橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度

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(1.河南省水利科学研究院 a.结构材料所; b.河南省水利工程安全技术重点试验室,郑州 450003； 2.郑州大学 水利与环境学院，郑州 450002；3.河南水利与环境职业学院 水利工程系，郑州 450000；4.济源市水土保持科学研究所 济源市水土保持监测站，河南 济源 459000)

1 研究背景

自1993年美国Eldin教授提出橡胶混凝土以来，许多学者对橡胶混凝土的性能进行了深入研究，因其具有良好的耐久性能、抗冲击性能及抗震性能而在建筑工程中得到应用。

如1999年，美国亚利桑那州北部建造了世界第1条橡胶混凝土路面道路[1]；2001年，在上海市外环道路、内环线高架桥等工程中，橡胶混凝土作为韧性面层材料、桥梁伸缩缝及伸缩缝开裂修复弹性材料进行使用[1]；2015年，在河南省河口村水库泄洪洞工程中，橡胶混凝土的抗冲磨性能得到初步检验[2]。由于橡胶混凝土的抗压、抗拉强度较低，且材料价格相对较高，因此也限制了橡胶混凝土的使用范围。一般情况下，橡胶混凝土仅作为面层或局部材料与普通混凝土配合使用，这就不可避免地涉及到橡胶混凝土与普通混凝土的粘结问题，但关于橡胶混凝土与普通混凝土粘结性能的研究却鲜有报道。

目前，针对普通混凝土之间粘结性能的研究已有较长历史，在粘结的力学性能、耐久性能、微观结构和作用机理等方面已取得了丰富成果[3-8]，这为研究橡胶混凝土与普通混凝土的粘结打下了基础。与普通混凝土相比，橡胶颗粒的存在，已造成橡胶混凝土的微观结构及宏观强度的较大改变[9-11]，当将其与普通混凝土进行粘结时，橡胶颗粒对粘结界面性能的影响将不容忽视。据此，本文将对新浇橡胶混凝土与普通老混凝土的粘结劈拉性能开展研究，分析橡胶颗粒粒径、掺量和界面剂等因素对粘结劈拉强度的影响。

2 试验内容

2.1 原材料

水：城市自来水；水泥：河南省辉县生产的天瑞牌普通硅酸盐水泥P.O-42.5；粗骨料：石灰岩碎石，二级配，即粒径5～20 mm，20～40 mm两种石子，两者质量比为4∶6，表观密度为2 732 kg/m3；细骨料：河砂，细度模数2.70，表观密度为2 703 kg/m3；橡胶颗粒：1～3 mm和3～6 mm两种粒径，表观密度为1 119 kg/m3。

2.2 复合改性和界面剂

复合改性：橡胶颗粒经1%质量浓度的NaOH溶液浸泡24 h，之后用清水清洗橡胶颗粒直至呈中性，然后晾干，再称取橡胶颗粒质量1%的KH570溶液，用一定量的无水乙醇稀释后倒入橡胶颗粒中，以橡胶颗粒恰好全部湿润为宜。

试验用新老混凝土粘结界面剂有2种：一种是目前工程常用的水泥净浆界面剂，其水灰比与新混凝土相同；另一种是自行研发的新型改性环氧界面剂，主要成分有环氧、糠醛、丙酮和固化剂等，经过一定的合成工序配制而成，液体呈浅黄色，可喷涂，施工方便。

2.3 配合比

老混凝土为普通混凝土，强度等级为C30，28 d抗压强度为41.35 MPa。水灰比0.54，砂率0.37，配合比见表1。新浇混凝土为橡胶混凝土，橡胶颗粒掺量分别为5%，10%，15%，20%和30%(砂的体积分数)5种，橡胶颗粒掺加方式为等体积取代细骨料(砂)，配合比见表1。

表1 混凝土的配合比Table 1 Mixture proportions of concrete kg/m3

2.4 试验方法

混凝土的拌合与成型、养护和试验均参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行，粘结劈拉试件成型试模采用标准的150 mm×150 mm×150 mm立方体试模。老混凝土试件标准养护28 d后，再自然养护3个月。粘结劈拉试件的老混凝土界面采用自然劈拉面，即老混凝土试件在压力试验机上从中间劈成两半，去掉劈拉面上松动的水泥石或石子，不做其它人工凿毛处理，直接在劈拉面上浇筑新混凝土。对26块随机老混凝土试件的劈拉面采用灌砂法[2]测定其平均灌砂深度，经统计计算，平均灌砂深度值为1.11 cm，标准差为0.238 cm，可以认为，所有老混凝土试件的自然劈拉面的平均灌砂深度较一致，且满足新老混凝土粘结质量对粗糙度的要求。浇筑新混凝土前，将半个老混凝土试件放入水中浸泡1 d，取出擦干粘结面(劈拉面)明水，然后在粘结面上均匀涂抹界面剂，厚度为0.5～2.0 mm，最后将半个老混凝土试件竖立放置于立方体试模中，在一侧浇筑新混凝土，并振捣成型[3]。试件成型24 h后拆模，放入养护室标准养护28 d。粘结劈拉试验按照混凝土劈裂抗拉强度试验进行。

