纳米高岭土对隧道道床橡胶混凝土性能的影响研究*

李 倩

(江汉大学,湖北 武汉 430056)

0 引言

橡胶混凝土是将废旧橡胶作为集料配制而成的水泥混凝土,可以弥补混凝土在抗拉、抗疲劳、抗冲击等方面的不足[1-3],有助于处理日益增长的橡胶废物,具有很好的经济效益和环保效益。此外,橡胶混凝土被证明用在隧道道床中不附加隔振装置的前提下可以达到减振的目的[4]。近年来,国内陆续开展橡胶混凝土在轨道交通中减振特性的研究并取得了相应的成果[5-8]。橡胶混凝土减振道床是一种新型有效的减振措施,满足安全性和耐久性的要求[7],橡胶掺量越高,减振效果越好。然而,大量研究表明橡胶混凝土的力学性能随橡胶掺量的增加而大幅降低[9-12]。

许多学者已通过一系列方法改善橡胶混凝土的力学性能,如改性橡胶[12-15]、添加各种纤维等。在水泥基材料中加入纳米颗粒已被证明可以改善混凝土的性能。先前研究表明在橡胶混凝土中添加矿物外加剂如硅灰[16]、二氧化硅[15]和纳米材料等[17],利用其填充效应和火山灰效应可以改善橡胶混凝土力学性能。纳米高岭土(nano kaolin,NK)是一种广泛使用的低成本黏土矿物,其主要成分是高岭石(Al2Si2O5(OH)4)[18]。研究表明,NK能有效降低混凝土材料的渗透性,阻碍氯离子进入混凝土内部,从而提高混凝土的力学性能和耐久性能[19-20]。然而,关于NK在橡胶混凝土中使用的研究极少,NK成本低,对混凝土具有显著的改善效果,在橡胶混凝土中加入NK提高力学性能是有可能的。为使大掺量橡胶混凝土隧道道床达到最佳减振效果,同时满足安全性和耐久性要求,有关NK改性橡胶混凝土的相关力学性能研究亟待开展。

本试验将研究NK作为矿物外加剂对橡胶水泥砂浆抗压强度、抗折强度和抗冲击性能的影响,为实践应用提供数据支撑,并促进大掺量橡胶混凝土在隧道工程中的应用。分离式霍普金森压杆试验法(SHPB)因其试验装置结构简单、操作简便、应变率范围广等优点成为研究混凝土抗冲击性能的常用方法[21]。本试验将采用SHPB测试NK改性橡胶水泥砂浆的抗冲击性能。

1 试验

1.1 试验材料

水泥使用P·O42.5普通硅酸盐水泥。水泥和NK的粒径分布和化学成分分别如图1和表1所示。

表1 水泥和NK化学组分Table 1 Chemical composition of cement and NK %

图1 水泥和NK的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of cement and NK

河砂使用细度模数2.56、表观密度2 550kg/m3的淮河河砂。

NK和60～80目橡胶颗粒如图2所示。

图2 试验用橡胶颗粒和NKFig.2 Rubber particles and NK for test

1.2 试样制备

为研究NK对橡胶水泥砂浆静动态力学性能的影响,制备素砂浆1组,水灰比0.45,砂率50%。制备橡胶等体积替代10%,20%和30%河砂的橡胶水泥砂浆3组,用R表示;制备NK等质量替代3%,7%,11%水泥的30%替代率橡胶水泥砂浆3组,用M表示。各组试件编号分别为CON,R10,R20,R30,R30M3,R30M7,R30M11,具体配合比如表2所示。

表2 砂浆配合比Table 2 Mortar mix ratio g

为了使NK在砂浆中得到良好的分散,首先将NK放在水中用旋转搅拌器高速搅拌5min。将水泥和砂放入砂浆搅拌机中干拌3min,再加入水和NK混合物高速搅拌5min。将制备好的砂浆倒入50mm×50mm×50mm的立方体模具,每组制备9个试块。浇筑完成后将模具放入标准养护室(温度20±2℃,相对湿度≥95%)养护1d。拆模后将试件放入装有饱和氢氧化钙溶液的容器中,放置在标准养护室继续养护。养护至相应龄期(3,7,28d),每组取3个试块在万能压力机上进行抗压强度测试,测试结果取平均值作为砂浆试块抗压强度代表值。冲击测试所用试件采用φ50×25钢模制备,长径比取0.5[22],每组9个试件。浇筑完成后养护过程与立方体试块一样。到达28d龄期后将试件表面打磨平整,平整度控制在0.05mm内,处理完成后进行冲击压缩试验。

