橡胶自密实混凝土多龄期抗压强度试验研究

王德奎,何仕,庄金平,林晗绯

(1.闽台合作土木工程技术福建省高校工程研究中心，福建 福州 350118；2.福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118；3.福建工程学院，福建 福州 350118；4.福建工程学院 建筑与城乡规划学院，福州，350118)

废旧橡胶经机械加工后掺入混凝土中能限制裂缝发展，是废旧橡胶环保再利用重要渠道，具有良好的社会和经济效益。文献[1-4]对橡胶混凝土进行了研究，橡胶混凝土强度随着橡胶掺量的增加而降低，橡胶混凝土浇筑振捣过程中存在橡胶上浮等问题。而橡胶加入较高强度等级的自密实混凝土中不仅可以提高橡胶掺量，因自密实混凝土免振捣还可解决橡胶因振捣上浮的问题。文献[5-9]对橡胶自密实混凝土力学性能进行了研究，但相关橡胶自密实混凝土的研究文献还相对较少，且对力学性能的研究多集中在28 d龄期。因橡胶自密实混凝土掺粉煤灰较大，其强度在28 d后还会继续增加，橡胶自密实混凝土早期强度如何发展、早期强度与后期强度关系，强度与所掺橡胶粒径、橡胶掺量的关系等方面有待于继续研究完善。本文以不同橡胶掺量、不同橡胶粒径，对橡胶自密实混凝土进行多龄期的抗压强度进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试验材料与配合比设计

参照《普通混凝土配合比设计规程》[10]、《自密实混凝土应用技术规程》[11]等规程，按C50自密实混凝为基准自密实混凝土进行配制。水泥：P.O 42.5，密度 3.10 g/cm3；II级粉煤灰，表观密度2.35 g/cm3；砂子，河砂，表观密度2.65 g/cm3；石子采用反击破碎石，表观密度2.75 g/cm3；减水剂采用省建科院生产的聚羧酸高效减水剂，掺量百分比按占胶料总质量计算，为满足橡胶自密实混凝土的坍落度扩展度，通过试配改变并确定减水剂的掺量。橡胶粉，表观密度1.159 g/cm3；1～2 mm橡胶颗粒，表观密度1.193 g/cm3；2～4 mm表观密度1.126 g/cm3。试验用“混凝土类型-橡胶掺量-橡胶粒径”来编号，其中，RSCC为橡胶自密实混凝土，SCC为自密实混凝土； F代表橡胶粉，L1代表1～2 mm橡胶粒，L2代表2～4 mm橡胶粒，如RSCC-10-F代表掺入橡胶粉、掺量为10%的橡胶自密实混凝土。经多次实验室试配，橡胶自密实混凝土各组材料用量如表1。

表1 橡胶自密实混凝土每立方材料用量Tab.1 Material consumption of RSCC per cubic meter

1.2 试验方案

橡胶粒径大小、橡胶掺量是影响橡胶自密实混凝土力学性能重要因素，在配制基准自密实混凝土的基础上，通过掺入等体积取代砂的橡胶，研究不同橡胶粒径大小、掺量对橡胶自密实混凝土多龄期力学性能的影响。抗压强度试件采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体，一个配合比为一批次试件，每批次试件试验龄期分别有7、28、60 d，掺入橡胶粒径类型分别2～4 mm橡胶颗粒、1～2 mm橡胶颗粒、橡胶粉，橡胶掺量分别为10%、20%、30%、40%，共13批次41组试件，每组试件3个，为验证橡胶自密实混凝土60 d强度是否已经趋于稳定，特设置90 d试件两组。本次试验压力机采用500T液压伺服压力机，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12](GB/T50081-2002)规定加载。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

基准自密实混凝土试块在试验加载时，细微裂缝首先出现在试件的粗糙面，荷载继续增加，部分混凝土块从粗糙面上脱落。在相对粗糙面的试件表面上，竖向裂缝首先出现在靠近棱边的上方位置并向下发展，接近极限荷载C60时，裂缝宽度增加并在其旁出现多条细裂缝，当细微裂缝出现在试件中心后不久，试件突然爆裂并伴随巨响，碎块飞向四周。靠近混凝土试件中部的混凝土脱落最多，往承载面两端逐渐减少，残余试件呈两个相对对称的四角锥形，破坏形态呈明显的脆性特征。

