李 悦,韩兆兴,李学辉,王 敏,吴玉生

(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124)

混凝土的抗冲击性能是评价混凝土动力特性的一个重要方面,受振动、抗冲击和抗爆结构物,如高抗震地区建筑的基础工程、火车的路基轨枕等,对混凝土的抗冲击性能提出了更高的要求.如何提高混凝土的抗冲击性能是混凝土材料研究的一个重要领域.

在普通混凝土中掺加橡胶颗粒,制备出橡胶集料混凝土是目前改善普通混凝土抗冲击性能的有效手段之一.Fattuhi等[1-2]采用抗冲压试验方法比较了橡胶集料混凝土和基准普通混凝土对动态冲击的反应,发现虽然橡胶集料混凝土的抗压强度比普通混凝土低 30%,但二者抗动态冲击的能力相同;宋少民等[3]参照金属冲击试验方法探讨了掺加胶粉对混凝土抗冲击性能的影响,研究结果表明,橡胶改性混凝土的抗折、抗压强度较基准混凝土变化不大,但抗冲击能力明显增强.

目前未见有关橡胶集料混凝土抗弯冲击性能的研究文献,实际工程中,桥梁、轨枕等受冲击荷载的结构一般属于弯曲冲击破坏,对橡胶集料混凝土的抗弯冲击性能的研究更有价值.因此,本文将研究橡胶粒径和界面改性对橡胶集料混凝土抗弯冲击性能的影响.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥为盾石牌 P.O42.5水泥.粗骨料为5～20mm连续级配碎石.细骨料为细度模数 2.55河砂.橡胶颗粒按粒径大小分为 2种:粗胶粒(2～4mm)和细胶粒(10～20目).橡胶颗粒界面改性剂为:硅烷改性的苯丙聚合物乳液 X、苯丙聚合物乳液 Y、硅烷偶联剂 KH-550.减水剂为聚羧酸系高效减水剂.

1.2 试验方法

弯曲冲击试验法[4]的试件尺寸为 100mm×100mm×400mm,每组 6个试件,试件浇注 24h后脱膜,标准养护 28d,试验前 4h从养护室取出晾干.试验装置如图 1所示,落锤是一个实心圆柱体,横截面直径为 30mm,锤头部为球面,锤的质量为 1.4kg.自由落锤的冲击高度为 400mm.梁两端为简支,净跨 340 mm.落锤在钢空心圆筒内做自由落体运动,同时圆筒用于控制落锤下落高度.在圆筒底部垫 1块 100 mm×100mm×10mm的钢板,避免落锤直接砸在混凝土梁表面上.每次冲击从落锤自由下落开始,至落锤完全静止为结束.如此反复多次进行,直至试件破坏.

试验结果评定方法:1)初裂,梁从无裂缝至产生微裂缝;2)破坏,横梁上主裂缝贯穿至梁的上表面时称梁发生了冲击破坏,通过放大镜观察裂缝是否贯穿至全截面来判断梁的破坏.把混凝土梁的破坏冲击次数(Nf)与初裂冲击次数(Nc)的比值定义为混凝土冲击延性指标(β),表达式为 β =Nf/Nc.

橡胶集料预处理方法为:按配合比取橡胶集料和界面改性剂,先将界面改性剂溶于沸水中,用玻璃棒轻轻搅拌使其充分溶解,静置 30 s后,投入橡胶集料,混合均匀,风干并装袋备用.

图1 弯曲冲击试验法装置Fig.1 Schematic diagram of bend crash experimentalmethod

2 试验结果

掺入橡胶后,混凝土的抗压强度降低幅度较大,为保证混凝土的实用性,选取 C60普通混凝土为基准,橡胶集料混凝土的橡胶集料掺量为水泥质量的 30%,替代与其等体积的砂.试验配合比和结果分别如表 1、2所示.试件编号 CRC*-n中,CRC(crumb rubber concrete)表示橡胶集料混凝土;*有 a、b两种,a表示粗粒橡胶,b表示细粒橡胶;n有 1、2、3三种,分别代表 3种界面改性剂,依次为硅烷改性苯丙乳液 X、普通苯丙乳液 Y和 KH550硅烷偶联剂.如 CRCa-2表示掺入用普通苯丙乳液 Y预处理的粗粒橡胶的橡胶集料混凝土.表 2中,Sr为相对标准偏差,相对标准偏差等于标准偏差与均值之比,即为平均冲击延性指标,平均冲击延性指标等于破坏平均冲击次数与初裂平均冲击次数之比,即.

表1 橡胶集料混凝土抗冲击试验配合比Table 1 Them ixture ratio of crumb rubber concrete com pact test kg◦m-3

表2 橡胶集料混凝土抗冲击试验结果Table2 Thecompacttestresultsofcrumbrubberconcrete

3 试验结果分析

3.1 断裂形态分析

抗弯冲击试验中,素混凝土试件断裂面较为平整,变形能力较低,CRCa系列、CRCb系列试件梁的破坏断裂界面起伏不平,部分粗粒橡胶被拔出,细粒橡胶有些被拔断.素混凝土梁在冲击过程中,首先在梁的底部出现 1条横向主裂缝,裂缝发展迅速,破坏呈明显脆性.试件梁完全破坏时,素混凝土梁的裂缝较窄,较平直,而掺加橡胶的 CRCa系列、CRCb系列试件梁的裂缝较宽、较曲折,挠度较大,显示出一定的延性,如图 2所示.

