橡胶混凝土性能研究（精选十篇）
橡胶混凝土性能研究 篇1
随着汽车工业的迅猛发展,废旧轮胎的数量不断增大。 以2014年为例,我国的废旧汽车轮胎数量为6000~7000万条,且这一数量以每年15%的速度递增。 废旧轮胎的主要成分橡胶是一种有机高分子材料,难溶于水且难分解。 废旧橡胶的处理方法主要有三种:焚烧处理、掩埋处理及回收利用。 焚烧会带来严重空气污染,人工深掩埋会造成土壤及水体污染。 因此,如何将废旧橡胶回收利用、变废为宝成为国际社会上关注的热点[1]。 目前,废旧橡胶用于回收处理的比例依然很小,不足总量的20%。 找到切实可行、高效回收的方法是提高废旧橡胶回收利用率的重要途径。
将废旧橡胶制成的胶粉(粒)作为外加剂添加到水泥混凝土中,制成橡胶混凝土(Rubber Powder Concrete) 可以显著改善水泥混凝土高强度与低延性之间的矛盾。 研究表明,橡胶的掺入能降低混凝土的弹性模量及自重, 提高混凝土的延性与韧性, 提高抗磨耗能力、抗渗性能、减震性能[2,3,4,5,6]。 目前 ,橡胶混凝土已经被用于网球场、飞机跑道、铁路枕木等领域,使用状况良好。 但需要注意的是,橡胶本身是一种非承重性材料,在受到外力荷载时,橡胶变形大于周围水泥基变形,橡胶粉周围易形成应力集中,造成混凝土的破坏。 因此,橡胶混凝土的刚度及强度降低较明显[7]。
纤维材料(Fiber material)从上世纪20年代开始被应用于水泥混凝土性能的改善上,但纤维材料用于橡胶混凝土性能改善的研究偏少。 混凝土是一种多元复合材料, 各组成成分的来源及配量不同, 均会对其性质产生改变。 因此,纤维材料用于橡胶混凝土的研究需要不断深入。 本文拟采用钢纤维、 塑钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维、聚乙烯醇纤维,纤维掺入的方式有单独掺入与混杂掺入两种方式, 研究内容主要包括纤维-橡胶混凝土的力学性能及抗裂性能。
1试验
1.1原材料
水泥: P·O 42.5级普通硅酸盐水泥, 烧失量小于2%,28d抗压强度51.9MPa,抗折强度8.1MPa。
细骨料:岳阳河中砂,表观密度2670kg/m3,最大粒径为5mm,连续级配,细度模数为2.65,含泥量< 2%,含水率0.5%。
粗骨料:粒径5~20mm的石灰岩碎石,表观密度2580kg/m3,级配良好。
橡胶粉: 湖南某公司产10~100目连续级配橡胶粉,最大粒径2.45mm,最小粒径0.20mm,平均粒径1.22mm。 表观密度 为1120kg/m3, 吸水率小 于10%,其他具体技术指标见表1。
纤维:长沙某公司提供,各种纤维的性质见表2,橡胶粉及各种纤维的外观见图1。
1.2配合比设计
1.2.1胶粉掺量比例
橡胶混凝土的配合比设计多采用等体积取代方法,即利用等量体积的橡胶粉取代混凝土中的骨料,取代比例一般在2%~10%之间。采用低橡胶掺量的原因是橡胶骨料本身基本不具备承载能力,大掺量的橡胶粉会造成混凝土强度降低过多。 而采用高橡胶骨料掺量才更能体现橡胶混凝土的工程优越性。 因此,本试验采用了相对较高的橡胶粉掺量。 所选用的取代方法为:橡胶粉仍采用等体积取代方法设计, 对于橡胶混凝土则保持基准配合比中的砂、 石比例不变,将20%砂等体积替换成橡胶粉。
1.2.2配合比
本试验采用的基准混凝土为C40,配合比为水: 水泥∶砂∶石子=198kg∶440kg∶642kg∶1140kg, 水灰比0.45,砂率0.36。 橡胶混凝土中,橡胶粉按20%等体积替换砂, 配合比为水∶水泥∶砂∶石子∶橡胶=198kg∶ 440kg∶513.6kg∶1140kg∶53.9kg。 钢纤维掺量为60kg, 塑钢纤维掺量为6.0kg,聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维及聚乙烯醇纤维掺量均为1.2kg。
