常、低温下橡胶集料混凝土抗冲击性能研究

朱 涵， 李 威， 朱学超

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300072)

常、低温下橡胶集料混凝土抗冲击性能研究

朱 涵1，2， 李 威1， 朱学超1

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300072)

为了减小强度因素对混凝土材料抗冲击性能的影响，配制了强度等级相同(等强)的素混凝土和橡胶集料混凝土，橡胶的体积掺量分别为5%、10%和15%；同时考虑温度因素的影响，利用本课题组自行设计的U形试件和自主研发的落锤冲击试验装置，分别测试了在常温(25 ℃)和低温(-20 ℃)下不同龄期的抗冲击性能。试验结果表明：橡胶集料混凝土的抗冲击次数符合双参数威布尔分布，并且在室温和低温下，橡胶集料混凝土的抗冲击性能均随着橡胶掺量的增加而提高。

橡胶集料混凝土； 抗冲击； 等强； 常、低温

0 引言

橡胶集料混凝土(Crumb Rubber Concrete，简称CRC)是将橡胶颗粒加入普通混凝土之后形成的一种新型混凝土，这种混凝土在常温下的力学性能与普通混凝土有着显著的不同[1]。随着CRC的应用前景越来越广泛，对它的研究也变得越来越深入。已有的研究表明，CRC具有弹性模量低、脆性低、极限拉应变大和阻尼系数高等特点[2]。朱涵教授还报道了在美国亚利桑那州多个CRC项目实验段的施工情况[3]。Khatib.Z.K.的研究得出了橡胶掺量的不同对CRC强度影响的关系，并且建立了橡胶集料掺量—混凝土强度之间的量化数学模型[4]。此外，对于CRC在低温下的性能研究也已经卓有成效。陈波比较了普通混凝土和CRC的抗冻性，结果表明：为了提高混凝土的抗冻性，掺加0.14 mm的橡胶粉时的效果比掺加引气剂时的效果明显，掺加3～4 mm橡胶颗粒时的效果与掺加引气剂的效果相同[5]。课题组的杨林虎和张永明对CRC在低温下的基本力学性能以及脆性进行了比较系统的研究，结果表明：CRC的脆性随着橡胶掺量的提高而降低，延性显著提高[6-7]。然而，由于混凝土材料抗冲击性能本身的复杂性和离散性，目前对CRC抗冲击性能的研究较少，为此采用课题组提出的U型试件落锤冲击试验装置(专利号：ZL201110415423.6)，分别对强度等级相同，不同橡胶掺量的CRC进行了常温和低温冲击试验研究，其中对于低温下的冲击试验采用的方法是：在低温下进行试件的养护，到达龄期后在室温下进行冲击试验。

1 试验

1.1 试验材料和配合比设计

试验所用水泥为“骆驼”牌42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分以及相应的物理力学性能指标件见表1和表2；砂采用天然河砂，细度模数为2.65；粗骨料采用的石子为天津市北辰区生产的主要成分为石灰岩质的碎石，级配良好，试验前用筛子筛出5～20 mm的粗集料，表观密度2 680 kg/m3；橡胶粒由废旧轮胎回收碾压所成，粒径在1～2 mm，表观密度为1 050 kg/m3；本试验用水为自来水。所采用的减水剂为天津市建筑科学研究院研制的UNF5萘系列减水剂，外观为褐色粉末，减水率≥15%，比重为2 100 kg/m3。试验配合比设计参照《普通混凝土配合比设计规程》[8](JGJ55—2011)规定，要求所有立方体试件的抗压强度均在30 MPa左右。试验配合比如表3所示，A、B、C、D 4组配合比的橡胶掺量(按体积外掺)分别为0%、5%、10%、15%。

表1 水泥的化学组成 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 试验组的配合比设计 kg/m3

1.2 试验方法

(1)抗压强度试验。CRC抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法》[9](GB/T 50081—2002)，在NYL—2000D型压力试验机上进行。其中，立方体抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

(2)抗冲击试验。由于目前国内外对于混凝土材料的冲击试验还没有具体统一的试验方法，试验采用课题组自行设计的U型试件测试混凝土的抗冲击性能。U型试件如图1所示，厚度为65 mm。落锤试验装置如图2所示。落锤质量水平为0.8 kg，冲击高度为400 mm，落锤的形状尺寸分为两部分，上部为50 mm×50 mm×50 mm的立方体，下部为半径为30 mm的半球体。冲击试验的具体过程为：将U型试件放置在事先准备好的钢制底座上，以实现固定试件的作用，并将试件的中心对准落锤的中心，让落锤在固定高度上自由落下，使冲击头撞击试件直到完全静止，自此一个循环完成。当试件中部下表面第一次出现裂缝时，记录为初裂次数N1，继续试验，直至裂缝贯穿试件整个截面，记录为破坏冲击次数N2。为了定义试件的延性指标，将破坏冲击次数N2与初裂次数N1的差值作为延性指标的代表值，记为Δ，即Δ=N2-N1。

