不同预处理方式对橡胶混凝土工作性能及抗压强度的影响

于 群, 孙明博, 杨 敏

(沈阳大学 a. 建筑工程学院; b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

橡胶混凝土是一种新型复合材料,与普通混凝土相比,其具有质量轻、抗冲击性好、抗冻性能好等优点[1-5].但由于橡胶颗粒表面和水泥砂浆结合面的性能较差,橡胶混凝土的强度一般低于普通混凝土,为解决这一问题,国内外学者采用了多种预处理方式对橡胶颗粒进行预处理,以增强橡胶颗粒与水泥砂浆的结合面强度,并得出了预处理后抗压强度能够提高的普遍性结论[1]80.

本文在已有研究基础上,从预处理方式的经济性和工程适用性的角度出发,选取了具有代表性的清水、无机溶液(NaOH溶液)、有机溶液(CCl4溶液)等三种预处理方式,系统研究了不同预处理方式对不同橡胶粒径和掺量的橡胶混凝土工作性能和抗压强度的影响规律,以期为橡胶颗粒预处理方式的选取提供参考借鉴.

1 试验设计

1.1 试验原材料

(1) 水泥. 辽宁本溪山水实业有限公司生产的工源牌42.5级普通硅酸盐水泥;

(2) 细骨料. 普通河砂,最大粒径为5 mm,连续级配,表观密度为2 540 kg/m3;

(3) 粗骨料. 碎石,粒径为5～25 mm,连续级配,级配合格,表观密度为2 780 kg/m3;

(4) 粗橡胶粒(胶粒a). 沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的粒径为2～4 mm的废旧轮胎粗橡胶粒,表观密度为1 250 kg/m3;

(5) 细橡胶粒(胶粒c). 沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的粒径为60～80目的废旧轮胎细橡胶粒,表观密度为890 kg/m3;

(6) 外加剂. 山西黄腾化工有限公司生产的UNF-1型萘系高效减水剂,减水率的质量分数为16%;

(7) 化学试剂. 沈阳市新化试剂厂生产的NaOH溶液、CCl4溶液;

(8) 水. 自来水.

1.2 试验配合比

基准混凝土设计强度为C45,水胶质量比取0.39,减水剂掺量为水泥质量的0.75%.橡胶混凝土是将不同处理方式的废旧橡胶颗粒分别按10%、20%等体积取代细骨料掺加到基准混凝土中,具体配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Proportions of concrete mix

注: CC表示基准混凝土;CRC表示橡胶混凝土;编号中的1～17表示组号.

1.3 试验方法

试验共设计17组,51个试件,试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm的标准试件.第1组为基准混凝土,即未掺加橡胶颗粒;第2～5组为未处理橡胶混凝土,即掺加的橡胶颗粒未作任何处理;第6～9组为清水改性的橡胶混凝土,即掺加的橡胶颗粒先用清水浸泡2 h后自然晒干;第10～13组为无机溶液改性的橡胶混凝土,即掺加的橡胶颗粒先用质量分数为3%的NaOH溶液浸泡2 h后用水反复冲洗,自然晒干;第14～17组为有机溶液改性的橡胶混凝土,即掺加的橡胶颗粒先用CCl4溶液润湿,静置2 h后用水反复冲洗,自然晒干.

混凝土试件均采用机械搅拌、机械振实,依据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)测试混凝土的立方体抗压强度,试验机为长春新特试验机有限公司生产的YAW-3000型微机控制电液伺服压力试验机.

2 试验现象

在混凝土拌合物制作过程中,随着粗橡胶粒掺量的增多,拌合物的流动性明显增强,而随细橡胶粒掺量的增多,拌合物的流动性明显减弱,但拌合物的保水性和黏聚性均可保持良好状态.

在试件加载过程中,橡胶混凝土出现的弹性与塑性的临界点明显比普通混凝土要高,且随着橡胶掺量的增多,其临界值越大.在试件达到极限载荷之前,发现裂缝均从试件四周表面沿纵向发展,并逐步沿横向向中间扩展,但橡胶混凝土试件表面的裂缝存在明显的中断现象,且橡胶混凝土比普通混凝土的裂缝要短、多.在试件达到极限载荷后,普通混凝土突然破坏,有明显的坍塌声,而橡胶混凝土无明显的破坏声,破坏时仍然保持较好的完整性,且随着橡胶掺量增多和粒径增大,其完整性越好,混凝土试件破坏形态对比如图1所示.

图1 混凝土试件破坏形态Fig.1 Failure modes of concrete samples(a)—CC1试件; (b)—CRC10试件; (c)—CRC11试件.

试验完成后,掰开破坏的试件发现:①普通混凝土试件内部密实性较好,而橡胶混凝土破坏面存在较多的裂缝和孔洞;②未预处理的橡胶混凝土试件有少量的橡胶颗粒散落在混凝土内部,其破坏面上只有少许橡胶颗粒存在撕裂现象;③经不同预处理的橡胶混凝土试件中,橡胶颗粒与水泥浆粘结较紧密,其破坏面存在明显的橡胶撕裂现象,在CCl4溶液预处理的橡胶混凝土中尤为明显;④掺粗橡胶粒混凝土的破坏面凹凸不平,且存在较多小块,而掺细橡胶粒混凝土的破坏面比较平整,面积较大.