1.3 SHPB试验装置与试验方法

冲击压缩试验采用φ50分离式霍普金森杆(SHPB)试验系统进行测试[1,22]。撞击杆、入射杆、透射杆的长度分别为0.6,2.4,1.2m;各杆材质均为密度7.8g/cm3、弹性模量210GPa、纵波波速5 190m/s的合金钢。本次试验选用0.25,0.35,0.45MPa三种冲击气压,以便得到在不同应变率下的应力-应变曲线。试验过程按照冲击实验室规范要求进行。冲击压缩试验完成后,根据式(1)～(3)(三波法计算原理)[23]求得试件在冲击荷载作用下的应力、应变和应变率。波形如图3所示。

图3 冲击压缩试验波形示意Fig.3 Impact compression test waveform

(1)

(2)

(3)

2 试验结果分析

2.1 静态力学性能分析

各组砂浆抗压强度和抗折强度如图4所示。

图4 3d,7d和28d砂浆抗压强度和抗折强度Fig.4 Compressive strength and flexural strength of 3d, 7d and 28d mortars

由图4可知,水泥砂浆抗压强度和抗折强度随橡胶颗粒掺量增加而降低,与之前研究结果一致[9]。在28d龄期时,与CON对比,R10,R20,R30橡胶砂浆抗压强度分别下降36%,42%,63%,抗折强度分别下降46%,47%,49%。这是由于橡胶属于弹塑性材料,与砂浆相比具有较低的弹性模量,橡胶也会增加砂浆含气量,导致砂浆抗压强度和抗折强度降低。另外,橡胶与砂浆分别表现出憎水性和亲水性特性,两者界面黏结强度较差。由图4可知,NK可显著改善橡胶砂浆抗压强度和抗折强度,R30M11与R30相比,3,7,28d时抗压强度分别提升70%,84%,93%,抗折强度分别提升17%,38%,43%。随着NK掺量的增加,改善效果增强,NK增加了水泥浆体与橡胶颗粒之间界面过渡区的密实度,与在普通水泥砂浆中效果一样。但在普通混凝土材料中NK掺量超过10%后会由于分散性较差产生聚集,形成新的薄弱界面过渡区,降低强度,而在本试验中随掺量增大,强度不断提高。这是因为橡胶砂浆拥有更加丰富的孔隙结构,能够包含更多的NK,同时也为NK的水化反应提供了更多空间,促使产生更多的C-S-H[24],提高强度。抗压强度和抗折强度增长趋势随着龄期发展而升高,这是由于水化后期NK在碱性环境下发生了二次水化反应。

2.2 动态应力-应变曲线分析

不同NK掺量下的橡胶砂浆在不同应变率下的应力-应变(σ-ε)曲线如图5所示。砂浆动态性能参数如表3所示。

图5 不同NK掺量下橡胶砂浆应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of rubber mortar with different NK content

随着应变率的增加,峰值应力呈增加趋势。这是因为在低应变率下砂浆吸收的能量有足够的时间扩展和贯通原有裂纹,但在高应变率下,其吸收的能量主要以产生更多细小裂纹的方式被消耗,短时间内加载荷载,橡胶砂浆只能通过增加应力的方式来抵消外部能量,导致抗压强度提高[25]。

随着NK的掺入以及掺量的变化,动态力学性能也有所不同。在低应变率下:R30组砂浆在应变率为75.066s-1时的峰值应力为5.17MPa,R30组砂浆应力应变曲线较平缓,加入NK后曲线较陡,说明NK的加入对增强橡胶砂浆基体与橡胶颗粒之间的界面具有积极作用,提升了橡胶砂浆的刚度。R30M3组砂浆在应变率为65.13s-1时的峰值应力为17.10MPa,R30M7组砂浆在应变率为50.94s-1时的峰值应力为20.90MPa,R30M11组砂浆在应变率为59.584s-1时的峰值应力为21.8MPa。在高应变率下:R30组砂浆在应变率为140.073s-1时的峰值应力为19.39MPa,R30M3组砂浆在应变率为112.913s-1时的峰值应力为35.41MPa,R30M7组砂浆在应变率为113.533s-1时的峰值应力为44.05MPa,R30M11组砂浆在应变率为122.636s-1时的峰值应力为47.34MPa。可见,在低应变率和高应变率作用下,NK的掺入可以提高橡胶砂浆的峰值应力,掺量为3%时峰值应力会显著提高,掺量继续增加,增长趋势变缓。在高、中和低应变率下,掺入NK砂浆,峰值应变随应变率的提高表现不同,在低应变率下峰值应变随纳米高岭土的增加而增加,当应变率提高后,由于纳米高岭土的增强作用,峰值应变随纳米高岭土掺量的增加而减小。

