橡胶集料混凝土冻融循环后的力学性能

于 群, 郑忠一, 赵 璇, 王培竹(沈阳大学 . 建筑工程学院; b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

橡胶集料混凝土冻融循环后的力学性能

于 群a,b, 郑忠一a, 赵 璇a, 王培竹a
(沈阳大学 a. 建筑工程学院; b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

采用橡胶粒等体积取代细骨料制成橡胶混凝土,试验研究了不同橡胶粒径(5～8目、30～40目、60～80目)和不同橡胶粒掺量(体积分数为5%、10%、15%)对混凝土冻融循环后力学性能的影响规律.试验研究结果表明,随冻融循环次数增加,各组混凝土试块强度呈下降趋势,橡胶粒的掺入可有效减缓强度下降幅度,各组橡胶混凝土试块相对强度均大于基准混凝土,且橡胶粒径越小,效果越明显,当橡胶粒径为60～80目、掺量体积分数为10%时最优.

橡胶; 混凝土; 冻融循环; 力学性能

橡胶混凝土是一种新型复合材料,其不仅可以实现资源的再利用,而且可以提高混凝土的抗冻性、韧性等性能.相关研究成果表明[1-5],适量橡胶颗粒的掺入可以提高混凝土的抗冻性能.

目前,衡量混凝土冻融循环性能的快冻法主要以动弹性模量和质量损失作为评价标准,然而在实际工程中,衡量结构安全性能的直接指标是混凝土的力学性能.为此,国内专家学者对普通混凝土冻融循环后的力学性能进行了较为深入的研究,并建立了冻融循环后的本构关系,但因为橡胶集料混凝土研究较晚,所以关于橡胶集料混凝土冻融循环后力学性能的研究十分少见.

本文通过试验研究了不同橡胶粒径与不同橡胶掺量对混凝土冻融循环后力学性能的影响,为同类研究或工程应用提供参考借鉴.

1 试验设计

1.1 原材料

试验所用水泥为辽宁本溪山水实业有限公司生产的工源牌42.5级普通硅酸盐水泥;细骨料是细度模数为2.6的普通河砂,表观密度为2 540 kg/m3,紧密堆积密度为1 615 kg/m3;粗骨料为5～25 mm粒径连续级配的碎石;减水剂为山西黄腾化工有限公司生产的UNF-1型萘系高效减水剂,减水效率为15%～20%;橡胶粒为沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的废旧轮胎橡胶粒,试验所用橡胶粒均用质量分数为3%的氢氧化钠溶液进行改性处理[6];试验所用水均为普通自来水.

1.2 配合比设计

基准组混凝土即普通混凝土的设计强度为C45,橡胶粒分别为胶粒a(2.36～4.00 mm)、胶粒b(0.43～0.60 mm)、胶粒c(0.18～0.25 mm),橡胶粒采用等体积取代砂的方式掺入,橡胶粒取代砂的体积分数为5%、10%、15%等三种,即橡胶粒掺量为5%、10%、15%等三种,具体配合比如表1所示,表1中混凝土试件编号为Cm-n,其中m表示橡胶颗粒种类,n表示橡胶掺量,C-J为基准组.

1.3 试验方法

混凝土试块为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块.混凝土冻融循环采用快冻法,试验步骤参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行,冻融循环次数设定为50次、100次和150次三种,到达预定次数后测定混凝土试块的抗压强度和抗拉强度,测试按照《普通混凝土力学性能试验方法》中规定的程序进行.

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

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环对试块影响

试件冻融循环50次、100次、150次的情况如图1～图3所示.由图可看出,随着冻融循环次数的增加,试件原本光滑的砂浆表面逐渐变得粗糙,在50次冻融循环后,试块表面部分露出蜂窝状的小孔, 其中基准组与橡胶掺量为15%的试块表现较为明显;在100次冻融循环后,部分试块已露出细骨料,基准组的细骨料则全部露出;在150次冻融循环后,试件表面剥落比较严重,部分试件棱角掉落,且有粗骨料露出.从表观现象上看,b-5,c-5和c-10组剥落量较少,而其他组受冻融循环的影响表面破损比较严重,最为严重的是基准组和a-15组.

图1 50次冻融循环Fig.1 Freezing and thawing cycle for 50 times

图2 100次冻融循环Fig.2 Freezing and thawing cycle for100 times

图3 150次冻融循环Fig.3 Freezing and thawing cycle for 150 times

随冻融循环次数增加,试块的质量呈现出先增加后减小的趋势,在经过50次冻融循环时,部分试块质量略有增加;在100次冻融循环时,试块质量损失率呈下降趋势,基准混凝土试块的质量损失率大于橡胶混凝土试块;在150次冻融循环时,试块质量损失下降明显,a-5组混凝土试块有棱角掉落现象,但最大质量损失率仅为3.2%,未达到快冻法试验的破坏标准.同时,混凝土试块的动弹性模量随冻融循环次数增加呈下降趋势,但最多下降到70%,未达到冻融破坏标准.

