橡胶缓凝混凝土力学性能和抗裂性能研究

何丽丽，刘富森*，朱涵，栗东平

（1.河北工程大学，河北邯郸056038；2.天津大学，天津300192）

0 引言

裂缝是由混凝土浇筑后内部的收缩应力超过其抗拉强度所产生［1］。研究表明，温度收缩和自收缩是导致混凝土在约束条件下早期收缩开裂的主要原因［2-3］。温度收缩，由于水泥水化产生水化热，在构件中形成温度梯度，进而转化成热应力，就有可能造成混凝土开裂。针对混凝土易开裂性能，研究者提出了不同的方法进行改性［4］。橡胶颗粒混凝土是一种新型混凝土，降低混凝土脆性和提高混凝土抵抗变形能力是其主要特征，又被称为“弹性混凝土”［5-7］。张亚梅等［8］进行的相关试验结果表明:砂浆中加入橡胶颗粒能够有效地抑制砂浆的塑性收缩开裂；亢景付等［9］发现橡胶的加入有效地改善了试块的抗裂性，提高了其抗开裂能力；Kaloush等通过温缩试验发现橡胶混凝土受温度影响会形成温度裂缝。为解决混凝土易受温度影响的问题，本文用缓凝剂来推迟水化热的峰值，预防早期温度裂缝的出现。研究发现橡胶颗粒的掺入降低了混凝土的部分强度［10］，但缓凝剂对橡胶混凝土强度的影响还少有人研究。

综上，可用橡胶颗粒改善混凝土自身的脆性，采用外方内圆偏心约束法研究同时掺入橡胶颗粒和缓凝剂的混凝土的开裂性能。本文利用外加缓凝剂，研究同时掺入缓凝剂和橡胶颗粒后混凝土的力学性能。

1 原材料与配合比

1.1 试验原材料

本试验采用邯郸市通茂商品混凝土有限公司的42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用的是天然河砂，细度模数为2.5，属于中砂；粗骨料为粒径5～25mm的碎石；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，细度为22，孔隙率60%；减水剂采用萘系减水剂；橡胶颗粒粒径为3mm左右；缓凝剂为河北晴俊化工厂所生产的混凝土缓凝剂。

1.2 试验配合比

在做橡胶缓凝混凝土抗裂性能试验时，本文分别研究了10不同配比的混凝土试块（分别为普通混凝土，0.1%缓凝剂掺量混凝土，5%、10%、15%和20%橡胶颗粒掺量的混凝土和0.1%缓凝剂分别与4种不同掺量橡胶颗粒同时掺入的混凝土）的开裂性能，缓凝剂在混凝土中等体积取代水泥，橡胶颗粒在混凝土中等体积取代细骨料，其他材料用量跟普通混凝土相同。普通混凝土中水:水泥:砂=1:2:3，具体配合比见表1。

表1 混凝土抗裂性试验配合比kg/m3

在进行橡胶缓凝混凝土强度分析时，试验采用4组不同配比对比，每组3个试块，具体配合比见表2，分别将其标号为C40-1、C40-2、C40-3和C40-4，对比4组7d和28d的平均抗压强度和抗折强度以及压折比。

表2 混凝土强度测定配合比kg/m3

2 试验方法

2.1 混凝土抗压抗折强度试验

（1）立方体抗压强度和抗折强度试验方法参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行［11］，抗压试样尺寸为150mm×150mm×150mm，如图1所示，混凝土试件都采用机械搅拌、机械振实。试件成型后放入标准养护室箱静置24h后拆模，随后移至标准混凝土养护室中养护。

图1 抗压试验破坏后的试件

（2）抗折试样尺寸为150mm×150mm×600m，如图2所示，1d后拆模，养护室的条件为：温度20℃左右，相对湿度55%左右；根据要求测定每种配合比7d、28d的抗折强度，试验装置如图3所示。

图2 抗折试验破坏后的试件

图3 抗折强度试验装置

2.2 混凝土抗裂性试验

抑制水泥基材料收缩一直以来是学者研究的重要方向，材料收缩会使混凝土建筑出现微观和宏观裂缝，影响混凝土自身结构，进而直接消弱建筑质量，缩短其耐久性［12］。要改善此固有属性，需添加合适的外加剂。

在测量混凝土开裂时间的试验中，本文采用了外方内圆偏心约束法进行测量［13］，这种方法可以预估裂缝的大致位置，便于裂缝的观察；利用偏心的作用，可以缩短试件开裂时间，提高试验工作效率和缩短周期。模具形状与尺寸如图4所示。模具由正方形钢材料底座和四边钢槽组成，采用螺栓连接，内部钢圈镶嵌在单向偏心的位置，钢制模具具有耐磨性好、可塑性强等优点，便于制作和使用。

本试验中，运用了自动检测装置记录开裂时间，如图5所示。由于开裂位置在混凝土厚度较薄一侧，在开裂位置附近涂一层导电性粘附材料，干燥之后，利用导线将它与时钟连成闭合的通路，把时钟时间调试为当前时间，每隔12h做记录，并观测1次时钟是否停止，如果时钟停止，则证明试件开裂，开裂时间即为指针所指的时刻。

本试验共有10种不同的配合比，每种配合比3个试件，混凝土灌入模具后，放到振动台震动15s左右，在混凝土表面铺上塑料薄膜，并开始记录时间，试验记录第一个试件的开裂时间和试件开裂的平均开裂时间。

