橡胶混凝土的抗冲击性能研究

韩菊红 袁群 冯凌云 汪武威 赵峰

摘要：以C30和C50强度等级的混凝土为基准，选取粒径为1～3、3～6mm的橡胶颗粒，分别按照10%、15%（砂的体积分数）掺量等体积取代部分砂配制橡胶混凝土，对不处理、水洗处理、NaOH处理、复合处理等改性方式的橡胶混凝土杭冲击性能进行了试验，研究基准混凝土强度等级、橡胶颗粒掺量和粒径、改性方法对混凝土杭冲击性能的影响。结果表明：橡胶颗粒虽然降低了混凝土的杭压强度，但提高了其杭冲击性能;初裂冲击次数和终裂冲击次数随着基准混凝土强度等级的提高、橡胶颗粒掺量和粒径的增大而增大;各种橡胶颗粒改性方法均可提高混凝土的杭压强度和杭冲击性能，其中复合处理方法效果最好。

关键词：橡胶混凝土;杭冲击性能;基准混凝土强度;橡胶颗粒;改性方法

中图分类号：TV41 文献标志码：A

现代防护结构工程对混凝土的抗冲击性能有较高的要求[1]。普通混凝土强度虽高但脆性较大，在冲击荷载作用下容易开裂破坏，在混凝土中掺加一定量的纤维可明显改善其抗冲击性能[2-4]。近年来一种新型混凝土材料——橡胶混凝土成为了研究热点[5-7]。与纤维改善混凝土抗冲击性能的原理不同，橡胶颗粒与砂、石子和水泥浆相比弹性较大，在混凝土中起着类似“弹性中心”的作用，能够吸收外界施加的冲击能量，可有效减少应力集中，约束或延缓裂缝的发生、发展，宏观表现为降低混凝土的脆性，改善其抗冲击性能[4-9]。

目前，国内外学者对橡胶混凝土抗冲击性能研究较少，对混凝土抗冲击性能的影响因素和影响规律缺乏试验研究。笔者采用美国ACI544委员会提出的落锤试验法[10-15]，以C30和C50强度等级的混凝土为基准，采用粒径为1～3、3～6mm的橡胶颗粒，分别按照10%、15%（砂的体积分数）掺量等体积取代部分砂配制橡胶混凝土，对不处理、水洗处理、NaOH处理、复合处理等工况下的橡胶混凝土抗冲击性能进行了试验，研究基准混凝土强度等级、橡胶颗粒掺量和粒径、改性方法对混凝土抗冲击性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。粗骨料为石灰岩碎石，粒径为5～20mm， 20～40mm两种，两者之比为4：6，二级配，级配合格。细骨料为河砂，细度模数为2.70，最大粒径5mm，表观密度为2703kg/m³。橡胶颗粒粒径为1～3mm和3～6mm，表观密度为1119kg/m³。

1.2 试验配合比

基准混凝土为强度等级C30和C50的普通混凝土，橡胶颗粒掺量分别以10%和15%（砂总体积百分比）等体积取代砂，配合比见表1。

1.3 橡胶颗粒改性

水洗处理：将橡胶颗粒倒入清水中搅拌，多次清洗，直至水不浑浊，捞出晾干，装袋备用。NaOH处理：配制一定量的1%浓度的NaOH水溶液，将橡胶颗粒倒人溶液中浸泡，放置阴凉处24h后用清水多次清洗，用pH试纸测量水溶液，直至水溶液呈中性，将橡胶颗粒捞出晾干、装袋备用。复合处理：橡胶颗粒经NaOH溶液处理晾干后，再称取橡胶颗粒质量1%的KH570，用一定量的无水乙醇稀释后倒入橡胶颗粒中，以橡胶颗粒恰好全部湿润为宜。

1.4 试验方法

依据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）开展混凝土试件的拌和、成型、养护和抗压、劈拉强度试验。抗冲击试验采用美国AC1544委员会提出的落锤试验法，采用直径150mm、厚度65mm的圆饼形试件，冲击锤质量为4.5kg，冲击球直径为63mm，冲击架高度保证冲击锤质心与冲击球表面距离为500mm，试验装置见图1。

