无机聚合物橡胶混凝土基本力学性能试验研究

范小春，陈允伟，胡宜昌

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)



无机聚合物橡胶混凝土基本力学性能试验研究

范小春，陈允伟，胡宜昌

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

无机聚合物和橡胶粉作为新型节能环保材料，一直是工程应用研究的热点问题。本文利用2～4 mm的橡胶颗粒按等体积代替细骨料的方式掺入无机聚合物混凝土中，配制出不同橡胶掺量(0%、5%、10%、15%、20%)的无机聚合物橡胶混凝土。根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对无机聚合物橡胶混凝土的基本力学性能进行系统的试验。研究结果表明：相对于基准混凝土，橡胶掺量5%～20%的无机聚合物橡胶混凝土的立方体抗压强度下降了9.5%～35.7%；橡胶掺量10%～20%的无机聚合物橡胶混凝土的劈裂抗拉强度下降了9.9%～18.2%，轴心抗压强度下降了20.2%～35.4%，弹性模量下降了3.2%～7.8%；无机聚合物橡胶混凝土早期强度高于普通橡胶混凝土，其中，7 d相对强度高出11.5%；随着橡胶掺量的增加，无机聚合物橡胶混凝土的拉压比增加，强度比基本不变；无机聚合物橡胶混凝土的抗裂性能、变形能力随着橡胶掺量的增加而增强。

无机聚合物； 橡胶混凝土； 橡胶掺量； 力学性能； 弹性模量

1 引 言

无机聚合物材料又称地质聚合物材料，其性能独特，用途广泛。它的原材料以工业废渣为主，原料价格低廉，储量丰富且制备工艺简单，能耗低，污染少，因此是一种具有广泛发展前景的新型绿色节能建筑材料[1-2]。无机聚合物特点之一是具有快凝早强的性质，国内外已对无机聚合物胶凝材料的固化性质进行了大量研究，证明该材料具有优异的早期强度。在常温条件下，无机聚合物胶凝材料的固化速度远高于普通水泥。橡胶粉具有较好的韧性、抗渗性、抗疲劳、保温隔热、隔声等特点，将橡胶粉掺入混凝土中，能够填充空隙，约束混凝土内微裂缝的产生和发展，并形成吸收应变能的结构变形中心，以提高混凝土的抗冲击和抗震性能[3]。通过掺胶粉配制出橡胶混凝土，一方面，改善了混凝土材料的多种性能，为解决混凝土固有的脆性问题提供了新的方法；另一方面，拓展了胶粒的应用领域，使废旧橡胶由黑色废物和环境公害变成土木工程领域的绿色资源。这将完全符合我国可持续发展策略，将具有极其重大的资源循环利用和环保意义[3]。通过查阅资料发现，国内外对普通橡胶混凝土进行了大量的试验研究，但还没有对无机聚合物橡胶混凝土进行相关研究[4-7]。无机聚合物橡胶混凝土作为一种新型混凝土材料，同时具备无机聚合物材料与橡胶材料的优点，开展该新材料的性能研究，对进一步推动该材料的研究与应用具有重要的意义。本文将2～4 mm橡胶粒掺入无机聚合物混凝土中，探求两种材料的共同作用机理，为这类新型混凝土在结构中的应用奠定基础。

2 试 验

2.1 试验原材料

(1)水泥：华新水泥股份有限公司生产的42.5号普通硅酸盐水泥。其基本性能见表1，微观结构图见图1。

(2)无机聚合物：深圳航天科技创新研究院生产的无机聚合物胶凝材料。无机聚合物胶凝材料采用粉煤灰和矿渣代替水泥作为基础材料，在碱激发剂的作用下形成。其基本性能见表1，微观结构图见图2。