图1 U型试件示意图

图2 落锤试验装置

1.3 试件数量以及养护条件

试验养护条件分为两种：常温和低温。常温下的养护方法为分别将试件放在常温环境中10 d和31 d，常温为25 ℃，标号分别为A1-10、A1-31、B1-10、B1-31、C1-10、C1-31、D1-10、D1-31。低温下的养护方法分别为先放在室温环境中7 d、28 d之后再放入冰箱中冷冻3 d，冰箱内温度设为-20 ℃，标号分别为A2-10、A2-31、B2-10、B2-31、C2-10、C2-31、D2-10、D2-31。

本试验每组标号需要3个立方体试件用于抗压强度试验，需要12个U型试件用于抗冲击实验。一共有16组试验组，因此共需要48个立方体试件和192个U型试件。

2 试验结果和分析

2.1 抗压强度试验结果

抗压强度试验结果如表4所示，表中数据为所得试验数据的平均值。从表中数据可以看到养护10 d之后试件强度就可以达到最终强度的80%左右，符合实际情况。在常温下，养护31 d之后，试件均达到了C30混凝土的要求，基本满足了本试验所强调的“等强”条件。从数据还可以看出经过冷冻3 d的试件在抗压强度上都有一些提高，这可能的原因是混凝土所含的水分在低温条件下凝固结晶成冰，从而使混凝土的抗压强度有所提高；除此以外，还有一种原因是因为水分冻结成冰后，体积有所增大膨胀，填充了混凝土内部的空隙，使混凝土变得更加饱满充实，从而提高了抗压强度。

表4 抗压强度试验结果 MPa

2.2 抗冲击试验结果

表5列出了每个试验组抗冲击试验结果的平均值。根据表中数据可知，常温下，橡胶掺量5%、10%、15%的CRC在养护10 d的情况下相比普通混凝土终裂次数分别提高了71%、117%和260%。在养护31 d的情况下，终裂次数分别提高了56%、220%、289%。低温下，养护10 d(包括3 d的低温养护)的CRC终裂次数相比普通混凝土分别提高了42%、132%、305%，在养护31 d(包括3 d的低温养护)的情况下。终裂次数分别提高了36%、151%和279%。因此可以分析得到：无论是在常温和低温下，随着橡胶掺量的提高，混凝土的抗冲击性能在不断提高。这一结论通过图3所示的折线图可以更加直观的表现出来。除了橡胶掺量，其它因素也会影响混凝土的抗冲击性能，如养护条件、养护龄期等，这些研究在后续研究中会做更加具体的叙述。

图3 冲击结果折线图

除了终裂次数，还可以发现随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的初裂次数也有相应提高，延性指标也优于普通混凝土，可能的原因是混凝土在承受动力荷载的时候，最开始的裂缝出现在混凝土的内部，后来慢慢发展到试件的表面，橡胶粒具有弹性模量大的特点，这种性能使得橡胶粒抑制了混凝土的内部裂缝的发展，从而提高了混凝土的抗冲击性能。从裂缝宽度上也可以发现这个现象，如图4所示，图4(a)为未掺加橡胶试件的终裂状态，图4(b)为掺加橡胶试件的终裂状态，两个试件的试验养护条件一致，均为常温养护31 d。

表5 抗冲击试验结果 次

图4 U型试件承受冲击荷载破坏

2.3 抗冲击次数与威布尔分布

深入了解冲击破坏的机理可以发现：疲劳破坏与冲击破坏的机理具有相似性，文献[10]中提到，疲劳破坏的试验数据符合威布尔分布，由此可以推断此次冲击试验的数据分布也符合威布尔分布，接下来就来验证这一规律。

假设冲击次数N服从威布尔分布，威布尔分布的概率密度函数f(N)、失效分布函数F(N)、可靠度函数R(N)分别为

(1)

(2)

(3)

式中，N0、Na、b分别代表最小冲击寿命参数、尺度参数和形状参数。

为了安全考虑，取N0=0，就可以得到双参数的威布尔分布，以上3个函数表达式就可改成

(4)

(5)

(6)

对公式(6)的两端取对数，可以得到ln{ln[1/R(N)]}=bln(N)-bln(Na)。令Y=ln{ln[1/R(N)]}，X=ln(N)，C=-bln(Na)。则以上的函数表达式变为：Y=bX+C。在这里可以发现，如果可以证明X和Y之间线性关系成立，也就是说相关系数R2比较大就可以证明橡胶集料混凝土U型试件冲击次数服从双参数的威布尔分布，验证过程如下：