图4 模具形状与尺寸

图5 试件开裂装置开裂检测实图

3 试验结果及分析

3.1 混凝土抗压抗折强度

混凝土的抗压抗折强度试验结果见表3。

表3 混凝土力学性能

由表3试验结果可以得出，与普通混凝土相比，橡胶颗粒的加入明显降低了混凝土部分抗压和抗折强度，其中7d强度分别减少了18%和15%，28d强度分别减少了21%和17%，抗折强度降低的相对幅度小于抗压强度降低的相对幅度，说明橡胶的加入改善了混凝土的脆性；与C40-1相比较，C40-3组7d强度增加了9%和7%，28d强度分别增加了6%和5%，缓凝剂的加入提高了混凝土强度，但不会影响混凝土的长期力学性能，掺入缓凝剂可以改善水泥的水化速度，使水化硅酸钙等产物分布更加均匀并充分水化，有助于提高混凝土后期强度。

对比C40-2与C40-4，同时掺入橡胶颗粒和缓凝剂，相对于橡胶混凝土，整体强度有一定提高，其中7d强度增加了15%和8%，28d强度增加了12%和13%，由表3可得，缓凝剂的掺入主要影响混凝土前期的抗压强度和中后期的抗折强度；从C40-4抗折强度变化看出橡胶颗粒是主要影响因素，而小掺量的缓凝剂对混凝土抗折性能影响不大。通过比较28d压折比可以看出，缓凝剂的加入对整体影响较小，压折比的减小主要是橡胶颗粒的作用，证明混凝土脆性降低；同时也说明橡胶颗粒和缓凝剂的加入使得混凝土抗折强度增强，从而抗裂性能也得以改善。

延长混凝土的凝结时间是缓凝剂的最主要作用，水化热会使混凝土产生温度裂缝，加入缓凝剂既可以增强混凝土的强度，也可以实现低掺量超缓凝的作用，从而使混凝土由于水化热而产生的温度裂缝减少；由于缓凝剂是采用外加法掺入，适当地加入缓凝剂，可以加快混凝土颗粒表面吸附位的快速吸附，进而使得混凝土的强度有一定程度的提高。

3.2 混凝土抗裂性试验

不同混凝土的开裂时间见表4。

表4 不同混凝土的开裂时间

由表4可知，缓凝剂和橡胶颗粒的加入均能延缓试件的开裂时间。其中单独掺加缓凝剂有效地改善了水化热产生的温度裂缝，开裂时间明显延缓，试验中相比普通混凝土，加入缓凝剂后开裂时间延长了约1.5倍；从不同橡胶颗粒掺量的RM组可以看出，橡胶颗粒可以明显起到阻裂的作用，并且随着橡胶颗粒掺量的增多开裂时间也得到延长；由双掺组可看出，同时掺加橡胶颗粒和缓凝剂后提高了混凝土的抗裂性，而且因为缓凝剂的加入，使得橡胶的作用得到了更好的发挥，相对于单掺橡胶颗粒组的混凝土试块，RM+OM组的混凝土试块第一次出现裂缝时间和平均开裂时间都随橡胶颗粒的增多而延长，开裂时间要比单掺缓凝剂组延长。综上可知，掺加不同配合比外加剂的混凝土开裂性能由优到劣依次是：双掺橡胶缓凝混凝土、橡胶颗粒混凝土、缓凝剂颗粒混凝土和普通混凝土。

引起混凝土开裂主要有水化热引起的温度裂缝和自身脆性裂缝。因此，如果要提高混凝土的抗开裂性，就要加入抗裂组分来消减这这两个因素。掺入缓凝剂是为了推迟和降低水化热的峰值，进而推迟早期温度裂缝的出现；橡胶颗粒是柔性材料，加入到混凝土中后，可以改善混凝土的脆性，增强混凝土抵御变形能力，减少了混凝土内部空隙和表面裂缝的数量和宽度，橡胶颗粒可以有效改善混凝土本身材料内部的薄弱点，能够有效起到预防裂缝产生的效果，增强抗开裂性能。此外，混凝土在早期收缩时，缓凝剂的加入可以有效提高水泥水化的效率，使得混凝土内部产物分布更均匀，产生的凝胶体网架结构更坚固，结构缺陷数量下降；而且缓凝剂兼具部分减水剂的功能，可以有效减少混凝土搅拌用水量，降低水灰比，有助于提高混凝土内部的密实度，进一步提高抗压和抗折等强度。因此，同时掺入橡胶颗粒和缓凝剂，可以有效地作为抗裂组分对温度裂缝和脆性这两个因素进行抑制，双重提高混凝土的抗开裂性能。

基于此试验可以得出，单独掺入橡胶颗粒，会降低混凝土脆性，降低其弹性模量，而且橡胶颗粒等体积取代细骨料，会造成混凝土整体强度下降，当自身收缩应力达到峰值时，混凝土会发生局部的开裂。橡胶颗粒不能降低水化热产生的热动力峰值，此时缓凝剂的加入能够有效地改善温度引起的裂缝，并使得橡胶颗粒可以充分消减混凝土内部所产生的应力集中现象，发挥其材料的韧性，较大程度地增强混凝土的抗开裂性。

4 结论

（1）缓凝剂的掺加提高了橡胶混凝土的抗压和抗折强度，但总体影响不大，减小了混凝土的压折比，因加入橡胶颗粒造成的混凝土强度降低得到了补偿。

（2）采用外方内圆偏心约束法测试了混凝土的早期开裂情况，试验结果表明，橡胶颗粒和缓凝剂的加入可以提高混凝土的抗裂性，其中同时掺入一定量的橡胶颗粒和缓凝剂效果最佳，优于单独加入橡胶颗粒混凝土、缓凝剂混凝土和基准混凝土。