(3)细骨料：采用中砂，细度模数为2.7，颗粒级配见表2。

表1 水泥和无机聚合物的基本性能Tab.1 Basic properties of cement and inorganic polymer

图1 水泥微观结构图Fig.1 Microscopic structure of cement

图2 无机聚合物微观结构图Fig.2 Microscopic structure of inorganic polymers

(4)粗骨料：粒径5～20 mm连续级配碎石，颗粒级配见表3。

(5)水：清洁自来水。

(6)橡胶：武汉科恩克科技发展有限公司提供的2～4 mm橡胶，表观密度1286 kg/m3，堆积密度633 kg/m3。橡胶电镜扫描照片见图3，从图3可以看出，橡胶表面较为粗糙，但内部较为密实。

表2 砂颗粒级配Tab.2 Particle size distribution of sand

表3 粗骨料颗粒级配Tab.3 Particle size distribution of coarse aggregate

图3 橡胶电镜扫描照片Fig.3 SEM images of rubber

2.2 混凝土配合比设计

试验分两类，一类是无机聚合物橡胶混凝土，其中，橡胶分别以体积的0%、5%、10%、15%、20%替代细骨料；另一类是普通橡胶混凝土，橡胶分别以体积的0%、10%、20%替代细骨料。同类橡胶混凝土配合比除了砂和橡胶掺量不同以外，其他成分掺量均相同，这样使混凝土总体积不变的情况下保证水灰比相同。无机聚合物橡胶混凝土配合比见表4，普通橡胶混凝土配合比见表5。

表4 无机聚合物橡胶混凝土配合比Tab.4 Mixing ratio of inorganic polymer rubber concrete

续表

表5 普通橡胶混凝土配合比Tab.5 Mixing ratio of ordinary rubber concrete

2.3 试件制作

由于橡胶表面沾有较多杂质，橡胶在使用前先用清水洗净晾干。搅拌时为使橡胶在砂浆中尽量分散均匀，先将橡胶、砂和碎石放入搅拌机干拌60 s，然后放入无机聚合物(或水泥)干拌30 s，最后倒入水搅拌100 s。在混凝土的拌制过程中出现了部分橡胶上浮的现象，这可能是由于橡胶粒的密度小以及粗糙的表面特征携带空气所致[8]，因此，在试件的成型过程中，采用振动台成型时应采取短震动，震动次数2～3次为宜。成型后24小时脱模入养护室，养护室温度为(20±2) ℃，相对湿度在95%以上，养护到规定龄期进行试验。

3 立方体抗压强度试验与结果分析

3.1 试验方法

试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，分为IPC0、IPC1、IPC2、IPC3、IPC4、PC0、PC2、PC4，共八组，每组三个。其中IPC2和PC2做1 d、3 d、7 d、28 d强度试验，其余为28 d强度试验。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)，用标准试验方法测得具有95%以上保证率的立方体抗压强度。试验采用美特斯微机控制电液伺服万能试验机SHT5106-P。

3.2 立方体抗压强度试验结果与分析

因试件采用100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，试验结果乘以0.95。试件1 d、3 d、7 d立方体抗压强度见表6，28 d立方体抗压强度结果见表7。

试件强度随龄期增长曲线、试件强度随橡胶掺量变化曲线分别见图6和图7。

由表6可知：IPC2的1 d、3 d、7 d强度分别为28 d的36.5%、62.0%、85.2%。PC2的1 d、3 d、7 d强度分别为28 d的34.5%、57.5%、73.7%。IPC2比PC2的1 d、3 d、7 d相对强度分别高了2%、4.5%、11.5%，说明无机聚合物橡胶混凝土相比于普通橡胶混凝土具有早强的特性，尤其以7 d强度最为显著。实际上，早期强度高是无机聚合物混凝土的特性，掺入橡胶后混凝土强度降低，但没有影响其早强性能。由图4可知，两种混凝土的强度前期增长快，后期增长慢，而无机聚合物橡胶混凝土前期强度增长速度明显快于普通橡胶混凝土，后期增长速度略低普通橡胶混凝土。