掺入2～4 mm橡胶颗粒系列的橡胶自密实混凝土试件破坏过程中，细微裂缝也先出现在试件的粗糙面，随荷载继续增加，部分混凝土块从粗糙面上脱落。在相对粗糙面的试件表面上，侧棱边的附近首先有细微的裂缝出现，并斜向试块中部，接近极限荷载时，有混凝土破坏时的撕裂声，相比基准自密实混凝土声音较小，无向四周飞溅混凝土块，破坏裂缝较均匀地分布试件中。橡胶掺量越多，破坏时声音越小，试件横向变形越大，裂缝数量越多并发展越慢，试件完整性越好。

掺入1～2 mm橡胶颗粒的橡胶自密实混凝土试件破坏过程中，相比RSCC-L2系列的试件，破坏形态相似，但同橡胶掺量的试块，破坏时分布于试件的裂纹数量相对要少。

掺入橡胶粉的橡胶自密实混凝土试件破坏过程中，在同橡胶掺量下，相比掺入橡胶颗粒的试件，试件破坏时裂缝数量相对较少，但掺入橡胶粉，也有利于改善自密混凝土脆性破坏形态。

2.2 试验结果分析

表2 橡胶自密实混凝土多龄期抗压强度试验值与预测值Tab.2 Compressive strength test and predicted values of RSCC at different cuing ages

2.2.1 橡胶掺量对各龄期橡胶自密实混凝土抗压强度的影响分析

不同橡胶掺量的橡胶自密实混凝土7 d强度如图1(a)所示。掺入橡胶粉，橡胶掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降18.8%、36.0%、47.2%、56.8%。掺入1～2 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了15.2%、27.7%、37.8%、43.6%。掺入2～4 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了15.4%、27.3%、40.7%、49.2%。橡胶自密实混凝土7 d龄期强度，橡胶掺量越多强度越小；随掺量的增加，掺橡胶粉的强度值下降更快。

不同橡胶掺量的橡胶自密实混凝土28 d强度如图1(b)所示。掺入橡胶粉，橡胶掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降22.4%、33.1%、43.9%、44.0%。掺入1～2 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了5.6%、17.8%、37.6%、42.0%。掺入2～4 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了18.0%、24.9%、29.7%、42.7%。橡胶自密实混凝土28 d龄期强度，橡胶掺量越多强度越小；橡胶掺量10%、20%，掺1～2 mm橡胶颗粒的强度值下降相对要小些。

不同橡胶掺量的橡胶自密实混凝土60 d强度如图1(c)所示。掺入橡胶粉，橡胶掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降24.5%、35.0%、47.8%、61.0%。掺入1～2 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了15.7%、24.5%、32.4%、45.5%。掺入2～4 mm橡胶颗粒，掺量10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土强度相对橡胶零掺量自密实混凝土分别下降了22.3%、26.8%、35.4%、50.4%。橡胶自密实混凝土60 d龄期强度，橡胶掺量越多强度越小。

图1 各龄期掺不同橡胶掺量强度曲线Fig.1 Compressive strength of RSCC with different rubber dosage at different curing ages

2.2.2 橡胶粒径对各龄期橡胶自密实混凝土抗压强度的影响分析

橡胶粒径对橡胶自密实混凝土7 d强度的影响如图2(a)所示。橡胶掺量为10%时，掺入不同橡胶粒径的强度值较为接近，橡胶粒径大小对强度影响不大。橡胶掺量为20%时，掺入橡胶颗粒的强度值较为接近，但掺橡胶粉的强度值下降较为明显。橡胶掺量为30%时，掺橡胶颗粒1～2 mm的强度值略高于掺入橡胶颗粒2～4 mm，掺橡胶颗粒的强度高于掺橡胶粉。橡胶掺量达40%时，掺橡胶颗粒1～2 mm的强度高于掺橡胶颗粒2～4 mm。综上，掺入两种橡胶颗粒的橡胶自密实混凝土在同掺量下，强度值较为接近，掺橡胶粉的强度相对均较低。

