橡胶微膨胀混凝土抗压和抗折强度试验研究

徐 辉，张 成，刘佳钰，周扬锋，荣 彬

（1.华北中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市300000；2.天津大学，天津市300072）

0 引 言

橡胶集料混凝土是近几年来研究比较多的新型混凝土。橡胶集料混凝土是将橡胶颗粒作为混凝土的粗骨料或者细骨料，按照一定比例配制而成的混凝土，用以改善传统混凝土的性能。但由于混凝土中的粗骨料和细骨料与橡胶颗粒的粘结程度不够牢固，导致橡胶集料混凝土的抗压和抗折性能有不同程度的降低。

针对新拌橡胶集料混凝土的物理性能，国内外学者进行了大量的研究，得到了具有实际意义的结论。Khatib 和Bayomy[1]则对新拌橡胶集料混凝土的坍落度进行了研究;通过在混凝土中加入粒径不同的橡胶颗粒代替粗骨料或者细骨料，研究橡胶颗粒作为混凝土不同组分时对于坍落度的影响。通过试验研究表明，当橡胶颗粒作为粗骨料加入混凝土时，得到的新拌混凝土的坍落度与普通混凝土相比基本没有降低或者降低很少;而将橡胶颗粒作为细骨料加入到混凝土当中时，新拌混凝土的坍落度则下降得较多，如果橡胶颗粒作为细骨料的比例达到40%的时候，制作的混凝土己经失去了工作性。

将混凝土颗粒作为混凝土骨料代替一定的传统砂石骨料可以有效改善混凝土构件的延性，提高其抗裂性能；但是其抗压强度会有一定的降低，为了补偿这种效应，可以加入适量的混凝土膨胀剂来提高混凝土强度。本文研究了膨胀剂种类以及膨胀剂掺量，橡胶颗粒掺量对混凝土强度的影响，并筛选出最适合的膨胀剂掺量，橡胶掺量混凝土配合比。

1 原材料与配合比

1.1 原材料

此次试验采用的水泥为P.042.5 型号普通硅酸盐水泥；使用的粗骨料为石灰质岩的碎石，粒径为5～20 mm，表观密度为2.6 g/cm3；细骨料为天然河砂，细度模数为2.45，表观密度为3.5 g/cm3；橡胶颗粒集料密度为1.09 g/cm3，平均粒径为1.2 mm。

1.2 配合比

试验配合比见表1、表2。其中CHA4CR0 代表4%掺量硫铝酸钙类膨胀剂，0%掺量橡胶颗粒，其他以此类推。本试验试件混凝土混合不同比例橡胶颗粒及不同比例不同种类的膨胀剂。本试验试件混凝土采用C35 混凝土配合比。水灰比0. 44，膨胀剂掺入法采用外掺法，膨胀剂比例为水泥掺量的百分比。本次试验采用4%、8%、12%、15%掺量膨胀剂，以便尽可能大范围考虑膨胀剂掺量对混凝土试件强度的影响，采用0%、2%、4%、6%、8%掺量橡胶颗粒，根据已有研究[9]中橡胶掺量8%以上对于混凝土试件的强度影响较大，因而未选取大于8%掺量橡胶颗粒，其中膨胀剂掺量为0%时为对比组。

2 试验方法

2.1 膨胀剂种类掺量改变情况下的混凝土抗压强度

此次试验中共有54 组试件，分别对应不掺入膨胀剂6 组，掺入CHA 膨胀剂24 组，掺入CSA 膨胀剂24 组，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试验试件强度要乘以尺寸折减系数0.95。

表1 膨胀剂掺量不同的配合比表 单位：kg/m3

表2 膨胀剂橡胶颗粒掺量不同的配合比表 单位：kg/m3

2.2 膨胀剂种类掺量和橡胶颗粒掺量同时改变情况下的混凝土抗压抗折强度

（1）此次试验中有30 组试验，膨胀剂掺量为8%、10%、12%，膨胀剂种类为CSA 和CHA，橡胶掺量为0%、2%、4%、8%。立方体抗压强度试验参考标准试验方法进行，每组有三个试件，所有试件均在标准养护条件下养护成型，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试验试件强度要乘以尺寸折减系数0.95。

（2）抗折强度试验按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》试验方法进行，膨胀剂掺量，种类，橡胶掺量与混凝土立方体抗压强度试验均相同。试件为100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体混凝土试件，试验试件强度应乘以尺寸换算系数0.85。

（3）混凝土抗折强度计算按式（1）计算：

式中：Ff为混凝土抗折强度，MPa；F 为试件被破坏荷载，N；L 为支座间跨度，mm；H 为试件截面高度，mm；B 为试件截面宽度，mm。

混凝土抗折强度计算精确至0.1 MPa。

3 试验结果与分析

3.1 膨胀剂种类掺量改变情况下的混凝土抗压强度

对54 组试件进行抗压强度试验。试件破坏见图1。未添加膨胀剂的试块在试验过程中外表剥落较为明显，添加膨胀剂的试块多为只出现裂缝，而外表混凝土仍然较为完好，但膨胀剂添加量达到15%的试块试验过程中会在发出“嘭”的清脆响声同时，试块开裂。