由表7可知，基准混凝土IPC0和PC0的28 d立方体强度分别为47.4 MPa和50.7 MPa。相对于IPC0，IPC1、IPC2、IPC3、IPC4的28 d立方体抗压强度分别降低了9.5%、19.0%、23.0%、35.7%；相对于PC0，PC2、PC4的28 d立方体抗压强度分别降低了16.0%、28.4%。对比IPC2与PC2、IPC4与PC4，无机聚合物橡胶混凝土强度下降的程度稍高于普通混凝土。分析其原因可能是橡胶颗粒与水泥浆体的相容性优于无机聚合物浆体，水泥砂浆与橡胶颗粒的粘结性稍高于无机聚合物砂浆。由图5可知，在橡胶掺量20%以内，随着橡胶掺量的增加，IPC与PC的强度均近似于线性减小。分析其原因可能有以下几点：①由于橡胶的不亲水性和粗糙的表面特征使其表面容易吸附大量空气，造成混凝土的含气量增加，相当于在混凝土内部添加了许多结构缺陷。②橡胶是以一定的比例替换砂，但是橡胶的弹性大、刚度小，无法承载较大的压力，这相当于削弱了混凝土中砂-石组成的框架结构支撑体系，减小了试块内部承载面的有效面积。③橡胶与无机聚合物(或水泥)之间粘结面的强度较低，因此影响了砂浆与石子的粘结性能，造成其强度降低。④在试件受压变形时，由于橡胶颗粒不能承载，受压应力则集中到其周围区域，使其过早的产生裂纹，进而造成了混凝土破坏的连锁反应，使其强度降低。

表6 1 d、3 d、7 d立方体抗压强度Tab.6 Cube compressive strength of 1 d, 3 d and 7 d /MPa

表7 28 d立方体抗压强度Tab.7 Cube compressive strength of 28 d

图4 强度随龄期增长曲线Fig.4 Strength curves with age growth

图5 28 d立方体抗压强度Fig.5 Cube compressive strength curves of 28 d

3.3 破坏特征分析

试件破坏时，试件表面裂缝开展情况见图6。

从混凝土的破坏形态上来看，掺入橡胶的混凝土试件比未掺橡胶的在受压破坏时形态更完整，基本保持原有形状[8]。基准混凝土受压破坏后发生脆裂，有大量混凝土小块散落，而橡胶混凝土在受压破坏后没有出现脆裂和大的裂缝，试块形态较为完整。主要是因为橡胶粒的加入，如同给混凝土加入了大量细小的弹性体，改善了水泥石与骨料的界面，当混凝土受压时，橡胶粒作为分布在混凝土内部的微小可伸缩弹性体，会截住混凝土的微观裂纹，使混凝土的承受变形能力增强，从而阻止或减慢微观裂纹合成宏观裂纹而导致混凝土快速破坏。

加载过程中，未掺橡胶的混凝土试件表面边缘处首先产生裂纹，随着荷载的增加，试件表面边缘裂纹沿受力方向急速扩展，形成上下贯通的大裂缝，表面内部裂纹较少，达到峰值应力时，试件表面崩裂，从裂纹出现到试件破坏持续时间较短，呈脆性破坏状态。而掺入橡胶的混凝土试件表面边缘处产生裂纹后，裂纹沿受力方向发展相对缓慢，表面内部同时出现大量裂纹，并且裂纹沿横向纵向均有发展，最后成蜘蛛网状分布，达到峰值应力时，立方体试块出现横向膨胀现象，明显表现出塑性的特点；随着橡胶掺量的增加，试件表面裂纹开展过程持续时间越长，裂纹更加细密，塑性破坏的特征越来越明显。

图6 立方体试件的破坏形态(a)IPC0;(b)IPC1;(c)IPC2;(d)IPC3;(e)IPC4;(f)PC0;(g)PC2;(h)PC4Fig.6 Failure mode of cube specimen

4 劈裂抗拉强度试验与结果分析

4.1 试验方法

试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，分为IPC0、IPC2、IPC4，共3组，每组三个。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)测试各组混凝土试块的劈裂抗拉强度[9]。试验采用美特斯微机控制电液伺服压力试验机YAW4206。

4.2 试验结果与分析

因试件采用100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，试验结果乘以0.85。试件劈裂抗拉强度结果见表8。

