橡胶改性混凝土立方体抗压强度尺寸效应试验研究

许精文

（中交路桥建设有限公司，北京 100012）

0 引言

随着汽车工业飞速发展，随之产生的废旧轮胎数量已经严重超出了自然环境的承受范围［1］。橡胶作为废旧轮胎的主要固体废物，近年来被广泛应用于制备混凝土中，橡胶混凝土作为一种新型混凝土是在普通混凝土的基础上，以橡胶颗粒或者橡胶粉取代部分的混凝土骨料而制成的，能有效改善混凝土的脆性，同时我国公路桥梁网络纵横交错，碰撞事故时有发生，将橡胶混凝土应用于公路、桥梁能够为资源再生利用以及减少车桥碰撞事故提供了一条可行方案［2-5］。对于橡胶混凝土国内外学者做了大量研究，并取得了丰硕的成果。骆春雨［6］等提出建立了混凝土抗压强度降低率与橡胶集料体积分数之间的经验关系式。郭帆［7］等研究发现橡胶粉的掺入会使混凝土强度大幅降低。陈嘉伟［8］研究发现，橡胶混凝土的立方体抗压强度变化图像峰值应变变化趋势随橡胶掺量增加呈抛物线变化，先增大后减小。刘誉贵［9］等对不同强度等级的普通混凝土尺寸效应研究，结果表明，混凝土强度越高，抗压强度的尺寸效应越明显，而对弹性模量影响甚小。张军［10］研究发现，混凝土受压的体积越大，即随着试块尺寸增大，所测得的抗压强度越低。但对于橡胶混凝土抗压强度的尺寸效应研究未见报道，因此有必要对其抗压强度的尺寸效应进行研究。基于此，本文以橡胶混凝土立方体试件为对象，较为系统地分析了混凝土试件尺寸、橡胶粉掺量和强度等级对橡胶混凝土抗压强度尺寸效应的影响，以期为橡胶改性混凝土的推广和应用提供科学的数据支持。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验用原材料主要包括：水泥为祁连山高抗硫酸盐硅酸盐水泥42.5；橡胶粉为庆阳陇鑫实业公司出产的60目橡胶粉；减水剂为兰州浩翔环保建材有限公司出产的QX-GX高效减水剂；粉煤灰为国电兰州热电厂Ⅱ级粉煤灰；细骨料为2.6细度模数的中砂，其表观密度为2 973.3 kg／m3；粗骨料为石灰石质碎石，粒径5～20 mm连续级配。原料化学成分如表1所示。

表1 原料化学成分（w）Table 1 Chemical constituents of raw materials（w）%

1.2 试验方法

本次试验加载方式及试验结果处理均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》［12］（GB／T50081-2002）。将全部混凝土试块放置标准养护室养护28 d，测试其抗压强度。抗压试验按照标准试验方法进行，通过对边长为70、100、150、200 mm，强度等级为C30、C40的普通混凝土立方体试件进行无侧限抗压强度试验，研究了不同强度等级不同橡胶掺量 （0，5%，10%，15%）下混凝土立方体抗压强度尺寸效应。所有试件均以0.5 MPa／s进行加载，以避免加载速率对试件抗压强度造成影响。配合比C30、C40混凝土试件配合比等体积取代细骨料，分别如表2和表3所示。

表2 配合比C30、C40混凝土试块配合比Table 2 Mix ratio C30，C40 concrete block mix ratio kg／m3

表3 橡胶粉等体积取代细骨料Table 3 Rubber powder substituting fine aggregate in equivalent volume

2 结果与讨论

根据 《普通混凝土力学性能试验方法标准》计算求得有效抗压强度，试验结果如表4所示。

表4 试验结果Table 4 Test results

图1 不同强度等级混凝土在不同R掺量下各尺寸抗压强度Figure 1 Compressive strength of concrete with different strength grades and different R content

从图1（a）和图1（b）可以看出，C30和C40，4条折线A、B、C、D抗压强度由大到小依次为D、A、B、C，抗压强度随橡胶掺量的增大而降低，使混凝土试块内部应力变化较大，橡胶周围混凝土首先出现应力集中，橡胶周围混凝土受到应力较大，橡胶颗粒受到的应力较小，造成橡胶混凝土内部应力分布不均，且橡胶掺量越多，橡胶颗粒的间距越小，内部空隙、孔隙逐渐贯通，从而导致橡胶混凝土抗压强度降低。

