橡胶混凝土低温轴心抗压及抗折性能试验研究*

薛 刚， 孙立所， 许 胜

(内蒙古科技大学土木工程学院， 包头 014010)

0 引言

近年来，中国汽车工业发展迅速，废旧轮胎产量大幅度增加。在自然条件下，废旧轮胎橡胶是一种极难降解的固体聚合物，废旧橡胶的回收及再利用已经成为我国急需解决的问题。将橡胶颗粒掺入到混凝土中是废旧橡胶利用的有效方式，混凝土中掺入橡胶颗粒后，可以提高混凝土的韧性、抗冻性能和减震性能等。Alan Richardson等[1]研究不同橡胶粒径对混凝土抗压强度和冻融耐久性的影响，结果表明，橡胶混凝土的抗压强度和橡胶颗粒尺寸之间没有明显的相关性，当橡胶粒径小于0.5mm时，橡胶混凝土的抗冻性较好。李响等[2]进行超低温下混凝土本构关系试验研究，结果表明，随着温度降低，混凝土的峰值应变减小，弹性模量呈增大趋势。时旭东等[3]进行受压试验，结果表明，不同低温下混凝土立方体受压破坏形态相似，随着温度的降低，受压破坏变得越来越突然。张楠等[4]比较两种低温力学性能试验方法，结果表明，在低温环境进行低温力学性能试验更合理。刘方等[5]将橡胶掺入到混凝土中进行试验研究，结果表明与普通混凝土相比，橡胶混凝土的韧性可以提高11%。王军军等[6]采用橡胶颗粒等体积取代砂，研究不同橡胶掺量对混凝土力学性能的影响，结果表明，抗压强度和抗折强度随着橡胶掺量的增加而降低。袁群等[7]研究橡胶混凝土的抗压强度和抗冻性能，结果表明，橡胶颗粒掺入到混凝土中，使橡胶混凝土抗压强度降低，但可改善混凝土的抗冻性能。廖国维等[8]研究橡胶掺量和粒径对低掺量橡胶混凝土轴心抗压强度和弹性模量的影响，结果表明，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土轴心抗压强度和弹性模量逐渐降低。王婷雅等[9]测试混凝土常温和低温下的抗压强度，结果表明，低温下橡胶混凝土的抗压强度较常温提高。李赞成[10]等研究橡胶粒径、掺量对橡胶混凝土折压比的影响，结果表明，橡胶混凝土的破坏特征与普通混凝土相比表现出更好的延性。乔卫国等[11]利用正交试验法研究橡胶颗粒种类、掺量、水灰比和砂率对混凝土抗压强度影响的次序，研究表明，水灰比和橡胶掺量是影响橡胶混凝土强度的主要因素。李厚民等[12]在横梁与立柱的交界部位使用橡胶混凝土，测试了结构承载力、跨中应变、立柱应变、跨中位移随橡胶混凝土使用量的变化规律，结果表明，橡胶混凝土在横梁与立柱交界部位的使用对结构的变形有较大的影响并且不降低框架结构的承载力。

与常温力学性能研究相比，目前，橡胶混凝土低温力学性能研究较少。我国冬季大多数地区气温很少会突破-30℃，为此本文选择-30℃作为低温代表进行试验研究。为橡胶混凝土在寒冷地区的应用及设计提供数据指标的参考，扩大橡胶混凝土的应用范围。

1 试验原材料及试验配合比

1.1 试验材料

(1)水泥采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥。其性能指标如表1所示。

表1 P·O 42.5R水泥的性能指标

(2)粗骨料采用石灰岩碎石，其物理性能如表2所示。

表2 粗骨料物理性能

(3)细骨料采用河砂，其物理性能如表3所示。

表3 细骨料物理性能

(4)橡胶颗粒粒径为1.7～4mm，堆积密度为610 kg/m3，表观密度为1 050 kg/m3，由废旧橡胶轮胎加工制成，技术指标如表4所示，橡胶颗粒外观形貌如图1所示。

表4 橡胶颗粒的技术指标

图1 橡胶颗粒

1.2 试验配合比

设计强度等级为C40的混凝土。使用橡胶颗粒5～10目，分别以0%，10%，20%，30%的掺量等体积取代砂。配合比参考文献[13]，如表5所示。

表5 橡胶混凝土配合比

1.3 试件制作方法

根据规范[14]测试混凝土的坍落度，并按实际情况适量添加减水剂，使橡胶混凝土的坍落度满足规范要求。将拌和好的混凝土同批次放入试模中，振捣夯实后，在常温下放置24h后拆模，在标准条件下养护28d。试件分为两组，分别在常温和低温下进行试验。其中轴心抗压试验每组试件36个，试件为尺寸150mm×150mm×300mm的棱柱体；抗折试验每组试件36个，试件为尺寸100mm×100mm×400mm的非标准试件。

