橡胶改性再生粗骨料混凝土在高温后的力学性能研究

王武阳

（淄博市交通建设发展中心，山东 淄博 256100）

0 引言

许多工程结构在其使用寿命期间会出现火灾，当火灾发生时，高温会造成构件失去承载能力，降低力学强度，影响建筑结构的安全性，甚至导致建筑物倒塌。混凝土是建筑工程中广泛使用的主要材料之一，研究发现，普通混凝土暴露于高温环境下会降低混凝土材料的强度、弹性模量和其他性能。根据低碳可持续的发展要求，回收废弃混凝土以生产再生骨料混凝土已被证实有显著的环境效益和经济效益[1]。再生粗骨料的吸水能力高于天然粗骨料，这降低了再生粗骨料混凝土的真实水灰比，在掺入一定再生粗骨料的情况下反而会使再生混凝土的力学强度高于普通混凝土[2]。

该研究旨在评估橡胶改性再生粗骨料混凝土在高温下的耐火性能，研究在高温环境下的力学性能。再生粗骨料取代率为40%，橡胶掺量为0、5%、10%，并将混凝土暴露于100℃、200℃、300℃和500℃的高温环境下，针对橡胶改性再生粗骨料混凝土的力学强度、变形性能和耐火机理进行分析，以期为进一步推广绿色建筑材料提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

该研究使用PO42.5R 普通硅酸盐水泥。天然河砂，堆积密度为1640 kg/m3，细度模数为2.5。天然粗骨料最大粒径为35 mm，堆积密度为1617 kg/m3。再生粗骨料的最大粒径同为35 mm，堆积密度为1520 kg/m3。再生粗骨料等质量以40%的掺量取代天然粗骨料。橡胶粉的粒径为40目（即约0.425 mm），橡胶颗粒以0、5%和10%的掺量取代天然细骨料，制备S0、S1、S3 这3 组不同配比的橡胶改性再生粗骨料混凝土，见表1。在混凝土拌合过程中3 组混凝土的坍落度分别为29 mm、34 mm 和36 mm。

表1 橡胶改性再生粗骨料混凝土试件配合比

1.2 试件制备

混凝土试件均在（20±2）℃的温度和（90±5）%的相对湿度下标准养护28 天后，部分试件直接在室温（约20℃）下进行测试，而余下的试件则暴露在不同的高温环境中。高温试验中共设置4 种不同高温：100℃、200℃、300℃和500℃，工业电阻炉的加热速率为5℃/min，炉内温度升至目标温度后稳定60min，停止加热。当试件冷却到室温时，将其从炉中取出后，随即进行相关试验。共制备150mm×150mm×150mm 的立方体试件和直径为150mm、高度为300mm 的圆柱体试件。

2 试验结果和分析

2.1 表面形态

在高温试验炉内温度达到目标温度时，观察并记录温度提升过程中的现象。当温度为100℃时，一些蒸气开始逸出。一旦温度达到200℃，炉门的上壁出现少量水滴。当温度为300℃时，蒸气逐渐消失，试件表面颜色变浅，出现了几条较细的裂纹。当温度为500℃时，试件表面的裂纹数量明显增加，但未观察到混凝土表面剥落、破碎的现象。橡胶中的硫化物在橡胶改性再生粗骨料混凝土试件中经高温分解并挥发出强烈的刺激性气味，在橡胶掺量为10%的试件中，混凝土表面颜色变成红棕色。在未掺橡胶颗粒的再生粗骨料混凝土中，出现深度为10~30mm 的裂缝。而橡胶掺量为10%的橡胶改性再生粗骨料混凝土暴露于500℃的温度后，部分试件仅出现5~10mm 的微裂纹。试验结果表明，橡胶颗粒的加入改善了暴露于高温中的再生粗骨料混凝土的开裂性能。分析其原因，当混凝土的温度高于400℃时，混凝土中的水化产物氢氧化钙开始分解，骨料中的一些矿物如石英在高于400℃的温度下成分也会发生一定的变化，混凝土会出现相应的体积变化。同时橡胶颗粒在高温下的熔化释放了混凝土的内部孔隙压力，这与袁群等研究的橡胶改性普通混凝土的的机理分析是一致的。

