橡胶混凝土静力及动力性能研究进展
2020-01-01杨丽丽白世华
杨丽丽,王 曦,李 康,罗 晴,白世华
(华北水利水电大学土木与交通学院,河南 郑州 450045)
0 前 言
自从20世纪90年代有学者第一次提出把橡胶掺入混凝土以来,各国学者由此展开了对橡胶混凝土的研究。相比其他混凝土,橡胶混凝土具有广泛地工程应用价值,其重量轻、韧性好、抗冲击性强、耐久性好、抗磨耗性能佳、耗能能力强、延伸率大等,这些特性都是其在工程应用中的最大优势。
本文对橡胶混凝土目前研究现状进行综述,阐述橡胶对混凝土力学性能、耐久性、疲劳性能、阻尼等的影响规律,提出橡胶混凝土未来应用前景,为橡胶混凝土未来应用提供依据。
1 力学性能
橡胶具有弹性大、质量轻、不溶于水等特性,大量研究表明:橡胶加入混凝土中都会降低混凝土的强度。Liu等[1]研究了不同替代形式以及不同掺量的橡胶混凝土力学性能的影响,试验结果表明:混凝土抗压强度、劈拉强度、轴向抗压强度和弹性模量随胶粉含量的增加而降低,并且用碎橡胶代替混合料的效果比用橡胶代替细集料的效果好。
Ayman Moustafa等[2]研究了在高强度混凝土中使用废旧轮胎颗粒对混凝土力学性能的影响,试验采用两组不同的橡胶混凝土混合料,第一组是保持减水剂的掺量相同,研究橡胶替代砂对混凝土和易性的影响;第二组通过改变减水剂的掺量来保持橡胶混凝土和易性相同。两种方式都会使得混凝土强度降低,但是第一种方式混凝土强度损失更为严重。
Kunal Bisht等[3]开展橡胶以0、4%、4.5%、5%和5.5%的比例取代细集料对混凝土抗压强度、抗折强度、密度等性能影响的试验研究,研究认为与细集料相比,混凝土的多孔性增加,橡胶屑的比重降低,因此,橡胶粉混凝土的密度随掺量的增加而减小;橡胶和水泥浆之间的粘附力较低,导致混凝土在加载时快速破裂,因此,胶粉混凝土抗压强度、抗折强度随着橡胶屑数量的增加而减少。
2 阻尼性能
研究混凝土的阻尼,可以为工程中减震设计提供依据,橡胶具有良好的阻尼和振动特性,由于其弹性性质,能显著减少开裂。橡胶的这一特性可用于混凝土中,以此来有效地进行振动控制。
Sugapriya等[4]以不同橡胶掺量等质量替代细骨料,磨细高炉矿渣代替水泥制备了三组不同组分的橡胶混凝土,利用快速傅里叶变换分析了橡胶混凝土梁中多个波的阻尼比和峰值频率及其强度、阻尼和吸收特性。对比分析三组试验结果,找到了在不影响强度性能的前提下,橡胶屑和磨细高炉矿渣达到最佳阻尼的最佳比例。
Kaewunruen等[5]把硅灰和橡胶粉(粒径为75、180、400 μm)作为混凝土中的微集料,采用指数曲线拟合法和对数衰减法,对橡胶混凝土进行振动试验,结果得出橡胶粉的加入可以明显地提高混凝土的阻尼比,特别是橡胶粉粒径为180 μm和400 μm的时候,并建议将其运用于铁路枕木中,以提高铁路轨道系统的使用寿命,减少对环境的污染。
Gurunandan等[6]在混凝土中加入聚酯纤维和橡胶粒,大大降低了静态弹性模量,从而可以显著地提高混凝土的延性和阻尼比,加入聚酯纤维或者橡胶两种类型构成混凝土混合物都可以有效地应用于道路路缘石和障碍物、铺路块、沟渠填充物和机器基础垫等作减振器。
Siti Nurul Nureda等[7]利用废弃轮胎中的再生材料来改善混凝土结构的阻尼性能。作为提高抗震性能的结构材料。以体积分数10%细胶粉及1%废轮胎纤维构成的混凝土为研究对象,研究其动力性能(固有频率及阻尼比),试验表明:与基准混凝土相比,加入橡胶和纤维的混凝土动态模量、阻尼比和固有频率均有不同程度提高,特别是阻尼比。由此表明该混合物有助于减小阻尼比增加引起的地震力。
3 疲劳性能
疲劳现象大量存在于工程结构中,钢筋混凝土吊车梁、钢筋混凝土桥以及港口海岸的混凝土结构等都要受到吊车荷载、车辆荷载以及波浪冲击等几百万次的作用,因此,对于抗疲劳破坏的研究显得尤为重要。
Pacheco-Torres等[8]研究了橡胶粒径和橡胶含量对混凝土路面的影响,提出了一种评价材料在类似交通荷载的循环作用下的变形的新试验,试验表明:在循环载荷作用下,橡胶颗粒的尺寸和比例存在一个最佳组合,能够显著提高材料在疲劳应力下阻力及变形性能,使其适用于刚性混凝土路面的施工。
Liu等[9]研究了再生橡胶混凝土的疲劳性能和损伤特性,基于威布尔理论,对试验结果进行了统计分析,给出了不同失效概率下再生橡胶混凝土的双对数疲劳方程,用于预测其极限疲劳强度。分析损伤特征表明,再生集料和橡胶颗粒均能提高混凝土的疲劳寿命。当橡胶颗粒含量达到20%时,增强效果最显著。
Chen等[10]在混凝土中加入了两种水溶性聚合物和废轮胎胶粉作为掺合料。对该混凝土进行了四点弯曲疲劳性能试验,试验表明:聚合物薄膜的高结合效应和高弹性模量以及废轮胎胶粉的良好弹性性能和抗裂性有利于提高胶凝复合材料的弯曲韧性和疲劳寿命。
Wang等[11]研究了橡胶混凝土与普通混凝土在损伤过程中的差异。通过对疲劳试验中记录的声发射信号的分析,发现橡胶混凝土声发射信号的活性和强度远低于普通混凝土,且利用声发射技术可以实时监测混凝土在反复荷载作用下的声发射活动和能量,从而评估混凝土的内部状况。
4 结 语
将橡胶用于混凝土中,既节约资源、保护环境,还可充分利用橡胶的优点以弥补混凝土自身的弱点。橡胶混凝土动力性能明显优势如下:①提高混凝土阻尼比,具有较强的能量吸收能力,用于结构抗震减震;②提高混凝土的抗裂性能,改善混凝土疲劳性能,增加混凝土疲劳使用寿命。
然而,目前橡胶混凝土动力性能研究并不充分,未来要拓宽其工程应用领域,需要深入探究。