2 橡胶混凝土棱柱体低温轴压性能试验研究

2.1 试验方法

张楠等[4]研究表明，0℃和-40℃时，将混凝土试件降温至目标温度后在常温环境下进行力学测试与直接将混凝土试件置入低温环境下进行力学测试的强度结果差异并不明显。本文低温试验是将试件放入-30℃的工业冰箱中冷冻72h后立即取出进行试验，工业冰箱如图2所示。跟据普通混凝土轴心抗压试验标准，对试件进行轴心抗压试验。低温下应变片采用冷冻后粘贴，应变片采取双面中心对称布置方式来测纵向变形，如图3所示；使用液压试验机加载如图4所示；使用动态应变仪采集试验数据如图5所示。

图2 工业冰箱

图3 应变片布置图

图4 液压伺服加载系统

图5 数据采集仪

2.2 应力-应变曲线

考虑到采集低温-30℃下应力-应变全曲线时试验时间超过10min，外界环境温度对试验的影响则不可忽略，本文试验只采集了应力-应变曲线的上升段。根据采集仪采集的数据做出橡胶混凝土相同橡胶掺量不同水胶比的橡胶混凝土的常温和低温下的应力-应变曲线的上升段见图6～9。由图6～9可以看出，低温和常温下橡胶混凝土的应力-应变曲线的趋势基本一致，先是直线上升，后慢慢变得平缓。常温20℃时，同种橡胶掺量，随着水胶比的增大试件强度值降低。低温-30℃时，同种橡胶掺量，随着不同水胶比变化试件强度也在改变，低温下橡胶混凝土的峰值应力和峰值应变较常温下都有较大幅度提高，每种橡胶掺量下应力和应变提高幅度都略不相同。

图6 橡胶掺量为0%时混凝土应力-应变曲线

图7 橡胶掺量为10%时混凝土应力-应变曲线

图8 橡胶掺量为20%时混凝土应力-应变曲线

图9 橡胶掺量为30%时混凝土应力-应变曲线

2.3 橡胶混凝土轴心抗压强度

本文试验参照规范[15]中有关规定进行，橡胶混凝土试件的轴心抗压强度按式(1)计算。常温下橡胶混凝土轴心抗压强度和低温-30℃下橡胶混凝土轴心抗压强度具体数值见表6。从表中可以看出，水胶比为0.35时，基准混凝土的轴心抗压强度较常温增加20.9%，橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土轴心抗压强度较常温增加28.9%。水胶比为0.40时，基准混凝土轴心抗压强度较常温增加30.5%，橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土轴心抗压强度较常温增加49.5%。水胶比为0.45时，基准混凝土轴心抗压强度较常温增加44.1%；橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土轴心抗压强度较常温增加53.7%。同种橡胶掺量的橡胶混凝土，水胶比越小，轴心抗压强度较常温增加得越小。

fc=F/A

(1)

表6 橡胶混凝土轴心抗压强度

式中：fc为橡胶混凝土轴心抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；A为试件承压面面积，mm2。

常温20℃下，随橡胶掺量增加，不同水胶比对橡胶混凝土抗压强度的影响规律见图10。从图10可以看出，不同水胶比的橡胶混凝土，随着橡胶掺量的增加，抗压强度变化趋势相同，呈逐渐下降趋势。低温-30℃下橡胶混凝土轴心抗压强度变化趋势见图11。由图11可以看出，橡胶掺量相同时，其低温下不同水胶比的橡胶混凝土的轴心抗压强度值相差不大。随着橡胶颗粒的掺入，其强度下降明显，下降趋势趋于缓和。对比图9、图10可以看出，低温下橡胶混凝土的轴心抗压强度变化趋势和常温下的趋势几乎吻合，即随橡胶掺量的增加，强度逐渐下降。

图10 常温20℃下橡胶混凝土轴心抗压强度

图11 低温-30℃下橡胶混凝土轴心抗压强度

2.4 低温下轴心受压试件破坏形态

图12为低温-30℃下水胶比为0.40的不同橡胶掺量的混凝土轴心受压试件的破坏状态图。从图中可以看出，受压试件均为纵向裂纹的劈裂破坏。随着橡胶掺量增大，极限荷载下试件外形完整性不断增加。主要是橡胶颗粒在低温下收缩性较大，但弹性并没有因低温而减弱，因此随着橡胶掺量的增加，提高了混凝土在极限荷载下保持完整性的能力。

