橡胶混凝土低温抗折性能试验研究

薛 刚， 林大地

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

我国的橡胶消耗量已位居世界第一[1]，但作为橡胶主要原材料废旧轮胎的回收能力不高[2].废旧轮胎属于工业有害废物，应该加强对废旧轮胎的再利用[3].将废旧轮胎破碎制成橡胶颗粒，掺入混凝土中，制成橡胶混凝土.橡胶颗粒的掺入可提高混凝土的韧性、变形性能，还具有抗冻、抗渗、抗冲击等诸多优势，使其变成土木工程领域的绿色资源[4].橡胶混凝土虽然提高了韧性以及耐久性能，但强度降低的缺点明显[5-6]，仅适用于对材料强度要求不是很高的工程领域，比如某些道路工程.目前，关于低温环境下的力学性能研究较少[7-8].在低温环境下橡胶混凝土力学性能的研究，无疑可拓展橡胶混凝土在工程中的应用范围，也能为其后广泛的应用提供一些技术参考和依据.

在上世纪70年代，国外开始了对混凝土低温环境下性能的研究[9-10]，而我国的研究集中在近十余年[11-13].在低温环境下，橡胶混凝土材料因外界积蓄的应变而产生内应力，而冰雪融化的过程会导致混凝土内应力消失，与常温下的力学性能有很大不同.因此常温下橡胶混凝土性能无法在寒冷地区的应用.

抗折性能是反映材料韧性的重要指标，良好韧性是橡胶混凝土有别于普通混凝土材料的主要特点.本文主要对12组不同配合比的橡胶混凝土分别在低温环境与常温环境下进行抗折试验，对比分析低温下抗折强度分别在水灰比、橡胶掺量等因素变化情况下的性能变化规律，并根据抗压强度与抗折的关系，探究低温下橡胶混凝土的韧性特点.

1 试验原材料及配合比

1.1 试验原材料

(1)水泥：为P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥物理性能见表1.

表1 水泥物理性能

(2)砂：细度模数2.7，表观密度2 620 kg/m3，堆积密度1 512 kg/m3,质中砂.

(3)石子：表观密度2 685 kg/m3的碎石，粒径5～25 mm，压碎指标9.6%的碎石.

(4)橡胶：5～10目混合橡胶颗粒，堆积密度为610 kg/m3.

(5)水：普通饮用水.

(6)粉煤灰为Ⅱ级，矿渣粉为S95级.

(7)减水剂：聚羧酸减水剂，减水率≥25%.

1.2 试验配合比设计

分别采用水灰比为0.35、0.40、0.45的普通混凝土作为基准混凝土，砂率分别为38%、40%和42%，采用等体积替代法分别以0、10%、20%和30%的掺量代替砂掺入混凝土中.以50 kg/m3和60 kg/m3两种掺量掺入粉煤灰和矿渣粉.橡胶混凝土的配合比设计均符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)相关规定.各组材料配合比见表2.

表2 橡胶混凝土配合比

2 试验方法

按照标准抗折试验过程进行常温抗折试验，目前有两种混凝土低温力学性能的试验方法：一种是将试件放置于低温箱内充分降温，然后将其取出进行试验；另一种则是直接在低温环境内进行力学试验.研究表明[14]：低温下试验，当温度在0 ℃和-40 ℃时，两类方法之间的差别并不明显.试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，本文按照第一类方法将试件放入低温箱后取出，采用三分点弯曲法进行抗折试验.抗折试验装置如图1所示.

图1 抗折试验装置Fig.1 Flexural test

橡胶混凝土试件的抗折强度按式(1)计算.

(1)

式中：fRF为橡胶混凝土抗折强度(MPa)；Fmax为最大荷载(N)；l为支座间距(mm)；b为截面宽度(mm)；h为截面高度(mm).

定义橡胶混凝土试件的抗折强度损失k如式(2)，该指标可直观反映橡胶混凝土抗折强度较基准混凝土强度变化情况.

(2)

式中，fCF为基准混凝土抗折强度(MPa).

3 试验结果及分析

3.1 试件破坏形态

水灰比为0.4的普通混凝土及橡胶混凝土抗折试件的破坏形态如图2所示.可以看出，抗折试件在中部区域断裂，随着橡胶掺量增大，破坏时试件未完全折断，显示出具有一定保持整体形态的能力.未掺橡胶的基准混凝土为明显的脆性断裂，破坏时发出清脆的断裂声，而橡胶混凝土断裂时有明显的形变，并伴有碎裂声.这是因为，橡胶颗粒本身具有抗拉特性，即多个微小的弹性体分布在混凝土内部，试验进行中，橡胶颗粒对其周围的水泥基体产生的应力集中起到了一定的阻碍作用，提高了试件的变形能力.

图2 试件抗折破坏状态Fig.2 Broken state of the specimens

3.2 抗折强度

常温20 ℃及低温-30 ℃的橡胶混凝土抗折强度试验结果如表3所示，表中抗折损失按照本文(2)式计算，抗折强度提高系数为同一配比的低温抗折强度与常温抗折强度的比值.

