李 悅,韓兆興,李學(xué)輝,王 敏,吳玉生

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

混凝土的抗沖擊性能是評(píng)價(jià)混凝土動(dòng)力特性的一個(gè)重要方面,受振動(dòng)、抗沖擊和抗爆結(jié)構(gòu)物,如高抗震地區(qū)建筑的基礎(chǔ)工程、火車的路基軌枕等,對(duì)混凝土的抗沖擊性能提出了更高的要求.如何提高混凝土的抗沖擊性能是混凝土材料研究的一個(gè)重要領(lǐng)域.

在普通混凝土中摻加橡膠顆粒,制備出橡膠集料混凝土是目前改善普通混凝土抗沖擊性能的有效手段之一.Fattuhi等[1-2]采用抗沖壓試驗(yàn)方法比較了橡膠集料混凝土和基準(zhǔn)普通混凝土對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊的反應(yīng),發(fā)現(xiàn)雖然橡膠集料混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低 30%,但二者抗動(dòng)態(tài)沖擊的能力相同;宋少民等[3]參照金屬?zèng)_擊試驗(yàn)方法探討了摻加膠粉對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響,研究結(jié)果表明,橡膠改性混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土變化不大,但抗沖擊能力明顯增強(qiáng).

目前未見有關(guān)橡膠集料混凝土抗彎沖擊性能的研究文獻(xiàn),實(shí)際工程中,橋梁、軌枕等受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)一般屬于彎曲沖擊破壞,對(duì)橡膠集料混凝土的抗彎沖擊性能的研究更有價(jià)值.因此,本文將研究橡膠粒徑和界面改性對(duì)橡膠集料混凝土抗彎沖擊性能的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為盾石牌 P.O42.5水泥.粗骨料為5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石.細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù) 2.55河砂.橡膠顆粒按粒徑大小分為 2種:粗膠粒(2～4mm)和細(xì)膠粒(10～20目).橡膠顆粒界面改性劑為:硅烷改性的苯丙聚合物乳液 X、苯丙聚合物乳液 Y、硅烷偶聯(lián)劑 KH-550.減水劑為聚羧酸系高效減水劑.

1.2 試驗(yàn)方法

彎曲沖擊試驗(yàn)法[4]的試件尺寸為 100mm×100mm×400mm,每組 6個(gè)試件,試件澆注 24h后脫膜,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d,試驗(yàn)前 4h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干.試驗(yàn)裝置如圖 1所示,落錘是一個(gè)實(shí)心圓柱體,橫截面直徑為 30mm,錘頭部為球面,錘的質(zhì)量為 1.4kg.自由落錘的沖擊高度為 400mm.梁兩端為簡支,凈跨 340 mm.落錘在鋼空心圓筒內(nèi)做自由落體運(yùn)動(dòng),同時(shí)圓筒用于控制落錘下落高度.在圓筒底部墊 1塊 100 mm×100mm×10mm的鋼板,避免落錘直接砸在混凝土梁表面上.每次沖擊從落錘自由下落開始,至落錘完全靜止為結(jié)束.如此反復(fù)多次進(jìn)行,直至試件破壞.

試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定方法:1)初裂,梁從無裂縫至產(chǎn)生微裂縫;2)破壞,橫梁上主裂縫貫穿至梁的上表面時(shí)稱梁發(fā)生了沖擊破壞,通過放大鏡觀察裂縫是否貫穿至全截面來判斷梁的破壞.把混凝土梁的破壞沖擊次數(shù)(Nf)與初裂沖擊次數(shù)(Nc)的比值定義為混凝土沖擊延性指標(biāo)(β),表達(dá)式為 β =Nf/Nc.

橡膠集料預(yù)處理方法為:按配合比取橡膠集料和界面改性劑,先將界面改性劑溶于沸水中,用玻璃棒輕輕攪拌使其充分溶解,靜置 30 s后,投入橡膠集料,混合均勻,風(fēng)干并裝袋備用.