2.3 橡胶砂浆动态抗压强度和动态增长因子

图6为橡胶砂浆动态抗压强度与平均应变率关系拟合曲线。在试验应变率范围内动态抗压强度与平均应变率之间形成了一种指数关系,如式(4)～(8)所示。一般来讲,橡胶颗粒掺入砂浆中可以填充砂浆孔隙并且与周围孔隙黏合形成强度,同时又发挥自身的弹性特点,充分吸收外界荷载作用下传递的能量,减少应力集中,抑制裂缝产生及扩展,从而提高动态抗压强度。但由图6可知,30%掺量橡胶使砂浆的动态抗压强度低于素砂浆,这是由于大量橡胶掺入会增加薄弱界面的数量,反而会降低砂浆的动态抗压强度。随着纳米高岭土的掺入,曲线不断上移,在相似的应变率下,动态抗压强度随纳米高岭土掺量增加而增加,这是因为纳米高岭土在砂浆中填充了橡胶与砂浆之间的孔隙,以自身为成核点促进了水化[26],增强了界面过渡区的强度。

图6 不同掺量NK下砂浆动态抗压强度Fig.6 Dynamic compressive strength of mortar with different dosage of NK

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

动态增长因子通常是指试件在单轴压缩下得到的动态抗压强度与静态抗压强度的比值,也有学者将裂纹起始应力与准静态抗压强度的比值称为动态增长因子[27]。两者均是用来描述应变率效应对抗压强度的影响。本试验DIF值采用前者计算得到。

图7展示了砂浆动态增长因子与平均应变率之间的关系。所有砂浆的动态增长因子随着平均应变率的增加而提高。由图7可知,橡胶砂浆的DIF增长趋势高于普通砂浆,说明橡胶砂浆拥有更高的应变率敏感性。掺有NK的橡胶砂浆的DIF显著提升,且优于CON组砂浆,表明纳米高岭土的掺入提高了橡胶砂浆的动态抗压强度。

图7 砂浆动态增长因子Fig.7 Mortar dynamic growth factor

2.4 极限韧性分析

砂浆的极限韧性由应力-应变曲线所围面积表示,代表砂浆试件在承受冲击荷载过程中吸收能力的大小,综合体现了试件的强度和延性特性。砂浆的极限韧性与应变率之间的关系(拟合曲线)如图8所示。在试验应变率范围内所有砂浆的极限韧性均随着平均应变率的增大而提高,均符合应变率效应,NK改良后的橡胶砂浆的极限韧性增长速率高于素砂浆和纯橡胶砂浆。在同一应变率下,橡胶砂浆的极限韧性低于素砂浆,这是因为橡胶掺量过多,砂浆内部薄弱界面过多导致。掺入NK后的橡胶砂浆的极限韧性显著增强。

图8 砂浆试件的极限韧性与平均应变率的拟合关系Fig.8 Fitting relationship between ultimate toughness and average strain rate of mortar specimens

2.5 微观形貌

28d砂浆试件微观形貌如图9所示。图9a为空白砂浆,可以看到试件表面无明显裂隙及孔隙。图9b为R30组试样,可以清晰看到橡胶颗粒与砂浆基体间存在裂隙,这是由于橡胶属于憎水性材料而砂浆属于亲水性材料,二者不能很好地黏合,这就是橡胶砂浆抗压强度低于空白对照的原因。由图9可知,加入NK后,由于NK的填充和成核作用[26]在橡胶颗粒与砂浆基体的界面过渡区会生成大量的水化产物,水化产物可以填充孔隙,提升砂浆与橡胶颗粒的黏合程度,进而提高橡胶水泥砂浆的强度。

图9 28d砂浆试件微观形貌Fig.9 Microscopic morphology of 28d mortar specimen

3 结语

本文研究了不同掺量纳米高岭土对橡胶水泥砂浆静动态力学性能的影响,主要得出以下结论。

1)橡胶掺入会大幅降低水泥砂浆的抗压强度和抗折强度,在纳米高岭土的作用下可显著提高橡胶砂浆的抗压强度和抗折强度。

2)纳米高岭土提高了橡胶砂浆的抗冲击性能,峰值应力显著提升,同时对峰值应变也产生了影响。在低应变率下峰值应变随纳米高岭土掺量的增加而增加,高应变率时则相反。

3)砂浆的峰值应力、动态抗压强度、动态增长因子和极限韧性均随着应变率的增大而提高,呈现明显的应变率效应。

4)纳米高岭土的掺入不仅提高了橡胶砂浆的静态抗压强度,动态力学性能也普遍增强,本试验为橡胶砂浆在隧道工程中的应用提供了一种途径。