图12 低温-30℃下轴心受压试件破坏状态

3 橡胶混凝土低温抗折性能试验研究

3.1 试验方法

试验参照规范[15]中三分点弯曲试验法，抗折试验示意图如图13所示，试验装置见图14。

图13 抗折试验示意图

图14 抗折试验装置图

3.2 抗折试件破坏形态

图15为低温-30℃下水胶比为0.40的不同橡胶掺量的橡胶混凝土抗折试件的破坏状态图。从图中可以看出，抗折试件均在中间区段破坏。随着橡胶掺量增大，极限荷载下试件保持连接状态的能力越好。是因为橡胶颗粒本身具有很好的弹性，其加入到混凝土中犹如微小的弹性体分布在混凝土砂浆内部，当试件受到较大弯拉荷载作用时，橡胶颗粒对裂纹在水泥砂浆的扩展起到了一定的阻碍作用，增加了其变形，使其保持完整性。

图15 低温-30℃下试件弯折破坏状态

3.3 抗折强度

橡胶混凝土试件的抗折强度按式(2)计算，试件的抗折强度值乘以修正系数0.85。常温20℃下橡胶混凝土抗折强度和低温-30℃下橡胶混凝土抗折强度具体数值见表7。从表中可以看出：水胶比为0.35时，基准混凝土的抗折强度较常温增加20.2%，橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土抗折强度较常温增加29.7%。水胶比为0.40时，基准混凝土抗折强度较常温增加36.7%，橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土抗折强度较常温增加42.8%。水胶比为0.45时，基准混凝土抗折强度较常温增加53.4%；橡胶掺量为30%时，橡胶混凝土抗折强度较常温增加52.9%。同种橡胶掺量的橡胶混凝土，水胶比越小，抗折强度较常温增加得越小。

表7 橡胶混凝土抗折强度

(2)

式中：ff为橡胶混凝土抗折强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；l为支座间跨度，mm；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm。

常温20℃下，不同橡胶掺量和不同水胶比对橡胶混凝土抗折强度的影响规律如图16所示。从图中可以看出，随着橡胶掺量的增加，抗折强度逐渐下降，下降趋势越来越快。橡胶掺量相同时，水胶比越小，橡胶混凝土抗折强度越大。低温-30℃下，不同橡胶掺量和不同水胶比对橡胶混凝土抗折强度的影响规律如图17所示。从图中可以看出，-30℃时，橡胶混凝土的抗折强度值明显低于基准混凝土。橡胶掺量相同时，随着水胶比的增大，低温下橡胶混凝土的抗折强度值越大。

图16 常温20℃下橡胶混凝土抗折强度

图17 低温-30℃下橡胶混凝土抗折强度

3.4 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，脆性越小，韧性越好。其计算结果如表8和表9所示。由表8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在逐渐增大，这说明随着橡胶掺量的增加，混凝土的脆性降低，延性增强。

表8 常温20℃下橡胶混凝土折压比

由表9可以看出，低温-30℃下，随着橡胶掺量的增加，不同水胶比的橡胶混凝土折压比逐渐增大，这说明随着橡胶掺量的增加，混凝土的脆性降低，延性增强。对于同种橡胶掺量的混凝土，水胶比越小，折压比越大，即水胶比越小，脆性增强，延性变差。

对比表8和表9，可发现，低温-30℃时橡胶混凝土的折压比与常温20℃相比数值上略有增加，脆性变化不大。橡胶掺量相同时，低温下橡胶混凝土的折压比受水胶比的影响更加明显，表现为，橡胶掺量相同时，水胶比越大，混凝土的韧性相对越好。

表9 低温-30℃下橡胶混凝土折压比

4 结论

本文进行不同水胶比和不同橡胶掺量的橡胶混凝土轴心抗压性能试验和抗折性能试验，基于试验结果，得到如下结论：

(1)橡胶掺量相同时，低温下，橡胶混凝土的峰值应力和峰值应变较常温下都有较大幅度提高。水胶比相同时，随着橡胶掺量的增加，应力-应变曲线越来越平缓，即在相同应力下，橡胶掺量越多，应变越大。

(2)常温下，随着橡胶掺量的增加，抗折强度逐渐下降，下降趋势越来越快。橡胶掺量相同时，水胶比越小，橡胶混凝土抗折强度越大。低温下，橡胶掺量相同时，随着水胶比的增大，低温下橡胶混凝土的抗折强度值较常温下橡胶混凝土的抗折强度值越大。

(3)常温下，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的折压比在逐渐增大，这说明随着橡胶掺量的增加，混凝土的脆性降低，延性变好。低温下，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土折压比的变化趋势和常温下一致，即随橡胶掺量的增加，折压比逐渐增大。低温下橡胶混凝土的折压比受水胶比的影响更加明显，表现为，橡胶掺量相同时，水胶比越大，混凝土的韧性相对越好。