圖1 彎曲沖擊試驗(yàn)法裝置Fig.1 Schematic diagram of bend crash experimentalmethod

2 試驗(yàn)結(jié)果

摻入橡膠后,混凝土的抗壓強(qiáng)度降低幅度較大,為保證混凝土的實(shí)用性,選取 C60普通混凝土為基準(zhǔn),橡膠集料混凝土的橡膠集料摻量為水泥質(zhì)量的 30%,替代與其等體積的砂.試驗(yàn)配合比和結(jié)果分別如表 1、2所示.試件編號(hào) CRC*-n中,CRC(crumb rubber concrete)表示橡膠集料混凝土;*有 a、b兩種,a表示粗粒橡膠,b表示細(xì)粒橡膠;n有 1、2、3三種,分別代表 3種界面改性劑,依次為硅烷改性苯丙乳液 X、普通苯丙乳液 Y和 KH550硅烷偶聯(lián)劑.如 CRCa-2表示摻入用普通苯丙乳液 Y預(yù)處理的粗粒橡膠的橡膠集料混凝土.表 2中,Sr為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等于標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值之比,即為平均沖擊延性指標(biāo),平均沖擊延性指標(biāo)等于破壞平均沖擊次數(shù)與初裂平均沖擊次數(shù)之比,即.

表1 橡膠集料混凝土抗沖擊試驗(yàn)配合比Table 1 Them ixture ratio of crumb rubber concrete com pact test kg?m-3

表2 橡膠集料混凝土抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table2 Thecompacttestresultsofcrumbrubberconcrete

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 斷裂形態(tài)分析

抗彎沖擊試驗(yàn)中,素混凝土試件斷裂面較為平整,變形能力較低,CRCa系列、CRCb系列試件梁的破壞斷裂界面起伏不平,部分粗粒橡膠被拔出,細(xì)粒橡膠有些被拔斷.素混凝土梁在沖擊過程中,首先在梁的底部出現(xiàn) 1條橫向主裂縫,裂縫發(fā)展迅速,破壞呈明顯脆性.試件梁完全破壞時(shí),素混凝土梁的裂縫較窄,較平直,而摻加橡膠的 CRCa系列、CRCb系列試件梁的裂縫較寬、較曲折,撓度較大,顯示出一定的延性,如圖 2所示.

圖2 橡膠集料混凝土梁的沖擊破壞斷裂界面和裂縫Fig.2 Thecompactdestructionfractureinterfaceandcrackofcrumbrubberconcretebeam

3.2 橡膠集料的細(xì)度和表面處理對(duì)抗沖擊性能的影響分析

摻入粗、細(xì)橡膠集料的混凝土的抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果,如表 3所示.其中,Rc為各種混凝土的初裂沖擊次數(shù)與基準(zhǔn)混凝土 C60的初裂沖擊次數(shù)之比;Rf為各種混凝土的破壞沖擊次數(shù)與基準(zhǔn)混凝土 C60的破壞沖擊次數(shù)之比.

表3 摻入粗、細(xì)橡膠集料的混凝土的抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table3 Thecompacttestresultsofcrudeandfinecrumbrubberconcrete

由于初裂次數(shù)(破壞沖擊次數(shù))與延性系數(shù)表征材料抗沖擊能力的原理不同,前者測試結(jié)果受試件初始強(qiáng)度和缺陷的影響顯著,而延性系數(shù)是個(gè)相對(duì)值,能更準(zhǔn)確地比較材料的變形能力.以上試驗(yàn)結(jié)果說明:

1)摻加橡膠集料可以緩和應(yīng)力集中,提高混凝土的變形能力[5];

2)橡膠粒徑顯著影響橡膠集料混凝土的抗沖擊能力,由于細(xì)粒橡膠的堆積密度較小,摻加同樣質(zhì)量的粗粒橡膠和細(xì)粒橡膠時(shí),細(xì)粒橡膠體積和表面積較大,造成摻入細(xì)粒橡膠的混凝土含氣量較大并且初始界面缺陷較多[6],對(duì)混凝土的抗沖擊能力起了反作用.

3.3 界面改性劑預(yù)處理對(duì)抗沖擊性能的影響

選用了 3種界面改性劑對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行預(yù)處理,以期改善橡膠集料混凝土的沖擊性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示.