3 试验结果

3.1 工作性能

各组混凝土的坍落度试验结果对比如图2所示,由图2可知:①随着粗橡胶粒掺量的增多,混凝土拌合物的坍落度明显增大,而随着细橡胶粒掺量的增多,混凝土拌合物的坍落度逐渐减小.② 总体来看, 经预处理的橡胶混凝土工作性能明显好于未处理橡胶混凝土的工作性能,对粗橡胶粒组,NaOH溶液的改善效果最明显,而CCl4溶液预处理组的工作性能反而有小幅下降;对细橡胶粒组,CCl4溶液预处理改善效果最好,而NaOH溶液预处理在体积掺量为20%时坍落度小于未处理组;清水处理对工作性能的改善较为稳定,但改善幅度不大.

图2 混凝土拌合物坍落度对比Fig.2 Comparison of the slumps of concrete mixture

3.2 抗压强度

不同预处理方式下的混凝土抗压强度对比如图3所示,各组试件的抗压强度试验结果如表2所示.由图3和表2可得出以下结论:①掺入橡胶颗粒后,混凝土的强度较基准混凝土均呈现出不同程度的降低;②与掺入未预处理橡胶颗粒组相比,橡胶颗粒经处理后混凝土的抗压强度均有所提高;③当采用清水或NaOH溶液预处理时,掺入粗橡胶粒的混凝土强度提高明显,而掺细橡胶粒的混凝土强度改善不大;采用CCl4溶液预处理时,无论掺入粗或细橡胶粒,混凝土的强度均明显提高.

图3 混凝土立方体抗压强度对比Fig.3 Comparison of the compressive strength of concrete cube

表2 混凝土立方体抗压强度试验结果Table 2 The test results of concrete cube compressive strength

4 作用机理分析

结合试验现象和试验结果,分析认为由于橡胶颗粒的掺入,改变了集料与水泥砂浆的界面形态,因橡胶本身的特性,使水泥砂浆-橡胶集料形成更为薄弱的界面,即所谓的“弱界面”[6-7].

通过对废旧橡胶颗粒表面进行预处理,可有效促进橡胶颗粒表面与水泥砂浆发生物理或化学作用.如用水冲洗将橡胶颗粒表面的杂质除掉,增加了橡胶颗粒与砂浆的接触;用NaOH溶液对橡胶粒进行浸泡处理,使橡胶表面的有害物质硬脂酸锌溶解;用四氯化碳等有机溶剂对橡胶进行预处理,增强了橡胶与水泥胶体的相容性.故此,经预处理橡胶颗粒,增强了橡胶颗粒与水泥砂浆的粘结,从而导致强度下降程度减弱.

5 结 语

通过对橡胶颗粒进行不同的预处理,可以改善橡胶混凝土的工作性能,提高橡胶混凝土的抗压强度.对于掺入粗橡胶粒的混凝土,采用NaOH溶液预处理对混凝土工作性能和抗压强度改善效果最优;对掺入细橡胶粒的混凝土,CCl4溶液预处理则为最佳方案.此外,在选择预处理方式时,除性能改善效果外,尚应考虑预处理方式的处理成本、工艺流程和环境影响等因素,根据需求进行确定.

参考文献:

[1]杨春峰,杨敏,叶文超. 改性方式对橡胶混凝土力学性能的影响[J]. 沈阳大学学报:自然科学版, 2012,24(3):78-81.

(Yang Chunfeng, Yang Min, Ye Wenchao. Influence of Modification to Mechanical Properties of Waste Rubber Concrete[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2012,24(3):78-81.)

[2]刘日鑫,徐开胜,高炜斌. 胶粉对混凝土韧塑性的影响研究[J]. 新型建筑材料, 2009,36(1):24-26.

(Liu Rixin, Xu Kaisheng, Gao Weibin. Study on Influence of Rubber Powder upon Toughness and Plasticity of Concrete[J]. New Building Materials, 2009,36(1):24-26.)

[3]杨林虎,朱涵,李艳茹. 橡胶集料对钢筋混凝土梁截面延性影响的理论分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2010,18(4):609-615.

(Yang Hulin, Zhu Han, Li Yanru. Theoretical Analysis of the Effect of Crumb Rubber on the Sectional Ductility of Reinforced Concrete Beam[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2010,18(4):609-615.)

[4]Skripkiunas G, Grinys A, Miskinis K. Damping Properties of Concrete with Rubber Waste Additives[J]. Materials Science, 2009,15(3):266-272.

[5]Topcu I B, Demir A. Durability of Rubberized Mortar and Concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2007,19(2):173-178.

[6]Eldin N N, Senouci A B. Rubber-Tire Particles as Concrete Aggregate[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 1993,5(4):478-496.

[7]Segre N, Jockes L. Use of Tire Rubber Particles as Addition to Cement Paste[J]. Cement and Concrete Research, 2000,30(9):1421-1425.