第一步先将每种橡胶掺量的12个试件的冲击次数(N1,N2)从小到大排列，记下秩序数i。第二步利用函数F(N)和R(N)的期望来估计F(N)和R(N)的值。估计表达式如下[11-13]：F(N)=i/(n+1)，R(N)=1-i/(n+1)，n为每组试验的样本数，本试验为12。第三步将每一组的试验结果(N1,N2)按照以上办法，以Y=ln{ln[1R(N)]}为纵坐标，X=ln(N)为横坐标，利用最小二乘法进行线性回归分析，从而得到回归直线图以及相应的b、bln(Na)、R2，其中b就是所拟合直线的斜率，每组的回归直线图如图5与图6所示。

图5 龄期10 d的CRC冲击次数N1、N2回归直线

图6 龄期31 d的CRC冲击次数N1、N2回归直线

图5与图6只列出了具有代表性的几组数据，其余数据如下：C1-10中N1的回归方程为Y=2.187X-9.262，相关系数R2=0.976，N2的回归方程为Y=2.623X-11.71，相关系数R2=0.906；C2-10中N1的回归方程为Y=3.833X-17.91，相关系数R2=0.973，N2的回归方程为Y=5.546X-28.97，相关系数R2=0.946；D1-10中N1的回归方程为Y=3.027X-13.87，相关系数R2=0.960，N2的回归方程为Y=2.922X-14.48，相关系数R2=0.946；D2-10中N1的回归方程为Y=3.140X-17.52，相关系数R2=0.913，N2的回归方程为Y=3.848X-22.32，相关系数R2=0.911；C1-31中N1的回归方程为Y=4.448X-21.82，相关系数R2=0.928，N2的回归方程为Y=5.807X-29.3，相关系数R2=0.876；C2-31中N1的回归方程为Y=2.660X-14.09，相关系数R2=0.912，N2的回归方程为Y=3.423X-18.57，相关系数R2=0.923；D1-31中N1的回归方程为Y=3.623X-18.02，相关系数R2=0.947，N2的回归方程为Y=5.320X-27.9，相关系数R2=0.963；D2-31中N1的回归方程为Y=5.280X-29.69，相关系数R2=0.949，N2的回归方程为Y=5.980X-34.84，相关系数R2=0.891。从上述数据中可以发现：10 d的冲击次数回归数据中，相关系数R2的最小值与最大值分别为0.876与0.973，平均值为0.937；31d的冲击次数回归数据中，相关系数R2的最小值与最大值分别为0.876与0.981，平均值为0.942，总体相关系数平均值为0.940。从这里就可以认为Y=ln{ln[1/R(N)]}和X=ln(N)是线性相关的。从而就证明了橡胶集料混凝土U型试件冲击次数非常好的符合双参数威布尔分布。

3 结论

(1)通过配合比设计，可以实现对于等强的混凝土，通过掺加橡胶来提高混凝土在常低温下的抗冲击性能；在橡胶掺量0%～15%的情况下，这种性能随着橡胶掺量的增加而提高。

(2)双参数威布尔分布可以用来描述橡胶集料混凝土U型试件的冲击次数。说明抗冲击试验数据的离散性虽然很大，但还是存在统计规律。

CRC对比普通混凝土，虽然具有多方面优越的性能，但是橡胶的掺入会影响混凝土的强度，并且在低温下橡胶集料混凝土的性能也存在很多盲点。研究目的就是在实现等强的前提下，以橡胶掺量、养护温度和养护时间为变量，研究橡胶集料混凝土的抗冲击性能。这对于在高寒高原地区橡胶集料混凝土的应用具有很重要的工程意义。研究表明：在橡胶掺量0%～15%的情况下，等强的橡胶集料混凝土的抗冲击性能随着橡胶掺量的增加而提高。

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Research on Performance of Crumb Rubber Concrete UnderRoom and Low Temperature Impact

Zhu Han1,2， Li Wei1， Zhu Xuechao1

(1.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure & New Materials, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to reduce the influence of the strength on the impact resistance of concrete materials, this research prepared ordinary concrete and crumb rubber concrete of the same strength grade, with the volume of the rubber content of 5%, 10% and 15% respectively. At the same time, considering the influence of the temperature, using u-shape specimen designed by this research team and a newly designed drop weight impact machine, tests were conducted at room temperature (25 ℃) and low temperature (-20 ℃) under different age of impact resistance. The results show that, the number of the impact resistance of the crumb rubber concrete complies with the theory of double parameters Weibull distribution and linear regression theory, and at both room temperature and low temperature, the resistance of crumb rubber concrete increases with the increase of rubber content.

crumb rubber concrete;impact resistance;same strength grade;room and low temperature

国家自然科学基金( 51078261)

朱涵(1956-)，男，教授，博士，主要从事建筑材料耐久性研究。 E-mail:405224363@qq.com

TU528

A

2095-0373(2017)02-0024-07

2016-06-25 责任编辑:车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.05

朱涵，李威，朱学超.常、低温下橡胶集料混凝土抗冲击性能研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2017,30(2):24-30.