不同种类，不同掺量的膨胀剂的混凝土抗压强度见图2。

图1 强度试验试件

图2 膨胀剂及其掺量变化时的抗压强度变化曲线

由图2 可知可以看出各试件组的抗压强度曲线呈现波浪形，相对于普通混凝土的构件组，掺入膨胀剂的构件组抗压强度都有不同程度的提高。掺入量越高强度提高的越多，且CSA 与CHA 膨胀剂掺量相同情况下对抗压强度的提高差别不大，膨胀剂添加4%硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的相对抗压强度提高最少，添加8%、12%、15%的膨胀剂强度提高较明显，但对于添加量为15%的构件强度提高与添加量8%和12%相比提高不够明显，后期双掺试验考虑添加量8%～12%范围进行后期试验。

3.2 膨胀剂种类掺量和橡胶颗粒掺量同时改变情况下的混凝土抗压强度

对90 组试件进行抗压强度试验。试件破坏见图3。同时添加膨胀剂和橡胶颗粒的试块多为只出现裂缝，而外表混凝土仍然较为完好，但橡胶颗粒添加量达到8%的试块试验过程中会出现轻微剥落。

膨胀剂种类掺量和橡胶颗粒掺量同时改变情况下的混凝土抗压强度见图4、图5。

由图4 可知各试件组的抗压强度曲线随橡胶颗粒添加量的增加呈现下降趋势，相对于只添加膨胀剂的混凝土构件组，掺入橡胶颗粒的构件组抗压强度都有不同程度的降低；相对于两者都不掺的素混凝土试块，添加8%、10%硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的混凝土试块在添加橡胶颗粒量达到4%之前，抗压强度均大于素混凝土试块抗压强度，橡胶颗粒掺量增加，CHA8 混凝土试块的抗压强度降低较为明显。对于混凝土试件，橡胶颗粒掺入量越高强度越低，添加12%硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的混凝土试块与添加10%硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的混凝土试块抗压强度变化不大，在添加橡胶颗粒量达到6%时抗压强度与素混凝土试块的抗压强度基本一致，而抗裂性能得到较大提高。橡胶颗粒添加量达到8%时，强度降低明显。

图3 强度试验试件

图4 CHA 中橡胶掺量变化的抗压强度

图5 CS A 中橡胶掺量变化的抗压强度

由图5 可知，添加12%氧化钙类（CSA）膨胀剂的混凝土试块与添加8%、10%氧化钙类（CSA）膨胀剂的混凝土试块抗压强度变化不大，橡胶颗粒含量增加混凝土试件强度明显降低，混凝土试块在添加橡胶颗粒量达到6%之前，双掺的混凝土试件的抗压强度是大于素混凝土试件的抗压强度的。混凝土试块在添加橡胶颗粒量达到8%时，抗压强度下降达30%以上。

综合图4、图5 可知，添加氧化钙类（CSA）膨胀剂的混凝土试块抗压强度比添加同等掺量是硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的混凝土试块抗压强度大。相对于普通混凝土的构件组，掺入膨胀剂的构件组抗压强度都有不同程度的提高。掺入量越高强度提高的越多，添加4%硫铝酸钙类（CHA）膨胀剂的相对抗压强度提高最少，添加8%、12%、15%的膨胀剂强度提高较明显，但对于添加量为15%的构件强度提高与添加量8%和12%相比提高不够明显，后期双掺试验考虑添加量8%～12%范围进行后期试验。

3.3 膨胀剂种类掺量和橡胶颗粒掺量同时改变情况下的混凝土抗折强度

对90 组试件进行抗折强度试验。试件破坏见图6。试验中构件仅出现一条裂缝未有其他变化。

图6 抗折试验试件

由图7、图8 可知各试件组的抗折强度曲线随橡胶颗粒添加量的增加呈现下降趋势。

图7 CHA 中橡胶掺量变化时的抗折强度

图8 CS A 中橡胶掺量变化时的抗折强度

由图7 可知，CHA 膨胀剂掺量越多，混凝土试件抗折强度提高越明显。橡胶掺量越多，混凝土试件抗折强度下降的越明显，其中橡胶掺量起到主要控制作用。当橡胶掺量达到6%之后，混凝土试件抗折强度下降的十分明显，当橡胶掺量到8%时，CHA5混凝土试件抗折强度下降达20%以上。考虑到经济效益，CHA10 混凝土试件的抗折强度表现较好。

由图8 可知，总体上，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的抗折强度是逐步降低的，CSA 的掺量在8%～12%变化时对于混凝土试件抗折强度的提升区别不大，橡胶颗粒对试件的抗折强度起到控制作用。在橡胶掺量达到6%之前，CSA10 试件与CSA12试件随着橡胶颗粒掺量抗折强度的变化趋势基本一致，数据相差不大。考虑到经济效应，CSA10 为最优的选择。

综合图6、图7 来看，两种膨胀剂对于试件的抗折强度的影响差别不大。

4 结 论

（1）在混凝土中掺入膨胀剂对混凝土的强度的较为明显的提高，4%～12%膨胀剂掺量时，混凝土试件的强度提高的较为明显，12%～15%膨胀剂掺量时，混凝土试件的强度提高的不多。

（2）橡胶的掺入有利于混凝土试件的延性破坏，相应的橡胶掺量的增加使得混凝土试件的强度降低，8%橡胶掺量时，混凝土抗压强度下降达30%以上。

（3）加入膨胀剂可以使混凝土更加密实，膨胀剂的掺入一定程度上补偿了橡胶混凝土强度的损失。在抗压强度，抗折强度中橡胶掺量起主要因素，膨胀剂掺量起次要因素，且在6%橡胶掺量与10%膨胀剂掺量的配合比下的混凝土试件力学性能优于其他复掺的试件。