静动态荷载下改性橡胶对混凝土韧性影响研究

汤华明，倪修全，胡 时

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

随着汽车行业的快速发展，废旧轮胎的数量也在逐年增加[1]。将废旧橡胶替代混凝土中天然骨料用于土木建设中，可有效回收利用废旧橡胶，有利于实现环境友好和资源节约。已有大量研究表明，橡胶的掺入会降低混凝土的强度[2]，但同时可以提升混凝土的韧性[3]、冻融性[4]、耐磨性[5]、抗冲击性[6]、降噪性能[7]、阻尼性能[8]等。影响橡胶混凝土力学性能的因素主要有橡胶的粒径、掺量、橡胶骨料与水泥基体的粘结面强度等。文献[9]使用NaOH溶液对橡胶进行表面处理，橡胶等体积替换20%砂时，混凝土的抗压强度提升5.5%；使用硅烷偶联剂改性橡胶混凝土的阻尼比得到显著提升。文献[10]发现橡胶的粒径越小对混凝土强度的降低越明显，但文献[11]得出相反结论，文献[12]则认为橡胶粒径对混凝土强度无明显影响，总之各学者就橡胶粒径对混凝土强度的影响观点并不一致，因此仍有必要继续研究。

目前，对混凝土抗冲击性能的研究主要有落锤试验法和分离式霍普金森杆(SHPB)实验法。文献[13-14]通过落锤冲击试验，发现橡胶掺量在15%～20%时,混凝土韧性的提升最明显；使用橡胶纤维等体积替换混凝土中25%细骨料时，所有试件出现初始裂纹和最终破坏所消耗的能量都增加了约5倍，抗冲击性能明显提高。

目前，我国的桥梁隧道，高速公路，机场跑道等容易受到动态荷载的工程结构中仍大量使用混凝土材料，但由于混凝土的脆性特点，使之在动荷载作用下自身结构容易遭到破坏，为改善混凝土的脆性弱点，本文进行了静态压力试验和落锤冲击试验，测试了混凝土的抗压强度、抗折强度和抗冲击性能，以折压比和抗冲击韧性比作为韧性评价指标，对橡胶的粒径、掺量及掺合方式对混凝土韧性的影响进行研究。为在不同工程背景下橡胶混凝土的应用提供了依据。

1 试验

1.1 试验原料

水泥：海螺牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥；石子：5～20mm连续级配的碎石，表观密度2 609kg/m3，堆积密1 526kg/m3；砂：表观密度2 510kg/m3，堆积密度1 570kg/m3，细度模数2.67；水：实验室自来水；橡胶颗粒：2种粒径橡胶(R1:40～80目、R2：2～4mm)的表观密度分别为1 050kg/m3、1 170kg/m3；氢氧化钠：固体颗粒，分析纯，NaOH含量为96%。

1.2 橡胶处理

综合考虑经济和效果等因素，本文使用NaOH溶液对橡胶颗粒进行表面处理。首先将NaOH颗粒与水混合配成浓度为1mol/L的氢氧化钠水溶液，把橡胶颗粒倒入溶液中静置24h后使用清水反复冲洗，用PH试纸测量冲洗液直至PH=7，晾干后密封保存备用。

1.3 配合比设计

试验采用固配合比，水泥、石子、砂、水的质量比为1∶3.13∶1.54∶0.487，分别用R1、R2两种粒径橡胶以单掺和混掺的方式等体积替换混凝土中0%、7.5%、15%、30%砂制成橡胶混凝土，共制9组试件。为方便编写，下文中对各组份进行定义，如：NC∶素混凝土；R1C7.5∶R1的掺量为7.5%；R1+2C30∶ 等体积的R1与R2混合替换30%砂。

1.4 试验方法

抗压试验采用100mm×100mm×100mm的立方体试件；抗折试验采用100mm×100mm×400mm试件；落锤试验采用φ150mm×65mm的圆柱体试件，为保证落锤试验结果稳定性，根据文献[15]所述方法，使用自制落锤机进行试验如图1所示，试验中记录试件表面出现第一条裂纹时的冲击次数N1为初裂冲击次数，主裂缝贯穿试件上下面时的冲击次数N2为破坏冲击次数。为使橡胶在混凝土中分布均匀，首先将橡胶颗粒与砂倒入搅拌机中搅拌3min，然后依次加入石子、水泥，搅拌30s使干料混合均匀，最后加水搅拌3min，出料，将混凝土装入模具中震捣成型后立即使用薄膜覆盖，室温中静置1d，然后进行标准养护至28d。

图1 落锤试验实物图

1.5 韧性评价指标

静态：文献[16]使用折压比即抗折强度与抗压强度的比值，对混凝土的韧性进行评价，方法简单，且能有效表现混凝土的韧性，计算公式如下

k=ff/fc

(1)

