 mm，強度等級為C30、C40的普通混凝土立方體試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了不同強度等級不同橡膠摻量 （0，5%，10%，15%）下混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)。所有試件均以0.5 MPa／s進行加載，以避免加載速率對試件抗壓強度造成影響。配合比C30、C40混凝土試件配合比等體積取代細骨料，分別如表2和表3所示。

表2 配合比C30、C40混凝土試塊配合比Table 2 Mix ratio C30，C40 concrete block mix ratio kg／m3

表3 橡膠粉等體積取代細骨料Table 3 Rubber powder substituting fine aggregate in equivalent volume

2 結(jié)果與討論

根據(jù) 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》計算求得有效抗壓強度，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 試驗結(jié)果Table 4 Test results

圖1 不同強度等級混凝土在不同R摻量下各尺寸抗壓強度Figure 1 Compressive strength of concrete with different strength grades and different R content

從圖1（a）和圖1（b）可以看出，C30和C40，4條折線A、B、C、D抗壓強度由大到小依次為D、A、B、C，抗壓強度隨橡膠摻量的增大而降低，使混凝土試塊內(nèi)部應(yīng)力變化較大，橡膠周圍混凝土首先出現(xiàn)應(yīng)力集中，橡膠周圍混凝土受到應(yīng)力較大，橡膠顆粒受到的應(yīng)力較小，造成橡膠混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布不均，且橡膠摻量越多，橡膠顆粒的間距越小，內(nèi)部空隙、孔隙逐漸貫通，從而導致橡膠混凝土抗壓強度降低。

綜合觀察圖1（a）和圖1（b）4條折線，抗壓強度隨尺寸增大先增大后減小，且變化幅度由大到小依次為：C、B、A、D。一方面，在振搗混凝土時，粗骨料易居于試塊中心，細骨料居于試塊邊緣，這就形成了一定厚度的邊界層。當試塊尺寸較大時，邊界層占試塊總尺寸的比例越小，當試塊尺寸較小時，邊界層占試塊總尺寸的比例越大，由于橡膠粉不吸水，加入混凝土中橡膠粉表面容易產(chǎn)生大量氣泡，隨橡膠粉的摻量的增加，邊界層效應(yīng)越明顯，各尺寸抗壓強度變化幅度就越大。另一方面，在養(yǎng)護期間，試塊內(nèi)部不均勻擴散產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導致試塊發(fā)生非彈性應(yīng)變和開裂。對于大尺寸試塊，表面積較大，干燥速率快，內(nèi)部裂縫較多，對于小尺寸試塊，表面積較小，干燥速率慢，從而使抗壓強度隨試塊尺寸增大而減小。將橡膠粉摻入混凝土后，試塊干燥速率變快，且橡膠摻量越多，干燥速率越快，裂縫越多，即抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯。

圖1（b）可發(fā)現(xiàn)，A與D的抗壓強度最大，且兩折線接近吻合，這也說明在C40橡膠混凝土中摻入5%橡膠粉對混凝土試件的抗壓強度幾乎沒有影響，增大或減小橡膠粉摻量，抗壓強度均降低很快。橡膠摻量越大 （取代量在15%內(nèi)），抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯。

圖2 R摻量為0%和10%時不同強度混凝土的各尺寸抗壓強度Figure 2 Compressive strength of concrete with different strength at 0%and 10%R

由圖2（a）和圖1（b）可以看出，在各尺寸的抗壓強度C40橡膠混凝土試件均遠大于C30橡膠混凝土試件的抗壓強度，且隨尺寸增長C40橡膠混凝土的抗壓強度變化幅度較大。C30和C40混凝土在尺寸70～100 mm時，立方體抗壓強度迅速增長，在尺寸100 mm時抗壓強度達到峰值。當尺寸超過100 mm時，C40橡膠混凝土抗壓強度先是大幅度下降，后下降速度變得緩慢，而C30橡膠混凝土抗壓強度先是趨于穩(wěn)定，后緩慢下降。

對于尺寸為70 mm的橡膠混凝土立方體試塊，在制作過程中同樣選取的石子最大粒徑為16 mm，這使得橡膠混凝土試塊中粗骨料比例大大減小，細骨料比例相對配合比大大增加，使邊界層占了總尺寸的絕大一部分，試塊的立方體抗壓強度就等同于砂漿來提供，這大大降低了其抗壓強度。計算可知，邊長70 mm的C30橡膠混凝土立方體抗壓強度僅為100 mm立方體抗壓強度的75%，邊長70 mm的C40橡膠混凝土立方體抗壓強度僅為100 mm立方體抗壓強度的85%。同時，混凝土試塊越大，邊界層占試塊總尺寸的比例越小，再加之混凝土尺寸越大，內(nèi)部空隙、裂縫或局部缺陷機率越大，從而使混凝土立方體抗壓強度越小。由于C40橡膠混凝土配合比中水泥用量較C30橡膠混凝土大，使得橡膠混凝土試塊內(nèi)部粘結(jié)更密實，從而使C40橡膠混凝土抗壓強度比C30橡膠混凝土大。C40橡膠混凝土水泥用量較多，試件內(nèi)部更密實，抗壓強度越高，抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯。

通過以上分析可知，各尺寸混凝土立方體試塊的抗壓強度尺寸效應(yīng)隨著橡膠粉摻量的增加，呈增加或趨于平緩的趨勢。隨著橡膠粉摻量的增加（橡膠粉等體積取代細骨料的取代量在15%以下時），混凝土抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯。經(jīng)過對比C30和C40兩組強度下的立方體抗壓尺寸效應(yīng)可發(fā)現(xiàn)，C40強度下立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)度要高于C30強度下的值，說明橡膠混凝土強度越高，尺寸效應(yīng)越明顯。混凝土強度越高，混凝土脆性越大，低強度混凝土多發(fā)生延性破壞，而高強混凝土多發(fā)生脆性破壞，使尺寸效應(yīng)更加明顯。

3 結(jié)論

以橡膠混凝土立方體試件為對象，較為系統(tǒng)地分析了混凝土試件尺寸、橡膠粉摻量和強度等級對橡膠混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)的影響。其中C30和C40橡膠混凝土，抗壓強度隨橡膠摻量的增大而降低。橡膠混凝土的抗壓強度尺寸效應(yīng)與橡膠摻量密切相關(guān)，橡膠摻量越大 （取代量在15%內(nèi)），抗壓強度的尺寸效應(yīng)越明顯；抗壓強度隨尺寸增大先增大后減小，變化幅度隨橡膠粉 （取代量在15%內(nèi)）的摻量增大而增大；不同強度下橡膠混凝土的抗壓強度尺寸效應(yīng)與普通混凝土的抗壓強度尺寸效應(yīng)結(jié)論一致，強度越高，尺寸效應(yīng)越明顯。該研究能夠為橡膠改性混凝土的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)。