于 群, 鄭忠一, 趙 璇, 王培竹(沈陽(yáng)大學(xué) . 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

橡膠集料混凝土凍融循環(huán)后的力學(xué)性能

于 群a,b, 鄭忠一a, 趙 璇a, 王培竹a
(沈陽(yáng)大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

采用橡膠粒等體積取代細(xì)骨料制成橡膠混凝土,試驗(yàn)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?jǐn)?shù)為5%、10%、15%)對(duì)混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能的影響規(guī)律.試驗(yàn)研究結(jié)果表明,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,各組混凝土試塊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),橡膠粒的摻入可有效減緩強(qiáng)度下降幅度,各組橡膠混凝土試塊相對(duì)強(qiáng)度均大于基準(zhǔn)混凝土,且橡膠粒徑越小,效果越明顯,當(dāng)橡膠粒徑為60～80目、摻量體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)最優(yōu).

橡膠; 混凝土; 凍融循環(huán); 力學(xué)性能

橡膠混凝土是一種新型復(fù)合材料,其不僅可以實(shí)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(guān)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(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),然而在實(shí)際工程中,衡量結(jié)構(gòu)安全性能的直接指標(biāo)是混凝土的力學(xué)性能.為此,國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)普通混凝土凍融循環(huán)后的力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究,并建立了凍融循環(huán)后的本構(gòu)關(guān)系,但因?yàn)橄鹉z集料混凝土研究較晚,所以關(guān)于橡膠集料混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能的研究十分少見(jiàn).

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同橡膠粒徑與不同橡膠摻量對(duì)混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能的影響,為同類(lèi)研究或工程應(yīng)用提供參考借鑒.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為遼寧本溪山水實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的工源牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料是細(xì)度模數(shù)為2.6的普通河砂,表觀(guān)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(jí)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(yáng)市宏玉盛橡膠材料廠(chǎng)生產(chǎn)的廢舊輪胎橡膠粒,試驗(yàn)所用橡膠粒均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行改性處理[6];試驗(yàn)所用水均為普通自來(lái)水.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)組混凝土即普通混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)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?jǐn)?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(hào)為Cm-n,其中m表示橡膠顆粒種類(lèi),n表示橡膠摻量,C-J為基準(zhǔn)組.

1.3 試驗(yàn)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(yàn)步驟參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為50次、100次和150次三種,到達(dá)預(yù)定次數(shù)后測(cè)定混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,測(cè)試按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的程序進(jìn)行.

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)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(zhǔn)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(xì)骨料,基準(zhǔn)組的細(xì)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(yán)重,部分試件棱角掉落,且有粗骨料露出.從表觀(guān)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(yán)重,最為嚴(yán)重的是基準(zhǔn)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(zhì)量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),在經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)時(shí),部分試塊質(zhì)量略有增加;在100次凍融循環(huán)時(shí),試塊質(zhì)量損失率呈下降趨勢(shì),基準(zhǔn)混凝土試塊的質(zhì)量損失率大于橡膠混凝土試塊;在150次凍融循環(huán)時(shí),試塊質(zhì)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(zhì)量損失率僅為3.2%,未達(dá)到快凍法試驗(yàn)的破壞標(biāo)準(zhǔn).同時(shí),混凝土試塊的動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢(shì),但最多下降到70%,未達(dá)到凍融破壞標(biāo)準(zhǔn).

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓試驗(yàn)過(guò)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(shí)表面裂紋逐漸增多,側(cè)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(dá)到極限載荷時(shí)仍保持一定的完整性.

經(jīng)過(guò)0、50、100、150次凍融循環(huán)后的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值和相對(duì)抗壓強(qiáng)度如表2所示,表2中pcum為立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值;p0表示相對(duì)抗壓強(qiáng)度,即不同凍融循環(huán)次數(shù)試塊抗壓強(qiáng)度與未凍融試塊強(qiáng)度的比值.由表2結(jié)果可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試塊的相對(duì)抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).總體來(lái)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(shí)的相對(duì)抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組,說(shuō)明橡膠粒摻入后可以有效提供混凝土抗凍融性能,減緩強(qiáng)度下降幅度.從橡膠粒粒徑影響來(lái)看,摻加膠粒c的各組試塊相對(duì)抗壓強(qiáng)度最大,說(shuō)明橡膠粒粒徑越細(xì)效果越好.從橡膠粒摻量影響來(lái)看,50次循環(huán)時(shí),摻量影響不大,100次循環(huán)時(shí),摻量5%和10%基本相當(dāng),而摻量15%的強(qiáng)度下降較多;150次循環(huán)時(shí),摻量10%情況最好,摻量15%最差.綜合來(lái)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(qiáng)度與相對(duì)抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength of concrete cube and relative compressive strength

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

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

表3 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與相對(duì)抗拉強(qiáng)度Table 3 Concrete splitting tensile strength and relative tensile strength

3 結(jié) 論

(1) 隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,混凝土強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì),且對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響大于對(duì)抗壓強(qiáng)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(qiáng)度下降幅度,各組橡膠混凝土試塊凍融循環(huán)后的相對(duì)強(qiáng)度基本都高于基準(zhǔn)組.

(3) 橡膠顆粒粒徑越細(xì)對(duì)力學(xué)性能改善越明顯;混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)摻量體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)效果最好;混凝土相對(duì)抗拉強(qiáng)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(yàn)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.)

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【責(zé)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(xué)基金資助項(xiàng)目(201102153); 遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(LT2012021).

于 群(1975-),女,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授.

2095-5456(2017)01-0054-04

TU 528

A