图2 橡胶集料混凝土梁的冲击破坏断裂界面和裂缝Fig.2 Thecompactdestructionfractureinterfaceandcrackofcrumbrubberconcretebeam

3.2 橡胶集料的细度和表面处理对抗冲击性能的影响分析

掺入粗、细橡胶集料的混凝土的抗冲击试验结果,如表 3所示.其中,Rc为各种混凝土的初裂冲击次数与基准混凝土 C60的初裂冲击次数之比;Rf为各种混凝土的破坏冲击次数与基准混凝土 C60的破坏冲击次数之比.

表3 掺入粗、细橡胶集料的混凝土的抗冲击试验结果Table3 Thecompacttestresultsofcrudeandfinecrumbrubberconcrete

由于初裂次数(破坏冲击次数)与延性系数表征材料抗冲击能力的原理不同,前者测试结果受试件初始强度和缺陷的影响显著,而延性系数是个相对值,能更准确地比较材料的变形能力.以上试验结果说明:

1)掺加橡胶集料可以缓和应力集中,提高混凝土的变形能力[5];

2)橡胶粒径显著影响橡胶集料混凝土的抗冲击能力,由于细粒橡胶的堆积密度较小,掺加同样质量的粗粒橡胶和细粒橡胶时,细粒橡胶体积和表面积较大,造成掺入细粒橡胶的混凝土含气量较大并且初始界面缺陷较多[6],对混凝土的抗冲击能力起了反作用.

3.3 界面改性剂预处理对抗冲击性能的影响

选用了 3种界面改性剂对橡胶颗粒进行预处理,以期改善橡胶集料混凝土的冲击性能,试验结果如图3、4所示.

图3 橡胶集料混凝土梁初裂冲击性能Fig.3 The initial-crack impact performance of crumb rubber concrete beam

图4 橡胶集料混凝土梁破坏冲击性能Fig.4 The destruction impact performance of crumb rubber concrete beam

试验结果表明,用 3种界面改性剂预处理的橡胶集料制备的 CRC*-n系列橡胶集料混凝土的初裂、破坏冲击次数均有大幅度提高,其中,CRC*-2提高幅度最大.经2号界面改性剂预处理的 CRCa-2梁的初裂冲击次数是 CRCa梁的 1.66倍,是素混凝土梁的 2.32倍,破坏冲击次数是 CRCa梁的 1.60倍,是素混凝土梁的 2.30倍.CRCb-2梁的初裂冲击次数是 CRCb梁的 1.60倍,是素混凝土的 1.38倍,破坏冲击次数是 CRCb梁的 1.57倍,是素混凝土的 1.35倍.

界面处理剂改善橡胶集料混凝土的作用机理主要为:

1)对于硅烷偶联剂,化学键理论认为硅烷偶联剂分子中的水解基团水解后可与无机物表面的羟基结合,有机基团可与有机物结合,因此硅烷偶联剂在无机物与有机物之间形成化学键结合.文献[7]提出了硅烷偶联剂 KH 550在橡胶集料与水泥基体界面形成化学键接的一种可能模式,如图 5所示.这种化学键结合增强了水化物和橡胶之间的粘结作用,从而改善了橡胶集料混凝土的抗冲击性能,图 6显示了硅烷偶联剂 KH550改性 CRC橡胶集料的微观结构.

2)对于高分子乳液,根据乳液改性砂浆和混凝土形态结构 Ohama模型[8],乳液经过水分挥发后,聚合物粒子相互靠近并变形以填充它们之间的空隙,形成透明而没有孔隙的膜,最终聚合物颗粒完全凝结在一起,形成连续的聚合物网结构.这种聚合物膜起到了联结橡胶微粒和水泥水化产物的作用,并填充了混凝土中的微空隙,改善了水泥石的结构形态,提高了橡胶集料混凝土的抗冲击性能,界面结构如图 7所示.

图5 偶联剂在橡胶集料与水泥基体界面形成化学键接的可能模式Fig.5 The possiblemodel of coupling agent in chemical bond between crumb rubber and cementmatrix interface

图6 硅烷偶联剂 KH 550改性 CRC橡胶集料与水泥基体粘结界面Fig.6 The bonding interface between organosilane coupling agent KH 550modified crumb rubber and cementmatrix

图7 橡胶集料与水泥水化物的粘结界面Fig.7 The bonding interface between crumb rubber and cement hyd rate

4 结论

1)抗弯冲击破坏的橡胶集料混凝土的断裂界面起伏不平,部分橡胶颗粒被拔出或拔断,破坏裂缝较宽、较曲折,挠度较大,显示出一定的延性.

2)掺加粗粒橡胶集料可以提高混凝土的初裂冲击次数和破坏冲击次数,掺加细粒橡胶集料后混凝土的初裂抗冲击次数和破坏冲击次数有所降低.掺入 2种橡胶集料均可以改善混凝土的冲击延性指标.

3)橡胶集料界面改性可以显著提高橡胶集料混凝土的抗弯冲击性能,改性剂中以硅烷改性苯丙乳液的效果最佳.经 SEM观察发现,改性剂预处理后的橡胶集料与混凝土基体的粘结界面紧密度显著提高.

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