橡胶粒径对橡胶自密实混凝土28 d强度的影响如图2(b)。橡胶掺量10%、20%，掺1～2 mm橡胶颗粒的强度较明显高于掺2～4 mm橡胶颗粒，掺橡胶粉的强度最小。橡胶掺量30%、40%，掺2～4 mm橡胶颗粒的强度值较接近掺1～2 mm橡胶颗粒的强度值，掺橡胶粉的强度值与掺橡胶颗粒的强度差值较大。同掺量下掺入橡胶粉的强度均小于掺入橡胶颗粒的强度，掺入1～2 mm橡胶颗粒的抗压强度值最大，特别在掺量10%、20%时要明显高于其它两种橡胶类型。

橡胶粒径对橡胶自密实混凝土60 d强度的影响如图2(c)。橡胶掺量10%，掺1～2 mm橡胶颗粒的强度较明显高于掺2～4 mm橡胶颗粒。橡胶掺量20%、30%、40%，掺2～4 mm橡胶颗粒的强度值较接近掺1～2 mm橡胶颗粒的强度值。不同橡胶掺量，掺橡胶粉的强度值最小，与掺橡胶颗粒的强度差值较大。

图2 各龄期掺不同橡胶粒径强度曲线Fig.2 Compressive strength of RSCC with different particle size at different curing ages

3 预测橡胶自密实混凝土抗压强度经验公式

3.1 以橡胶粒径、掺量为变量的抗压强度预测经验公式

通过试验获得了不同橡胶粒径、掺量的橡胶自密实混凝土抗压强度试验数据，采用最小二乘法，回归分析橡胶粒径、橡胶掺量对橡胶自密实混凝土立方体抗压强度的预测公式，所得公式(1)：

(1)

3.2 7 d龄期强度预测后期强度经验公式

掺入橡胶为1～2 mm粒径，掺量分别为10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土，28 d强度值相对7 d分别增长30.1%、32.8%、36.0%、20.2%，60 d强度值相对7 d强度分别增长了35.9%、42.7%、48.6%、32.1%。掺入橡胶粉，掺量分别为10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土，28 d龄期相比7 d龄期分别增长了11.6%、22.0%、24.2%、24.4%，60 d强度值相对7 d强度分别增长了27.0%、38.8%、35.2%、23.3%，掺量40%的试件28 d强度已经趋于稳定。掺入橡胶为2～4 mm粒径，掺量分别为10%、20%、30%、40%的橡胶自密实混凝土，28 d强度值相对7 d分别增长了13.2%、20.6%、38.5%、31.7%，60 d强度值相对7 d强度分别增长了25.7%、37.5%、49.1%、33.5%，掺量40%的试件28 d强度已经趋于稳定。在试验所得橡胶自密实混凝土7、28、60 d强度的基础上，采用最小二乘法，回归分析橡胶自密混凝土后期28、60 d强度与早期7 d强度的预测公式，所得公式(2)：

(2)

5 结论

1)橡胶加入改变了自密实混凝土的内部结构，在混凝土抗压破坏中起到一定的缓冲、承载作用，改善了自密实混凝土脆性破坏，抗压破坏形态中具有一定的塑性特性。

2)掺不同橡胶粒径、掺量的橡胶自密实混凝土抗压强度均随橡胶掺量的增加而减小；掺两种不同粒径橡胶颗粒的7 d龄期强度差值很小，28、60 d龄期强度在掺量10%时，掺1～2 mm橡胶颗粒较明显高于掺2～4 mm橡胶颗粒；同掺量条件下，掺橡胶粉的抗压强度均低于掺橡胶颗粒的强度值。

3)橡胶自密实混凝土7 d龄期的抗压强度发展可达60 d抗压强度的65%～80%，7 d后强度增长趋势有所减缓，掺橡胶颗粒、掺量40%的试件在28 d龄期抗压强度值已经趋于稳定，两组90 d龄期试件强度与60 d的试件强度对比增长很小，60 d抗压强度值已经趋于稳定。结合试验数据拟合了橡胶粒径、掺量与抗压强度的关系式，拟合了早龄期强度与后期强度的预测公式，通过验证拟合预测与试验结果吻合较好。