橡膠粉對碾壓混凝土性能的影響

橡膠粉對碾壓混凝土性能的影響

壓裂混凝土具有水泥用量少、控制簡單、施工速度快等優(yōu)點。在水庫施工中，得到廣泛應用。近年來，它已成為連接道路、貨物場地和車道覆蓋層的經(jīng)濟快速建設方法。碾壓混凝土為干硬性混凝土,膠凝材料用量較少,粗骨料用量較多,因而脆性較強,抗拉強度和極限拉伸值較低,抗裂性能和適應變形的能力較差。提高碾壓混凝土的抗裂變形性能具有重要意義。橡膠混凝土是近年來國際上備受關注的研究課題,其基本原理是用廢舊輪胎橡膠粉取代部分粗細骨料來改善水泥混凝土的韌性和抗裂變形性能。已有研究表明:廢舊輪胎橡膠顆粒物理化學性能穩(wěn)定,表面粗糙,表觀密度與水接近,與水泥漿體有比纖維更好的粘結力,橡膠粉的摻入會使混凝土的韌性、變形能力、抗沖擊性能和抗凍性能有顯著提高。但混凝土的強度也會隨著橡膠粉用量的增加迅速降低,并且在澆搗過程中容易出現(xiàn)橡膠顆粒上浮現(xiàn)象,影響混凝土質(zhì)量的均勻性?；谒苄韵鹉z混凝土的研究成果及存在問題,本文中提出了碾壓橡膠混凝土的概念,并在國家自然科學基金資助下開展研究,旨在探討利用廢舊輪胎橡膠粉來改善碾壓混凝土的韌性和抗裂變形性能的可行性。本研究的前期工作表明:由于碾壓混凝土拌和料比較干稠,橡膠粉在振實過程中不會像塑性混凝土那樣出現(xiàn)上浮現(xiàn)象,從而能夠保證混凝土質(zhì)量的均勻性;采用等體積代砂方法摻入橡膠粉,不會對碾壓混凝土的工作度(易于攤鋪和振搗密實的性能)產(chǎn)生顯著影響;水泥強度、水灰比和橡膠粉用量是影響碾壓橡膠混凝土強度的3個主要因素,通過大量試驗數(shù)據(jù)的回歸分析,建立了以水泥強度、灰水比和橡膠粉用量為參數(shù)的抗壓強度回歸公式。本文作者在前期工作的基礎上,選擇設計抗壓強度為40MPa,研究等抗壓強度條件下橡膠粉用量對碾壓混凝土力學和變形性能的影響。1實驗1.1細度模數(shù)法表面活性劑實驗所用水泥為天津產(chǎn)駱駝牌42.5級普通硅酸鹽水泥。橡膠粉由天津科威橡膠廠提供,平均粒徑為1.5mm,表觀密度為1000kg/m3。砂為普通河砂,細度模數(shù)2.55。粗骨料為Dmax=20mm的碎石,減水劑為UNF高效減水劑。1.2調(diào)查強度fps為了實現(xiàn)同強度等級條件下橡膠混凝土與基準混凝土的力學強度和變形性能對比,本研究的前期工作建立了以水泥強度、水灰比和橡膠粉用量為參數(shù)的碾壓橡膠混凝土28天抗壓強度回歸方程:fR=0.3086fce(C/W-0.0153R+0.8554)(1)式中:fR為碾壓橡膠混凝土28天的抗壓強度(MPa);fce為水泥實測強度(MPa);C為水泥用量(kg/m3);W為水用量(kg/m3);C/W為灰水比;R為橡膠粉用量(kg/m3)。選定混凝土的抗壓強度為40MPa,橡膠粉用量分別為0、50kg/m3、100kg/m3和120kg/m3(相應的體積含量為0、5%、10%和12%),根據(jù)式(1)確定的混凝土配合比示于表1。1.3拉伸試驗試驗方案根據(jù)表1中的配合比成型試件,分別測定其28天的抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度、軸抗拉強度、極限拉伸值和抗彎強度及干縮變形。測定抗壓強度和劈裂抗拉強度的試件尺寸為邊長100mm的立方體;測定軸心抗壓強度和彈性模量試件尺寸為Φ150mm×300mm的圓柱體;測定軸抗拉強度、極限拉伸值的試件尺寸為100mm×100mm×300mm的棱柱體;測定抗彎強度試件尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體;測定干縮變形試件尺寸為100mm×100mm×515mm的棱柱體。