其中：k为折压比；ff为抗折强度；fc为抗压强度；

动态：文献[17]将材料在冲击荷载下破坏所吸收能量的能力表示为材料的韧性，采用抗冲击韧性比对混凝土的韧性进行评价，计算公式如下

W=Nmgh

(2)

式中：W为冲击功；N为冲击次数；m为落锤质量，4.5kg；g为重力加速度，9.81m/s2；h为落锤高度，457mm。

C=Wi/W0

(3)

式中：C为抗冲击韧性比；Wi为橡胶混凝土破坏时的冲击功；W0为素混凝土破坏时的冲击功。

2 结果与分析

2.1 静态荷载下混凝土力学性能分析

静态荷载下，橡胶粒径、掺量及掺合方式对混凝土的抗压强度、抗折强度、折压比影响规律如图2所示。

(a)橡胶掺量-抗压强度折线图

图2(a)显示随橡胶掺量的增加混凝土的抗压强度呈下降趋势。橡胶掺量相同时，R2C的抗压强度更高，当掺量为30%时，R2C的抗压强度为27.8MPa,是R1C的130%，R1+2的114%，但较素混凝土降低了40%，文献[18]也得到相似结论，而文献[19]则认为不同粒径橡胶混掺时混凝土的抗压强度更高。图2(b)显示混凝土的抗折强度随橡胶掺量的增加不断降低，当橡胶掺量为30%时，R2C的抗折强度最低为4.4MPa，是R1C的122%，R1+2C的113%，但较素混凝土降低了20%。图2(c)显示混凝土的折压比随橡胶掺量增加而不断提升。当 R2掺量为30%，混凝土的韧性最高，为素混凝土的142%。

(a)静态荷载下NC的破坏形态

图3显示NC的整体破碎严重，破坏前表面裂纹较少，随荷载增大，出现贯穿整个试件的主裂纹后，试件迅速破坏，内部大量碎块散落，破坏时发出清脆的响声，卸载后完全碎裂。R1C30整体破坏较轻，无碎块剥落，破坏时基本没有声音，试件表面分布大量未贯穿试件的微裂纹，卸载后仍能保持较好的完整性，呈现出“裂而不碎”的特征。这是由于弹性模量差异，在压缩荷载作用下，橡胶与水泥基体粘结处容易产生集中应力，当集中应力超过粘结处强度时，产生微裂纹，使混凝土内部应力重分布；随荷载增大，微裂纹延伸并增宽，同时出现更多粘结处达到极限应力，产生更多微裂纹，多条微裂纹连接贯通致使试件最终破坏。

2.2 动态荷载下混凝土抗冲击性能分析

依次对9组试件进行落锤冲击试验得到各组混凝土的抗冲击性能参数见表1。

表1 混凝土抗冲击性能参数表

表1显示随橡胶的掺入，各组橡胶混凝土的初裂冲击次数N1、破坏冲击次数N2和对应的冲击功均得到不同程度的提升。R2C的韧性随橡胶掺量的增加不断提高，R2C30的抗冲击韧性比最高达到3.172，较素混凝土提升约2倍。R1C的韧性则随橡胶掺量的增加呈先提高后降低的趋势，当橡胶掺量超过15%时，R1C的韧性随橡胶掺量的增加开始降低。

A:贯通试件上下面的主裂缝；B：未贯穿试件的微裂纹图4 各组试件最终破坏形态

落锤冲击试验中发现NC脆性较强，碎裂时基本没有前期征兆，试件出现第一条裂缝后迅速破坏，所有裂缝均是贯穿试件上下面的主裂缝；而RC则是先出现微裂纹，随冲击次数增多，微裂纹延伸并增宽直至贯穿整个试件成为破坏试件的主裂缝；试件最终破坏形态如图4所示，发现随橡胶掺量的增加，试件破坏时的主裂缝数逐渐减少，未贯穿试件的微裂纹数呈上升趋势，试件的最终破坏程度逐渐减弱。在冲击荷载下，橡胶骨料通过自身变形，吸收部分冲击能量，减轻了混凝土的冲击损伤，增强了混凝土的抗冲击性能。但由于橡胶颗粒与水泥基体的粘结面(ITZ)处强度较弱，受到冲击荷载时，ITZ处结构容易遭到破坏，因此，当ITZ面积过大时，橡胶混凝土的韧性会有所降低。

3 结论

(1)随橡胶掺量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度呈下降趋势，折压比和抗冲击韧性比均提高。

(2) 所受力的形态不同时，橡胶的粒径和掺量对混凝土韧性的影响规律不同。静压荷载下，R1对混凝土韧性的提升更显著，而冲击荷载下，R2C具有更优的韧性性能。

(3)试验结果表明，R1、R2等量混掺对混凝土强度和韧性的影响并不能起到正面协同作用，且在静压荷载下，混凝土的韧性更接近于性能较差的R2C，因此不建议将不同粒径的橡胶混掺使用于实际工程中。