3 粘结劈拉强度影响因素

试验研究了橡胶颗粒粒径、橡胶颗粒掺量、复合改性和界面剂对橡胶混凝土与普通混凝土粘结劈拉强度的影响，试验数据见表2。

表2 混凝土整体及粘结试件的劈拉强度Table 2 Adhesive splitting tensile strength of concrete asa whole and bonding specimens

3.1 橡胶颗粒粒径

当橡胶掺量在5%，10%，15%和30%时，掺加1～3 mm橡胶颗粒的混凝土整体劈拉强度稍>掺加3～6 mm橡胶颗粒的混凝土整体劈拉强度(见图1)，1～3 mm 橡胶颗粒粒径时，劈拉强度的降低在橡胶掺量为 20%时达到最大，3～6 mm 橡胶颗粒粒径时，劈拉强度的降低在橡胶掺量为 30%时达到最大。

当橡胶混凝土与老混凝土粘结，不涂刷界面剂时，掺加3～6 mm橡胶颗粒橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度略>掺加1～3 mm橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度；涂刷水泥净浆界面剂时，2种粘结劈拉强度相差不大，5%，10%和30%掺量时是掺加3～6 mm橡胶颗粒橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度略>掺加1～3 mm橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度，15%和20%掺量时则相反(见图2(b))；涂刷新型改性环氧界面剂时，掺加1～3 mm橡胶颗粒橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度>掺加3～6 mm橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度。

图1 橡胶混凝土整体劈拉强度Fig.1 Adhesive splitting tensile strength of rubber concrete

图2 橡胶混凝土与老混凝土粘结劈拉强度Fig.2 Adhesive splitting tensile strength of RC-OC

3.2 橡胶颗粒掺量

新浇混凝土(橡胶颗粒掺量为0时是普通混凝土，其它掺量时是橡胶混凝土)的整体劈拉强度与新老混凝土的粘结劈拉强度随橡胶掺量的变化规律较一致(见图3)，说明新老混凝土的粘结劈拉强度与新混凝土整体的劈拉强度有一定相关性，这与普通新老混凝土粘结的结论[6]一致。新浇橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度大多<新浇普通混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度，但橡胶混凝土与老混凝土的粘结劈拉强度随着橡胶掺量的增加呈现先升后降的起伏变化，在一定掺量下达到最大值，这个掺量在1～3 mm橡胶颗粒时为15%(见图3(a))，在3～6 mm橡胶颗粒为10%(见图3(b))。

图3 橡胶混凝土劈拉强度与橡胶掺量的关系Fig.3 Relationship between splitting tensile strength of RC-OC and rubber content

3.3 界面剂

不论涂刷何种界面剂，新老混凝土粘结劈拉强度都<新浇混凝土整体劈拉强度，对普通混凝土是这样，对橡胶混凝土也是这样(见图3)。而新老混凝土粘结试件相比，不论新浇混凝土是普通混凝土还是橡胶混凝土，橡胶混凝土是掺加1～3 mm橡胶颗粒(见图3(a))还是掺加3～6 mm橡胶颗粒(见图3(b))，涂刷新型改性环氧界面剂时粘结劈拉强度均最大；涂刷水泥净浆界面剂与不涂刷界面剂对于普通新老混凝土粘结(橡胶掺量为0)劈拉强度有较大差别，但对于橡胶混凝土与老混凝土粘结劈拉强度相差不大。

3.4 复合改性

橡胶颗粒经复合改性后，同掺量下橡胶混凝土的劈拉强度比改性前有所提高(见图4，15%时数据异常，试验误差造成)。当复合改性橡胶混凝土作为新混凝土与普通混凝土粘结时，粘结劈拉强度也有所提高(见图5)，且改性前后粘结劈拉强度随橡胶颗粒掺量、橡胶颗粒粒径的变化规律相似。

图4 复合改性橡胶混凝土整体劈拉强度Fig.4 Adhesive splitting tensile strength of composite modified rubber concrete

图5 橡胶颗粒复合改性前后粘结劈拉强度对比Fig.5 Comparison of adhesive splitting tensile strengthof rubber particles before and after compositemodification

5 结 语

(1)掺加1～3 mm和3～6 mm橡胶颗粒的橡胶混凝土与普通老混凝土的粘结劈拉强度大小因界面剂不同而有所不同：不涂刷界面剂时，掺加3～6 mm橡胶颗粒橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度略大于掺加1～3 mm橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度；涂刷水泥净浆界面剂时，2种粘结劈拉强度相差不大；涂刷新型改性环氧界面剂时，掺加1～3 mm橡胶颗粒橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度大于掺加3～6 mm橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度。

(2)橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度随着橡胶掺量的增加呈现先升后降的起伏变化，不论有无界面剂，1～3 mm和3～6 mm橡胶颗粒分别对应掺量为15%和10%时，其值达到最大。

(3)新老混凝土粘结劈拉强度都<新浇混凝土整体劈拉强度，涂刷水泥净浆界面剂与不涂刷界面剂对于普通新老混凝土粘结时劈拉强度有较大差别，但对于橡胶混凝土与普通混凝土粘结时劈拉强度相差不大，涂刷新型改性环氧界面剂时粘结劈拉强度最大。

(4)橡胶颗粒经复合改性后，复合改性橡胶混凝土与普通混凝土的粘结劈拉强度较未改性前有所提高，且改性前后粘结劈拉强度随橡胶颗粒掺量、橡胶颗粒粒径的变化规律相似。