表8 试件劈裂抗拉强度Tab.8 Splitting tensile strength of specimen

由表8可知，基准混凝土IPC0劈裂抗拉强度为3.3 MPa，相对于IPC0，IPC2、IPC4的抗拉强度分别降低了9.9%、18.2%。结果表明，掺入橡胶会降低混凝土的劈裂抗拉强度，随着橡胶掺量的增多，无机聚合物橡胶混凝土的劈裂抗拉强度逐渐减小。

无机聚合物橡胶混凝土劈裂抗拉强度相对于其立方体抗压强度的比值简称拉压比，它是衡量混凝土材料脆性性能的一个指标[10]，其计算结果见表9。

表9 无机聚合物橡胶混凝土拉压比Tab.9 Ratio of tension and compression

由表9可知，橡胶的掺入能够提高无机聚合物混凝土的拉压比，且橡胶掺量越高，拉压比越大。在橡胶掺量20%以内，拉压比随橡胶掺量的增长近似呈线性增长。结果表明，在无机聚合物混凝土中掺入橡胶能够改善混凝土的脆性，提高其塑性变形能力。

4.3 劈裂破坏特征分析

试件劈裂破坏面见图7。在劈裂抗拉试验过程中，当临近极限破坏荷载前，裂纹从试件两端的中间部位迅速沿纵向扩展，试块劈开两半，破坏断面较为整齐，断面处骨料及砂浆被切断。掺入橡胶的无机聚合物混凝土试块断面处橡胶多被拔出，少有撕裂破坏的现象，表明橡胶与无机聚合物砂浆粘结性不好。

图7 试件劈裂破坏面(a)IPC0;(b)IPC2;(c)IPC4Fig.7 Splitting failure surface of specimens

5 轴心抗压强度及弹性模量试验与结果分析

5.1 试验方法

试件尺寸150 mm×150 mm×300 mm，分为IPC0、IPC2、IPC4，共3组，每组6个。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)测试各组混凝土试块的轴心抗压强度及弹性模量。轴心抗压强度试验采用美特斯微机控制电液伺服万能试验机SHT5106，弹性模量试验采用美特斯微机控制电液伺服压力试验机YAW4206。

5.2 试验结果与分析

试件轴心抗压强度结果见表10。由表10可知，基准混凝土IPC0的轴心抗压强度为42.5 MPa，相对于IPC0，IPC2、IPC4的轴心抗压强度分别降低了20.2%、35.4%。结果表明，掺入橡胶会降低混凝土的轴心抗压强度，随着橡胶掺量的增多，无机聚合物橡胶混凝土的轴心抗压强度逐渐减小。橡胶降低无机聚合物橡胶混凝土轴心抗压强度的作用机理类似于立方体抗压强度。

表10 试件轴心抗压强度Tab.10 Axial compressive strength of specimens

无机聚合物橡胶混凝土轴心抗压强度相对于其立方体抗压强度的比值简称强度比，它反映了试件尺寸变化对混凝土材料抗压强度影响[10]。其计算结果如表11所示。

由表11可知，不同橡胶掺量的无机聚合物混凝土强度比相近，表明橡胶的掺入不影响混凝土的强度比，不同掺量的橡胶混凝土轴心抗压强度和立方体抗压强度呈线性变化规律。

表11 无机聚合物橡胶混凝土强度比Tab.11 Strength ratio of inorganic polymer rubber concrete

试件静力弹性模量计算结果见表12。

表12 试件静力弹性模量Tab.12 Static elastic modulus of specimens

由表12可知，基准混凝土IPC0的弹性模量为34.4 GPa，相对于IPC0，IPC2、IPC4的弹性模量分别降低了3.2%、7.8%。结果表明，掺入橡胶会降低混凝土的弹性模量，随着橡胶掺量的增多，无机聚合物橡胶混凝土的弹性模量逐渐减小。因为橡胶粒与无机聚合物混凝土的弹性模量相差近2500倍[8]，掺入橡胶能够降低混凝土整体弹性模量，但由于本实验橡胶掺量在20%以内，对弹性模量的影响有限。