2.2 质量损失

质量损失率定义为加热后和加热前试样的质量差与加热前试件质量的比值。该研究中每组试件的质量损失率取自3 个试件的平均值，具体数据见表2。

表2 橡胶改性再生粗骨料混凝土的质量损失率

从表中可以看出，温度越高，混凝土试件的质量损失率越大。当200℃时，掺入橡胶颗粒的混凝土立方体试件和圆柱体试件的质量损失率较为相似。当300℃时，立方体试件的质量损失率大于圆柱体试件的质量损失率。当500℃时，未掺橡胶颗粒的再生粗骨料混凝土的立方体试件的质量损失率高于圆柱体试件，而掺入橡胶颗粒后，立方体试件的质量损失率低于圆柱体试件。在大部分情况下，掺入5%橡胶颗粒的橡胶改性再生粗骨料混凝土的试件显示出相对较小的质量损失率。如图1 所示，混凝土试件的质量损失率在温度为200℃~300℃增加幅度较大，而在温度为300℃~500℃的增加幅度较小。分析原因，这与混凝土试件中游离水和化学结合水的状态有关，当温度过高时，混凝土试件内的游离水完全蒸发，化学结合水开始分解。此外，试样表面在高温下发生剥落的现象，表面积的增加导致表面孔隙和微裂纹的数量随之增加，使水蒸气更容易逸出。试验结果表明，当橡胶含量在5%时，可有效改善生粗骨料混凝土的质量损失情况。

图1 质量损失率

2.3 力学性能

橡胶改性再生粗骨料混凝土试件的抗压强度的试验结果如图2、图3 所示，图2 横轴为试验温度，纵轴为抗压强度，图3 横轴为橡胶掺量，纵轴为相对抗压强度。图2 结果表明，试验温度的升高导致未掺橡胶颗粒的再生粗骨料混凝土和橡胶改性再生粗骨料混凝土试件的抗压强度均降低。

图2 抗压强度

图3 相对抗压强度

混凝土试件的相对抗压强度与橡胶含量之间的关系如图3 所示，在未掺入橡胶或橡胶颗粒掺量较小时，橡胶的存在抑制了混凝土内部裂缝的发展，因此橡胶改性再生粗骨料混凝土试件的抗压强度没有大幅度下降。圆柱体试件在试验温度为200℃和500℃时，5%掺量橡胶改性混凝土的抗压强度甚至比未掺橡胶颗粒的再生粗骨料混凝土的抗压强度更高。随着橡胶含量增加，由于橡胶在高温环境中熔化而形成一定量的孔隙，因此混凝土试件中的孔隙率变高，混凝土内部结构变得松散，导致强度下降。例如在橡胶掺量为10%的情况下，当立方体试件在试验温度为300℃和500℃时，抗压强度较橡胶掺量为5%的试件下降了26.0%和28.5%。在大部分试样中，未掺橡胶的再生粗骨料混凝土相对强度较低，掺量为5%的橡胶改性再生粗骨料混凝土试件的相对强度较高。

2.4 弹性模量

根据试验数据计算弹性模量和弹性模量损失，弹性模量是材料的固有属性，弹性模量损失是混凝土试件在试验温度和室温下测试的弹性模量差值与常温下的弹性模量的比值。如图4 所示，当试验温度为200℃时，未掺橡胶的再生粗骨料混凝土和掺入橡胶的橡胶改性再生粗骨料混凝土的弹性模量降低了约50%。当试验温度大于300℃时，未掺橡胶的再生粗骨料混凝土和橡胶改性再生粗骨料混凝土的弹性模量都接近于零。随着橡胶颗粒掺量增加，混凝土试件的相对弹性模量损失相对较小。分析其原因，当施加轴向载荷时，试件所经历的主要变形为内部孔隙的压实，侧向变形较小，而橡胶的掺入抑制了在高温环境下一些内部微裂纹的发展，加入橡胶颗粒以减少弹性模量的损失。

图4 混凝土的弹性模量

3 结论

该文分析了再生粗骨料混凝土和橡胶改性再生粗骨料混凝土暴露于不同温度的高温环境中的力学性能，并得出以下4 个结论：1）由于圆柱体试件的表面积较大，因此圆柱体试件的质量损失比立方体试件的质量损失小。掺入橡胶颗粒提高了混凝土暴露于高温后的抗裂性能，橡胶颗粒在高温下熔化释放了混凝土的内部孔隙压力。2）与未掺橡胶的普通再生粗骨料混凝土相比，掺入一定量橡胶的改性再生粗骨料混凝土在高温暴露后表现出更低的质量损失率，弹性模量损失较小，相对强度较大。橡胶颗粒暴露于高温后软化，增加了试件的延性，延长了加载时间。3）随着温度升高，橡胶改性再生粗骨料混凝土的质量损失率增大，力学强度和弹性模量降低。4）综合分析，建议橡胶颗粒的掺量为5%，此时，橡胶改性再生粗骨料混凝土有较好的耐火性能，橡胶改性再生粗骨料混凝土可尝试用在需要一定耐热性能的工程结构构件中。