圖3 橡膠集料混凝土梁初裂沖擊性能Fig.3 The initial-crack impact performance of crumb rubber concrete beam

圖4 橡膠集料混凝土梁破壞沖擊性能Fig.4 The destruction impact performance of crumb rubber concrete beam

試驗(yàn)結(jié)果表明,用 3種界面改性劑預(yù)處理的橡膠集料制備的 CRC*-n系列橡膠集料混凝土的初裂、破壞沖擊次數(shù)均有大幅度提高,其中,CRC*-2提高幅度最大.經(jīng)2號(hào)界面改性劑預(yù)處理的 CRCa-2梁的初裂沖擊次數(shù)是 CRCa梁的 1.66倍,是素混凝土梁的 2.32倍,破壞沖擊次數(shù)是 CRCa梁的 1.60倍,是素混凝土梁的 2.30倍.CRCb-2梁的初裂沖擊次數(shù)是 CRCb梁的 1.60倍,是素混凝土的 1.38倍,破壞沖擊次數(shù)是 CRCb梁的 1.57倍,是素混凝土的 1.35倍.

界面處理劑改善橡膠集料混凝土的作用機(jī)理主要為:

1)對(duì)于硅烷偶聯(lián)劑,化學(xué)鍵理論認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑分子中的水解基團(tuán)水解后可與無機(jī)物表面的羥基結(jié)合,有機(jī)基團(tuán)可與有機(jī)物結(jié)合,因此硅烷偶聯(lián)劑在無機(jī)物與有機(jī)物之間形成化學(xué)鍵結(jié)合.文獻(xiàn)[7]提出了硅烷偶聯(lián)劑 KH 550在橡膠集料與水泥基體界面形成化學(xué)鍵接的一種可能模式,如圖 5所示.這種化學(xué)鍵結(jié)合增強(qiáng)了水化物和橡膠之間的粘結(jié)作用,從而改善了橡膠集料混凝土的抗沖擊性能,圖 6顯示了硅烷偶聯(lián)劑 KH550改性 CRC橡膠集料的微觀結(jié)構(gòu).

2)對(duì)于高分子乳液,根據(jù)乳液改性砂漿和混凝土形態(tài)結(jié)構(gòu) Ohama模型[8],乳液經(jīng)過水分揮發(fā)后,聚合物粒子相互靠近并變形以填充它們之間的空隙,形成透明而沒有孔隙的膜,最終聚合物顆粒完全凝結(jié)在一起,形成連續(xù)的聚合物網(wǎng)結(jié)構(gòu).這種聚合物膜起到了聯(lián)結(jié)橡膠微粒和水泥水化產(chǎn)物的作用,并填充了混凝土中的微空隙,改善了水泥石的結(jié)構(gòu)形態(tài),提高了橡膠集料混凝土的抗沖擊性能,界面結(jié)構(gòu)如圖 7所示.

圖5 偶聯(lián)劑在橡膠集料與水泥基體界面形成化學(xué)鍵接的可能模式Fig.5 The possiblemodel of coupling agent in chemical bond between crumb rubber and cementmatrix interface

圖6 硅烷偶聯(lián)劑 KH 550改性 CRC橡膠集料與水泥基體粘結(jié)界面Fig.6 The bonding interface between organosilane coupling agent KH 550modified crumb rubber and cementmatrix

圖7 橡膠集料與水泥水化物的粘結(jié)界面Fig.7 The bonding interface between crumb rubber and cement hyd rate

4 結(jié)論

1)抗彎沖擊破壞的橡膠集料混凝土的斷裂界面起伏不平,部分橡膠顆粒被拔出或拔斷,破壞裂縫較寬、較曲折,撓度較大,顯示出一定的延性.

2)摻加粗粒橡膠集料可以提高混凝土的初裂沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù),摻加細(xì)粒橡膠集料后混凝土的初裂抗沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)有所降低.摻入 2種橡膠集料均可以改善混凝土的沖擊延性指標(biāo).

3)橡膠集料界面改性可以顯著提高橡膠集料混凝土的抗彎沖擊性能,改性劑中以硅烷改性苯丙乳液的效果最佳.經(jīng) SEM觀察發(fā)現(xiàn),改性劑預(yù)處理后的橡膠集料與混凝土基體的粘結(jié)界面緊密度顯著提高.

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