抗沖击试验步骤：①冲击锤自由落下，冲击放置于试件顶部中央的冲击球，每完成一次冲击为一次循环;②当试件顶面或底面出现第一条裂缝时对应的冲击循环次数即初裂冲击次数N，;③继续冲击循环，直至试件裂开，与冲击架4块挡板中的任意3块相接触时对应的冲击循环次数为终裂冲击次数N₂。

混凝土抗冲击耗能计算公式为

W=Nmgh（1）式中：mgh表示质量m为4.5kg的冲击锤在距离冲击球表面高h为500mm时具有的势能，约22.07J（重力加速度g取9.81m/s²）。

当循环次数N为初裂冲击次数N₁时，对应W₁表示混凝土抗初裂冲击耗能;当N为终裂冲击次数N₂时，对应W₂表示混凝土抗终裂冲击耗能。每组6个试件，去掉所得测值中的最大值和最小值，将剩余4个测值的平均值作为试验结果，并以此表示混凝土的抗初裂冲击耗能W₁和抗终裂冲击耗能W₂。

依据式（1）计算得出的wl或Wz均是22.07）的整数倍，实际上混凝土的抗初裂冲击耗能或抗终裂冲击耗能不一定正好是22.07J的整数倍，在第N₁次或第N₂次冲击前，试件初裂或破坏时耗能有可能小于mgh，这是该试验方法精度的局限性。

2 试验结果分析

2.1 橡胶混凝土与普通混凝土的对比

混凝土抗冲击次数与耗能情况见表2。C30基准混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数分别为18和19，相差1次;C50基准混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数分别为58和60，相差2次，虽然强度等级提高使初裂或终裂冲击次数增大很多，但试件从出现裂缝到裂开破坏仍然较快，表明基准混凝土的脆性较大。与基准混凝土相比，相应的橡胶混凝土强度低，但初裂冲击次数和终裂冲击次数大，试件从出现裂缝到裂开破坏承受的冲击次数为5～6次（C30系列）和4～6次（C50系列），比基准混凝土增大4～5次（C30系列）和2～4次（C50系列），充分说明橡胶混凝土脆性减小，韧性增大，原因是橡胶颗粒一方面吸收了冲击锤对混凝土的冲击能量，另一方面像纤维一样延缓了裂缝的发展进程。

2.2 橡胶混凝土抗冲击性能的影响因素

（1）基准混凝土强度等级的影响。当基准混凝土抗压强度等级提高时，橡胶混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数提高。

（2）橡胶颗粒的影响。当橡胶颗粒掺量及粒径增大时，橡胶混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数增大（见图2）。当橡胶颗粒掺量增大、粒径减小时，橡胶混凝土的抗压强度降低（见图3）。因此，对同一基准混凝土，当橡胶颗粒掺量相同时，随着粒径的增大，橡胶混凝土的抗压强度与抗冲击性能均增强;当橡胶颗粒粒径相同时，随着掺量的增大，橡胶混凝土的抗压强度减小，但抗冲击性能增强。

2.3 改性方法的影响

橡胶颗粒经过水洗处理、NaOH处理、复合处理改性后，C30-1～3mm-10%混凝土抗压强度依次稍有提高，初裂冲击次数和终裂冲击次数也有不同程度的提高，但从初裂到终裂的冲击次数差值基本没有变化（见表3），说明橡胶颗粒改性可以提高混凝土的抗冲击性能，但对混凝土从初裂到终裂的发展过程几乎没有影响。其中，复合处理对提高混凝土抗冲击性能作用最大，初裂冲击性能提高了15.8%，终裂冲击性能提高了12.5%。

3 结语

（1）与基准混凝土相比，橡胶混凝土的抗压强度降低，但抗冲击性能有所提高。

（2）橡胶混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数均随着基准混凝土强度等级、橡胶颗粒掺量和粒径的增大而增大。

（3）橡胶颗粒改性对混凝土的抗压强度和抗冲击性能均有提高，其中复合处理方法效果最好。

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