試件成型時采用《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352-2006規(guī)定的壓實振搗成型方法,振動臺振動頻率為50Hz±3Hz,空載振幅0.5mm±0.1mm,配重壓力4900Pa。利用高效減水劑調(diào)整拌和料的稠度,控制其工作度VC值(規(guī)范規(guī)定的振實時間)在10～30s?？估瓘姸群蜆O限拉伸值是反映混凝土抗裂性能的重要參數(shù),但直接拉伸試驗由于試件加載偏心問題難于控制,試驗結果往往比較離散,因此通常測定其劈裂抗拉強度。但極限拉伸值必須采用直接拉伸方法才能確定。為了控制試件拉伸時的偏心問題,本研究中采用一種改進的成型和加載方法:成型時4個試件為一組,在試件兩端各預埋4根90mm長的M10螺栓(成型前固定于試模兩端的擋板上),并控制螺栓的端部不在同一斷面上,以避免螺帽對試件受力斷面的過度削弱。拉伸試驗時用這8根螺栓固定試件兩端的連接鋼板,連接鋼板的尺寸為100mm×100mm×15mm,中央位置有一圓環(huán),通過兩端的圓環(huán)施加拉伸荷載。在試件的2個側面粘貼電阻應變片,控制拉伸加載速度為0.4MPa/min,應變測讀速度2次/s。試件外觀照片示于圖1,拉伸試驗時試件在拉力機上的安裝情況見圖2。用于測干縮變形的試件為100mm×100mm×515mm的棱柱體,試件成型后,按規(guī)范SL352-2006規(guī)定方法進行干縮變形測試。2結果與討論2.1橡膠粉用量對混凝土彈性模量的影響實測碾壓橡膠混凝土28天的立方體抗壓強度fcu、軸心抗壓強度fcp、劈裂抗拉強度fts、抗彎強度ff、抗壓彈性模量Ec、抗拉彈性模量Et列于表2中,其中立方體抗壓強度已折算為標準立方體強度。從各組試件的抗壓強度測值對比可知,文獻提出的碾壓橡膠混凝土抗壓強度回歸公式具有較理想的精度。本次試驗的設計強度為40MPa,實測強度除了RCR-120的強度偏低外,其余4組均與設計值相近,表明碾壓橡膠混凝土的強度與水泥強度、水灰比和橡膠粉用量3個參數(shù)密切相關,用這3個參數(shù)來建立碾壓混凝土的強度公式是合理的。該公式系根據(jù)本研究的試驗結果而得出,雖無普遍意義,但對類似研究具有參考價值。從表2中各項強度指標的實測值還可看出,碾壓橡膠混凝土的抗壓強度fcu與軸心抗壓強度fcp、抗彎強度ff、劈裂抗拉強度fts的比例關系與普通混凝土基本相同,即fcu>fcp>ff>fts,并且fts=(1/10～1/15)fcu,fcp=(0.68～0.83)fcu。碾壓橡膠混凝土的軸心壓縮應力-應變曲線示于圖3(a)。可以看出,各組試件的應力-應變曲線近乎相同,只是隨著橡膠粉用量的增加,軸心抗壓強度和極限應變略有增大。但在試驗過程中發(fā)現(xiàn),基準混凝土試件的破壞為脆性,臨近破壞時產(chǎn)生縱向或斜向裂縫,而后裂縫迅速擴展并喪失承載能力,試件隨之解體;而橡膠混凝土試件則表現(xiàn)出截然不同的破壞模式,臨近破壞時試件表面出現(xiàn)豎向細小裂縫,并伴隨產(chǎn)生較明顯的橫向變形。隨著荷載增大,試件表面裂縫數(shù)量增加,裂縫寬度增大直至喪失承載能力,卸載后試件并不會解體,部分裂縫逐漸閉合。表明橡膠粉的摻入使碾壓混凝土的韌性得到了一定程度的改善?；炷翉椥阅Ａ恳彩欠从称漤g性大小的一個重要指標。試驗結果表明,碾壓橡膠混凝土的抗壓彈性模量和抗拉彈性模量基本相同,均隨著橡膠粉用量的增加而減小,且表現(xiàn)出較好的規(guī)律性。值得注意的是,等抗壓強度條件下橡膠粉摻量對混凝土彈性模量的影響要比等水灰比條件下小得多。文獻在固定水泥用量為392kg/m3、水灰比為0.5的條件下,研究了不同橡膠粉用量對塑性混凝土彈性模量的影響,得到基準混凝土的彈性模量為3.72×104MPa;橡膠粉用量為50kg/m3、100kg/m3和120kg/m3時,彈性模量比基準混凝土分別降低了27%、36.6%和47.3%。