表3 常温下橡胶混凝土抗折强度与抗折损失

续表3

试件编号20 ℃抗折强度/MPa-30 ℃抗折强度/MPa20 ℃抗折损失/%-30 ℃抗折损失/%抗折强度提高系数CC-0.459.0413.86001.53RC-0.45-108.6912.523.879.771.44RC-0.45-208.0812.6810.628.511.57RC-0.45-307.1710.9620.6920.921.53

由表3可知，橡胶掺量相同时，水灰比越大，橡胶混凝土无论在常温还是低温下抗折强度均减小，当橡胶掺量为10%时，3种水灰比的橡胶混凝土在常温下抗折强度依次为9.92 MPa、9.26 MPa、8.69 MPa.在低温-30 ℃时，随着橡胶掺量增加，橡胶混凝土抗折强度的降幅比常温情况小，当橡胶掺量超过20%以后，抗折强度下降幅度加快.比如：水灰比为0.35、橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土常温抗折强度的降幅为24.85%，而低温抗折强度的降幅为18.95%.

图3表示在常温20 ℃及低温-30 ℃下，各组试件的抗折强度在不同橡胶掺量及水灰比影响下的规律.根据表3和图3(a)可以看出，随着橡胶掺量由10%增至30%时，水灰比为0.35的橡胶混凝土抗折强度较基准混凝土的降幅由2.55%增至24.85%；水灰比为0.40的橡胶混凝土抗折强度较基准混凝土的降幅由4.04%增至23.21%.水灰比为0.45的橡胶混凝土的抗折强度较基准混凝土的降幅由3.87%增至20.69%.由此看出，随着橡胶掺量的增加，水灰比较大的橡胶混凝土抗折强度损失相对较小，即橡胶掺量较高情况下，水灰比对橡胶混凝土强度的影响效低.

图3(b)显示，-30 ℃时，橡胶混凝土抗折强度随橡胶含量的变化规律与常温情况略有区别，橡胶掺量为10%、20%时，橡胶混凝土的抗折强度变化不大.

图3 常温20 ℃和低温-30 ℃下橡胶混凝土抗折强度Fig.3 Rubber concrete flexural strength at room temperatures 20 °C and-30 °C

图4 -30 ℃橡胶混凝土抗折强度提高系数Fig.4 Rubber concrete flexural strength improvement coefficient at-30 ℃

低温下，不同橡胶掺量的橡胶混凝土抗折强度较常温下提高原因在于，一是混凝土中的游离水凝结成冰，在整个混凝土试件中形成冰晶体网，冰晶体网犹如纤维作用，并且水结冰体积增大致使混凝土内部更加密实，空隙率降低，减少了试件内薄弱环，抗弯拉应力的能力会明显提高.二是随温度降低，橡胶颗粒硬度极大增加，增加了固体承载材料的数量，减少了橡胶颗粒边界处的应力集中，混凝土承受弯拉荷载的能力会提高.

3.3 折压比

折压比即混凝土抗折强度和抗压强度的比值，可作为评价混凝土材料韧性的一个指标.混凝土折压比越大，韧性越好.在常温及低温下，测试相同配比的橡胶混凝土立方体抗压强度，进而得到橡胶混凝土折压比，图5所示.

由图5(a)可以看出，常温下，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的折压比增大，混凝土的延性得到改善.橡胶掺量到达20%时，橡胶混凝土的折压比受水灰比的变化影响效小.当橡胶掺量为30%时，水灰比为0.40和0.45的橡胶混凝土折压比，明显高于水灰比为0.35的情况，说明高掺量橡胶的混凝土，水灰比越大，韧性和变形的提高程度越明显.

图5 常温20 ℃和低温-30 ℃下橡胶混凝土折压比Fig.5 Rubber concrete folding ratio at normal temperatures 20 ℃ and-30 ℃

由图5(b)可以看出，低温-30 ℃下，随着橡胶掺量的增加，各组橡胶混凝土折压比均增大，说明混凝土的脆性有所提高.橡胶掺量相同时，水灰比越小，折压比越大，表明脆性越强，延性越差.

分析图5内容结果可知，随橡胶掺量的增加低温情况橡胶混凝土的折压比的变化趋势和常温情况类似，在低温-30 ℃时橡胶混凝土的折压比与常温相比有所提高，水灰比越大，提高幅度越明显，表明橡胶混凝土在低温下仍然保持良好的韧性.

4 结论

(1)低温下橡胶混凝土破坏形态和常温情况基本一致，随着橡胶掺量增大，破坏时试件呈现出保持完整形态的能力，即橡胶混凝土的延性越来越好.

(2)随着橡胶掺量的增加，低温及常温的抗折强度逐渐下降，且下降趋势加快；橡胶掺量相同时，随着水灰比的减小，橡胶混凝土的抗折强度增大.在低温下，橡胶掺量越大，抗折强度提高系数先下降后上升；橡胶掺量相同时，随着水灰比越大，橡胶混凝土的抗折强度越大，抗折强度提高幅度越大.

(3)低温情况橡胶混凝土折压比随着橡胶掺量的变化趋势和常温情况类似，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的折压比逐渐增大，说明橡胶的延性有所改善.低温环境下，相同掺量的橡胶混凝土折压比受水灰比的影响程度降低，具体表现为，配比相同的橡胶混凝土，低温时折压比的改变量低于常温情况.