聚合物再生混凝土力学性能研究

易鼎鼎++刘伟++张书博++周肖庆++王旭升

摘 要：本文设计并完成了不同聚合物不同用量的再生混凝土，制备了掺入量为7%、14%、21%、28%丁苯胶乳再生混凝土、再生橡胶粉再生混凝土和普通混凝土试块，进行了立方体抗压强度和阻尼性能相关试验，并以普通混凝土作为基准进行对比分析试验，结果表明：聚合物再生混凝土立方体抗压强度破坏过程和破坏形态与普通混凝土基本一致；在水胶比、砂率和单位体积材料用量不变的情况下，聚合物再生混凝土立方体抗压强度低于普通混凝土，阻尼性能则高于普通混凝土，抗压强度与阻尼性成反比关系。

关键词：普通混凝土；聚合物再生混凝土；抗压强度；阻尼比

中图分类号：U416 文献标识码：A

0.前言

随着社会的进步和建筑业的不断发展，建筑废弃物是城市垃圾的主要组成部分，据统计，世界多数国家的建筑物拆除垃圾和建筑施工垃圾的数量约占城市垃圾总量的30%～40%。建筑废弃物成分复杂，但其中废弃混凝土块、碎砖块等所占的比例最高，可以作为再生骨料等进行资源化利用。将废弃混凝土块经过处理加工成再生骨料，既能解决天然骨料资源缺乏的问题，保护骨料产地的生态环境，又能解决城市废弃物的堆放、占地和环境污染等问题，实现混凝土生产过程中的物质循环利用，保证建筑业的可持续发展。

工程结构的防灾减灾能力和建筑废弃再生利用越发受到政府重视，工程领域期望着建材具有优异的抗冲击能力、减震性能，从而为工程结构抵抗灾害的能力提供安全保证。混凝土作为基础建设中应用最广泛的建筑材料成为实现人们对工程结构期望性能的载体，但再生混凝土也有自身的缺陷，如抗压、抗拉、抗折强度较低、脆性大、阻尼耗能性和抗化学腐蚀能力差等。我们通过试验发现在再生混凝土添加聚合物，可克服再生混凝土以上绝大多数的缺陷，尤其使混凝土减震耗能性增强，从而揭示了再生混凝土阻尼性与强度之间跷跷板的关系及成因，有效解决了阻尼功能与强度等力学性能不可兼顾的矛盾，为该类材料的设计、制备以及推广应用提供了重要的依据和理论指导。

1.聚合物再生混凝土

聚合物再生混凝土是将水泥与再生骨料混合，与分散在水中聚合物粉料或在水中互溶的聚合物乳液结合产生的复合材料。目前，有许多国家在研究聚合物再生混凝土，其制作方法有两种，一是将聚合物与水混合，以乳液的形式加入，影响水泥水化过程，从而能够改善再生混凝土结构；二是先将聚合物与水泥进行预分散，制成干拌再生砂浆，到施工现场加水拌制后使用。混合物与水拌和时，聚合物遇水变为乳液，在混凝土凝结硬化过程中，乳液脱水，形成聚合物固体结构，从而来影响混凝土内部结构，提高其性能。

本试验在制备所研究聚合物再生混凝土时分别采用了以上两种制备方法，将不同聚合物作为混凝土制备的原材料，根据所加入的用量多少来研究其对再生混凝土的抗压和阻尼性能。

2.聚合物再生混凝土试验介绍

2.1 试验材料介绍

32.5普通硅酸盐水泥，掺和料为硅灰，粗骨料是粒径在2.65mm～26.5mm级配的再生骨料，由废弃的混凝土材料制成，细骨料为河砂，聚合物为丁苯胶乳和再生橡胶粉。

2.2 试验方法

混凝土抗壓强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法》执行，试件为150×150×150mm的立方体试件，压力试验机加荷速度为每秒钟0.5MPa，抗压强度按下式计算：

（1）

式中：fcu——试件破坏荷载（N）；

A——试件承压面积（mm2）。

混凝土阻尼性能测试按照自由衰减法进行，采用锤击振动试验装置（图1所示），试件为T型（图2所示），阻尼比按下式计算：

（2）

式中：

A1和A2为自由衰减曲线中的两个峰值；

n为A1与A2之间的振动次数.