综合观察图1（a）和图1（b）4条折线，抗压强度随尺寸增大先增大后减小，且变化幅度由大到小依次为：C、B、A、D。一方面，在振捣混凝土时，粗骨料易居于试块中心，细骨料居于试块边缘，这就形成了一定厚度的边界层。当试块尺寸较大时，边界层占试块总尺寸的比例越小，当试块尺寸较小时，边界层占试块总尺寸的比例越大，由于橡胶粉不吸水，加入混凝土中橡胶粉表面容易产生大量气泡，随橡胶粉的掺量的增加，边界层效应越明显，各尺寸抗压强度变化幅度就越大。另一方面，在养护期间，试块内部不均匀扩散产生残余应力，导致试块发生非弹性应变和开裂。对于大尺寸试块，表面积较大，干燥速率快，内部裂缝较多，对于小尺寸试块，表面积较小，干燥速率慢，从而使抗压强度随试块尺寸增大而减小。将橡胶粉掺入混凝土后，试块干燥速率变快，且橡胶掺量越多，干燥速率越快，裂缝越多，即抗压强度的尺寸效应越明显。

图1（b）可发现，A与D的抗压强度最大，且两折线接近吻合，这也说明在C40橡胶混凝土中掺入5%橡胶粉对混凝土试件的抗压强度几乎没有影响，增大或减小橡胶粉掺量，抗压强度均降低很快。橡胶掺量越大 （取代量在15%内），抗压强度的尺寸效应越明显。

图2 R掺量为0%和10%时不同强度混凝土的各尺寸抗压强度Figure 2 Compressive strength of concrete with different strength at 0%and 10%R

由图2（a）和图1（b）可以看出，在各尺寸的抗压强度C40橡胶混凝土试件均远大于C30橡胶混凝土试件的抗压强度，且随尺寸增长C40橡胶混凝土的抗压强度变化幅度较大。C30和C40混凝土在尺寸70～100 mm时，立方体抗压强度迅速增长，在尺寸100 mm时抗压强度达到峰值。当尺寸超过100 mm时，C40橡胶混凝土抗压强度先是大幅度下降，后下降速度变得缓慢，而C30橡胶混凝土抗压强度先是趋于稳定，后缓慢下降。

对于尺寸为70 mm的橡胶混凝土立方体试块，在制作过程中同样选取的石子最大粒径为16 mm，这使得橡胶混凝土试块中粗骨料比例大大减小，细骨料比例相对配合比大大增加，使边界层占了总尺寸的绝大一部分，试块的立方体抗压强度就等同于砂浆来提供，这大大降低了其抗压强度。计算可知，边长70 mm的C30橡胶混凝土立方体抗压强度仅为100 mm立方体抗压强度的75%，边长70 mm的C40橡胶混凝土立方体抗压强度仅为100 mm立方体抗压强度的85%。同时，混凝土试块越大，边界层占试块总尺寸的比例越小，再加之混凝土尺寸越大，内部空隙、裂缝或局部缺陷机率越大，从而使混凝土立方体抗压强度越小。由于C40橡胶混凝土配合比中水泥用量较C30橡胶混凝土大，使得橡胶混凝土试块内部粘结更密实，从而使C40橡胶混凝土抗压强度比C30橡胶混凝土大。C40橡胶混凝土水泥用量较多，试件内部更密实，抗压强度越高，抗压强度的尺寸效应越明显。

通过以上分析可知，各尺寸混凝土立方体试块的抗压强度尺寸效应随着橡胶粉掺量的增加，呈增加或趋于平缓的趋势。随着橡胶粉掺量的增加（橡胶粉等体积取代细骨料的取代量在15%以下时），混凝土抗压强度的尺寸效应越明显。经过对比C30和C40两组强度下的立方体抗压尺寸效应可发现，C40强度下立方体抗压强度尺寸效应度要高于C30强度下的值，说明橡胶混凝土强度越高，尺寸效应越明显。混凝土强度越高，混凝土脆性越大，低强度混凝土多发生延性破坏，而高强混凝土多发生脆性破坏，使尺寸效应更加明显。

3 结论

以橡胶混凝土立方体试件为对象，较为系统地分析了混凝土试件尺寸、橡胶粉掺量和强度等级对橡胶混凝土抗压强度尺寸效应的影响。其中C30和C40橡胶混凝土，抗压强度随橡胶掺量的增大而降低。橡胶混凝土的抗压强度尺寸效应与橡胶掺量密切相关，橡胶掺量越大 （取代量在15%内），抗压强度的尺寸效应越明显；抗压强度随尺寸增大先增大后减小，变化幅度随橡胶粉 （取代量在15%内）的掺量增大而增大；不同强度下橡胶混凝土的抗压强度尺寸效应与普通混凝土的抗压强度尺寸效应结论一致，强度越高，尺寸效应越明显。该研究能够为橡胶改性混凝土的推广和应用提供理论依据。