2.2 抗压强度试验

抗压试验过程中,试块的破坏形式均为柱状破坏,具有相同掺量但不同粒径的橡胶混凝土试块的破坏形态较为接近.随着冻融循环次数的增加,试块破坏时表面裂纹逐渐增多,侧面疏松,有大量表面剥落现象,掺有橡胶的混凝土试块完整性较好,且在150次冻融循环后,Cb-5、Cb-10、Cc-5和Cc-10四组试块在达到极限载荷时仍保持一定的完整性.

经过0、50、100、150次冻融循环后的混凝土立方体试块抗压强度试验平均值和相对抗压强度如表2所示,表2中pcum为立方体抗压强度试验平均值;p0表示相对抗压强度,即不同冻融循环次数试块抗压强度与未冻融试块强度的比值.由表2结果可知,随着冻融循环次数的增加,混凝土试块的相对抗压强度呈下降趋势.总体来看,除Ca-15组150次冻融循环外,其余各组在各冻融循环次数时的相对抗压强度均高于基准组,说明橡胶粒掺入后可以有效提供混凝土抗冻融性能,减缓强度下降幅度.从橡胶粒粒径影响来看,掺加胶粒c的各组试块相对抗压强度最大,说明橡胶粒粒径越细效果越好.从橡胶粒掺量影响来看,50次循环时,掺量影响不大,100次循环时,掺量5%和10%基本相当,而掺量15%的强度下降较多;150次循环时,掺量10%情况最好,掺量15%最差.综合来看,以60～80目橡胶粒掺量10%为最佳.

表2 混凝土立方体抗压强度与相对抗压强度Table 2 Compressive strength of concrete cube and relative compressive strength

2.3 劈裂抗拉强度试验

劈裂抗拉试验临近极限载荷时,裂纹从混凝土试块中间沿纵向迅速扩展,将试块劈成两块.与掺有橡胶的混凝土试块相比,基准混凝土试块的劈裂面比较整齐;与未冻融试块相比,经过冻融循环后试块断裂面处破坏比较严重,部分橡胶粒有撕裂现象.试块劈裂抗拉强度试验平均值和相对抗拉强度如表3所示,表3中pstm为劈裂抗拉强度试验平均值;p1表示相对抗拉强度,即不同冻融循环次数试块抗拉强度与未冻融试块抗拉强度的比值.由表3可知,随冻融循环次数增加,相对劈裂抗拉强度呈下降趋势.总体来看,橡胶粒掺入能有效提高相对抗拉强度.随橡胶粒粒径的减小,相对抗拉强度增大,说明橡胶粒越细效果越好;随橡胶粒掺量增加,相对抗拉强度呈减小趋势,掺量15%时最差,掺量5%和10%时相当.值得注意的是,与抗压强度相比,冻融循环对抗拉强度影响更大.

表3 混凝土劈裂抗拉强度与相对抗拉强度Table 3 Concrete splitting tensile strength and relative tensile strength

3 结 论

(1) 随冻融循环次数增加,混凝土强度呈明显下降趋势,且对抗拉强度的影响大于对抗压强度的影响.

(2) 橡胶粒的掺入能够减缓混凝土因冻融循环引起的强度下降幅度,各组橡胶混凝土试块冻融循环后的相对强度基本都高于基准组.

(3) 橡胶颗粒粒径越细对力学性能改善越明显;混凝土相对抗压强度随掺量增加呈现先增大后减小的趋势,当掺量体积分数为10%时效果最好;混凝土相对抗拉强度基本随掺量增加而减少,15%掺量最差,5%和10%掺量相差不大.

[1] 杨春峰,叶文超,杨晓慧. 废旧橡胶集料混凝土抗冻融性能的试验研究[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] 牛艳芳,闫宁霞,郑新桥,等. 橡胶掺量与粒径对混凝土抗冻性影响试验研究[J]. 人民黄河, 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,冯夏庭,陈四利. 橡胶集料对混凝土抗冻性的影响[J]. 东北大学学报(自然科学版), 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. 橡胶粉混凝土抗冻性能试验研究[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] 刘伟. 掺废旧轮胎橡胶粉混凝土抗冻耐久性试验研究[D]. 大连:大连理工大学, 2011. (LIU W. Frost resistance research of concrete containing scrap rubber powder[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011.)

[6] 杨春峰,杨敏,叶文超. 改性方式对橡胶混凝土力学性能的影响[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 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.)

【责任编辑: 赵 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

辽宁省自然科学基金资助项目(201102153); 辽宁省高校创新团队支持计划(LT2012021).

于 群(1975-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学副教授.

2095-5456(2017)01-0054-04

TU 528

A