试验前制备的立方体试件和T型试件有普通混凝土各一组，丁苯胶乳、再生胶粉掺入量分别是7%、14%、21%、28%的聚合物再生混凝土分别4组；总计18组54个试件。试验时分别进行普通混凝土、再生胶粉再生混凝土和丁苯胶乳再生混凝土的抗压强度和阻尼性能测试，记录数据，按照式1和式2计算各组试件的抗压强度和阻尼比。

2.3 破坏形态

抗压强度破坏形态：在聚合物再生混凝土立方体抗压强度试验中，首先裂缝出现在靠近试块的侧表层，形成相互近似平行或正倒的“八”字形形式，如图3所示。随着荷载的不断加大，混凝土外表面开始外鼓、剥落，最终的破坏形态为相互分离的正、倒四角锥。

抗折强度破坏形态：加载初期，再生混凝土试件表面未发现有裂缝出现；随着荷载的增大，试件底表面开始出现细微裂缝，裂缝出现在试件所施加的两个集中荷载之问，随着荷载的继续增加，裂缝沿着侧表面逐渐竖向向上延伸。当荷载继续增加，再生混凝土试件裂缝宽度逐渐增大，最后再生混凝土被折断。

从裂缝出现形式和破坏最终形态进行判断，聚合物再生混凝土的破坏方式与普通混凝土基本一致。

2.4 立方体抗压强度分析

再生混凝土抗压强度的研究上，肖建庄、Frondistou-Yarnnas等国内外学者成果指出不同类型的再生混凝土抗压强度比普通混凝土要低，且降低幅度在5%～24%之间。在本试验中，从表1和表2可以看出，聚合物再生混凝土随着聚合物掺入量的增大，28天抗压强度随之降低，且降低幅度不断扩大，基本符合以上学者的研究成果。但本试验强度降低幅度偏大，掺入再生橡胶粉试件抗压强度最大降幅为38.57%，掺入丁苯胶乳试件抗压强度最大降幅则达到74.03%。

表1掺入丁苯胶乳试件抗压强度测试结果

聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%

抗压强度（MPa） 27 24.03 15.78 11.67 7.01

与普通混凝土相比抗压强度提高百分率 0 -11 -41.55 -56.77 -74.03

表2掺入再生橡胶粉试件抗压强度测试结果

聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%

抗压强度（MPa） 35 30.3 28.1 23.0 21.5

与普通混凝土相比抗压强度提高百分率 0 -13.42 -19.71 -34.28 -38.57

经研究分析，聚合物再生混凝土抗压强度降低的可能性有：①经过人工或机械破碎后，使再生粗细骨料出现了结构性裂缝，降低了骨料的致密程度，从而使其压碎指标降低，同时破碎后的粗细骨料未经清洗就直接使用，其中含有较多的泥渣和杂质，从而影响水泥与骨料的黏结性能。②聚合物的掺入在混凝土硬化过程中会聚集凝结，通过物理化学作用逐渐生成黏性膜状物，这些膜状物会包裹骨料和未水化的水泥颗粒，使水泥水化不充分，黏结性变差，混凝土强度降低。

2.5 阻尼性能分析

从表3和表4的数据可以看出，不同类型的聚合物再生混凝土阻尼比与普通混凝土试件阻尼比相比都有所提高，提高的百分率随着聚合物掺入量的增加而加大，但在掺入量大于14%以后，阻尼比的增长速率均变快，掺入丁苯胶乳的试件比掺入再生橡胶粉的试件其阻尼比增长速率加快要大，当丁苯胶乳掺入量达28%时，其阻尼增幅可达180.39%。