本研究基準混凝土的彈性模量為3.91×104MPa,與文獻相近,橡膠粉用量亦與其相同,但彈性模量只分別降低了7%、12%和16%,說明混凝土的強度與其彈性模量之間存在更為密切的關系。在等抗壓強度條件下,橡膠粉摻量對混凝土彈性模量的影響要小得多。碾壓橡膠混凝土的彎曲應力-應變曲線示于圖3(b)?？梢钥闯?在彎曲應力為3.0MPa時,各組試件的應變量幾乎完全相同,約為100με;過了此點之后,各組試件的應力-應變曲線發(fā)生明顯變化。當橡膠粉用量為50kg/m3時,抗彎強度與不摻橡膠粉的基準混凝土基本相同;但當橡膠粉用量超過100kg/m3時,抗拉強度和抗彎強度均有明顯增加。與基準混凝土相比,當橡膠顆粒摻量為100kg/m3和120kg/m3時,抗彎強度ff分別提高了11.3%和22.4%。這表明,橡膠粉的摻入有助于提高碾壓混凝土的抗彎強度,但只有當摻量大于50kg/m3時才有比較明顯的效果,這對提高碾壓混凝土的變形能力是有利的。2.2橡膠粉摻合體的拉伸性能能碾壓橡膠混凝土的抗拉強度ft和極限拉伸值Ut實測結果列于表3。為了反映實測數(shù)據(jù)的離散情況,表3中列出了每個試件的實測結果,平均值ftˉˉˉftˉ和UtˉˉˉˉUtˉ的計算方法為:首先計算每組4個試件的平均值,然后剔除與平均值相差超過15%的數(shù)據(jù),用剩余試件的實測數(shù)據(jù)計算平均值。實測結果表明,本文中所用的直接拉伸試驗方法比較好地解決了偏心問題,實測數(shù)據(jù)的離散性較小。在抗拉強度20個實測數(shù)據(jù)中,所有試件的實測值與平均值之差均小于15%,只有2個超過10%,最大差值為14%;相比而言,極限拉伸值的離散性稍大些,20個實測數(shù)據(jù)中有5個試件的實測值與平均值之差超過15%,最大差值為25%。試驗前曾擔心試件中定位螺栓會影響其所在部位混凝土的密實性而使試件在端部斷裂,但實驗時并未出現(xiàn)這種情況,所有試件均在試件中部斷裂?？估瓘姸群蜆O限拉伸值是反映混凝土抗裂性能的重要指標。實測結果表明,當混凝土的抗壓強度相同或相近時,橡膠粉的摻入有助于提高抗拉強度和極限拉伸值,與基準混凝土相比,當橡膠粉用量為50kg/m3和100kg/m3時,抗拉強度提高約5%;當橡膠粉用量為120kg/m3時,抗拉強度提高18.8%。相比抗拉強度,極限拉伸值的提高幅度較大,規(guī)律性也更為明顯,當橡膠粉用量為50kg/m3、100kg/m3和120kg/m3時,極限拉伸值比不摻橡膠粉的基準碾壓混凝土分別提高9.8%、16.9%和45.1%?？紤]到橡膠顆粒具有較大的彈性變形性能和較低的彈性模量,它的摻入對提高碾壓混凝土的韌性和極限拉伸值是可以理解的,但等抗壓強度情況下,抗拉強度和抗彎強度提高的原因和機制尚不清楚,有待進一步深入研究探討。2.3橡膠粉用量的影響碾壓橡膠混凝土150天的干縮變形實測結果如圖4所示?？梢钥闯?在養(yǎng)護齡期達到120天時,干縮變形已基本趨于穩(wěn)定,并且干縮變形的發(fā)展變化規(guī)律基本相同。橡膠粉用量為50kg/m3時,橡膠混凝土的干縮變形曲線與基準混凝土幾乎完全重合;而橡膠粉用量為100kg/m3和120kg/m3時,干縮變形速率和干縮變形量均超過基準混凝土?？梢娫谀雺夯炷林袚饺胂鹉z粉,干縮變形不僅不會減小,而且會隨著橡膠粉用量的增加而略有增大。這可能是由于橡膠粉用量的增加,相應減少了粗細骨料的含量,而橡膠粉的彈性模量遠小于骨料,對干縮變形的抑止作用有所削弱所致。3等抗壓強度(1)碾壓橡膠混凝土的抗壓強度fcu與軸心抗壓強度fcp、抗彎強度ff、劈裂抗拉強度fts的比例關系與普通混凝土基本相同。(2)采用等量代