5.3 轴压破坏特征分析

图8 试件轴压破坏形态(a)IPC0;(b)IPC2;(c)IPC4Fig.8 Axial compressive failure mode of specimen

试件轴压破坏形态见图8。从破坏外观可以发现，试件均沿竖向开裂破坏，其中未掺橡胶的无机聚合物混凝土试块裂缝粗而少，在加载过程中试件中部先出现裂纹，随后裂纹迅速扩展形成破坏裂缝，从开裂到破坏的过程持续时间极短，破坏时发出强烈的崩裂声。掺入橡胶的无机聚合物混凝土的竖向裂缝较多且细密，且橡胶掺量越多这一特征越明显；在加载过程中，试件中部同时出现几条裂纹，随后裂纹缓慢发展，逐渐形成几条贯穿裂缝，试件破坏时无明显的崩裂声，破坏试件较完整；从表面裂纹来看，相比于立方体，轴压破坏试块表面主要以竖向裂缝为主，较少有横向裂缝，裂缝没有立方体那样密集，试件无明显的横向膨胀现象。

6 结 论

(1)无机聚合物橡胶混凝土的1 d、3 d、7 d相对抗压强度高于普通橡胶混凝土，表明无机聚合物橡胶混凝土具有早强性能。其中，以7 d相对强度最为显著，高出11.5%；

(2)随着橡胶掺量的增加，无机聚合物橡胶混凝土与普通橡胶混凝土的立方体抗压强度均下降。橡胶掺量5%～20%的无机聚合物橡胶混凝土的立方体抗压强度下降了9.5%～35.7%；橡胶掺量10%～20%的普通橡胶混凝土的立方体抗压强度下降了16.0%、28.4%；无机聚合物橡胶混凝土下降趋势稍高于普通橡胶混凝土;

(3)橡胶掺量10%～20%的无机聚合物橡胶混凝土的劈裂抗拉强度下降了9.9%～18.2%，轴心抗压强度下降了20.2%～35.4%，弹性模量下降了3.2%～7.8%；

(4)随着橡胶掺量的增加，无机聚合物橡胶混凝土的拉压比增大，强度比基本不变；

(5)橡胶混凝土的抗裂性能、变形能力随着橡胶掺量的增加而增强。

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Experimental Research on Mechanical Performance of Inorganic Polymer Rubber Concrete

FANXiao-chun,CHENYun-wei,HUYi-chang

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

As the energy-efficient and environment friendly materials, inorganic polymer and rubber powder have always been the hot issues in engineering application study. In this paper, we use 2-4 mm rubber particles instead of the fine aggregates in the same volume, making upinorganic polymer rubber concrete with different rubber contents(0%,5%,10%,15%,20%). According to GB/T 50081-2002 standard of test method about the ordinary concrete’s basic mechanics performance, we make experiments to study the basic mechanics performance of the inorganic polymer rubber concrete. The results show that, relative to reference concrete, the cube compressive strength of inorganic polymer rubber concrete with 5% to 20% rubber contents decreased by 9.5% to 35.7%;the tensile splitting strength of inorganic polymer rubber concrete with 10% to 20% rubber contents decreased by 9.9% to 18.2%, the axial compressive strength decreased by 20.2% to 35.4%, the static modulus decreased by 3.2% to 7.8%. The early age strength of inorganic polymer rubber concrete is higher than ordinary rubber concrete, among them, the seven days relative intensity is 11.5% higher. With the increase of rubber content, the ratio of tension and compression of inorganic polymer rubber concrete increases, the strength ratio remain unchanged. The anti-cracking ability and deformability of inorganic polymer rubber concrete enhances with the increase of rubber concrete.

inorganic polymer;rubber concrete;rubber content;mechanics performance;modulus of elasticity

国家科技支撑计划(2014BAB15B01)

范小春(1975-)，男，博士，副教授.主要从事新型混凝土材料与结构性能研究.

陈允伟，硕士.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2701-09