表3掺入再生橡胶粉试件阻尼比测试结果

聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%

阻尼比 0.98 1.53 1.49 1.6 2.29

与普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 56.12 52.04 63.26 133.67

表4掺入丁苯胶乳试件阻尼比测试结果

聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%

阻尼比 1.02 1.45 1.92 2.5 2.86

与普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 42.15 88.23 145.09 180.39

综合表1～表4可以看出，不同种类聚合物再生混凝土性能是不同的，再生橡胶粉再生混凝土抗压强度要大于丁苯胶乳再生混凝土，但其阻尼比要低于丁苯胶乳再生混凝，呈现出的规律是在聚合物再生混凝土中，抗压强度越大的混凝土其阻尼性越低，抗压强度越小的混凝土其阻尼性越高，抗压强度与阻尼性成反比关系。

出现以上这种现象的原因可能是在聚合物和再生混凝土之间没有发生化学反应，当聚合物成分与再生混凝土料浆拌和时，再生混凝土中的水泥与聚合物乳液中的水发生水化反应，而乳液由于水分的减少而逐渐变稠，聚合物固体物质颗粒相互聚集且粘连，随着水泥水化反应的充分进行，在混凝土表面和内部凝聚成丝状薄膜层，与CSH等胶体粒子相互交织，骨料被牢固地黏結在一起，整个形成相互贯穿的网络状结构形式。此结构形式极大地增强了再生混凝土的形变能力，但削弱了强度性能，聚合物用量的多少影响到集合物再生混凝土界面层的改善程度，所以聚合物用量越大，再生混凝土的阻尼比也越大，抗压强度越小。

2.6 阻尼性能产生原因探讨

聚合物再生混凝土之所以产生较好的变形性和良好的阻尼性，主要原因是大分子成分的聚合物在一定频率的交变应力作用下，链状分子的链段运动克服内部阻力需要一段时间。对于试验中采用的T字型试件，在激振力的作用下产生振动，对再生混凝土的变形具有柔性减幅作用，混凝土发生形变时，其应变要滞后于应力。由于聚合物再生混凝土的阻尼性能与频率有关，所以在一定的频率范围内，这种滞后现象表现得十分明显。滞后的变形运动需要克服较大的阻尼，这个过程将机械能转化为热能消耗到。另外，聚合物分子间和水泥水化后各类新物质的分子间以及它们的表面或内部层之间运动摩擦都会产生阻尼。

结论

（1）采用丁苯胶乳和再生橡胶粉两种聚合物制备的再生聚合物混凝土，其阻尼性相比普通再生混凝土均有所提高，但两者对混凝土抗压强度都有明显的减弱作用。

（2）聚合物再生混凝土中，抗压强度越大的混凝土其阻尼性越低，抗压强度越小的混凝土其阻尼性越高，抗压强度与阻尼性成反比关系。

（3）丁苯胶乳再生混凝土的阻尼性要优于再生橡胶粉再生混凝土的阻尼性，但前者的抗压强度强度方面比后者要低。要获得阻尼比和抗压强度综合指标较好的聚合物再生混凝土，再生橡胶粉用量控制在7%～14%之间，丁苯胶乳用量控制在10%左右。

（4）考虑到大分子聚合物对再生混凝土强度削弱的影响，在制备聚合物再生混凝土时，可采用其他方法来保持或提高混凝土的强度性能，如掺入适当的外加剂，如纳米二氧化硅。

参考文献

[1] GB 50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[2]柯国军，陈俊杰，石建军，等.混凝土阻尼试验研究及其机理分析[J].噪音与振动控制，2005：61-63.

[3]张波志，王社良，张博，等.再生混凝土基本力学性能试验研究[J].混凝土，2011：4-6.

[4]万泽青.高阻尼混凝土的试验研究及其在结构耗能减震中的应用[D].扬州：扬州大学，2005.