共设计十组配合比,编号如下:
1NC;2R-C;3R-S;4R-PV;5R-P;6RPW;7R-V;8R-S-P;9R-PV-P;10R-V-P
其中:NC表示普通水泥混凝土;R表示橡胶;S表示钢纤维;PV表示塑钢纤维;P表示聚丙烯纤维, PW表示聚丙烯网状纤维 ;V表示聚乙烯醇纤维 。 如,R-S表示每m3掺有60kg钢纤维的橡胶混凝土。
1.3试验步骤
预先将橡胶粉与水泥搅拌均匀,再将砂、石、水泥胶粉拌合物倒入SJD60型单卧轴强制式混凝土搅拌机干拌15s;加入纤维搅拌60s,抽样观察纤维是否分散或展开均匀;再徐徐加入水,不停顿搅拌120s,停机并出料。 每次搅拌量不宜超过45L(搅拌机容量的75%)。 将新拌混凝土装入试模,置于机械振动台上振动密实。 试块静置24h后拆模、编号,放入温度 (20±2)°C, 相对湿度95%以上的标准养护室,养护至所需标准龄期后进行性能测试。
试件的力学性能采用YES-2000数显式压力试验机进行测试,整个试验过程严格按GB/T 50081— 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准 》[8]进行 。 每组配合比各龄期力学性能值均由三个试块测试, 按照标准进行取舍计算得到,即若三个试块的最大值与中间值之差 Δ1、最小值与中间值之差的绝对值 Δ2, 均小于中间值的15%, 取三者平均值。 若 Δ1 (Δ2)大于中间值的15%,取最小(大)值与中间值的平均值;若 Δ1、Δ2均大于中间值的15%,则试验无效,需重新试验。
2试验结果
2.1橡胶粉、纤维的分散情况及混凝土坍落度
由图2可以看出,橡胶粉与水之间有很明显的张力,且易吸水聚团。 因此,在拌制混凝土过程中, 先使其与水泥充分干拌,这样一方面可以增加橡胶的分散度,另一方面可以避免橡胶粉与水的直接接触,而是接触水泥水化反应的生成物(水泥浆)。 图3可见,橡胶粉与水泥基的黏结情况较好,且分散较均匀。
钢纤维表面的锯齿形可以增强纤维与水泥及砂的机械齿合力, 在水泥混凝土中呈乱向分布,使黏结性良好, 图4为钢纤维在混凝土中的分布情况。 塑钢纤维密度比水小,表面较光滑,与水泥之间缺乏足够的黏结力, 在振动密实过程中易上浮,集中分布在试块上表面,形成局部脆弱区。 聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维、聚乙烯醇纤维在搅拌机中经过足够时间的搅拌,受到水泥、骨料的冲击,自动张开, 成为一根根的单丝或互相牵扯多向分布纤维, 与混凝土基料有极强的结合力。
搅拌结束后,立即测量混凝土的坍落度,结果见图5。
与普通水泥混凝土相比,橡胶混凝土的坍落度明显下降[9]。 橡胶粉的掺入,增大了混凝土拌合物的屈服值,使其流动性降低,这一方面是因为橡胶粉吸水(水泥浆)性强;另一方面是因为橡胶粉的粒径较小,同时与水之间存在张力,易发生胶粉上浮和团聚等分布不均匀现象,形成局部阻塞作用。 钢纤维的掺入会使混凝土的坍落度进一步下降,这是因为钢纤维掺量较大(相比于丝状纤维),同时,钢纤维与水泥及骨料之间的黏结力,使混凝土的团聚性增强。 塑钢纤维对坍落度的影响效果与钢纤维相似,在单位体积混凝土内,塑钢纤维的根数和钢纤维大致相同。 聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维、聚乙烯醇纤维对坍落度的影响较小。
2.2纤维橡胶混凝土的密度
在养护室标准养护28d后,将试块取出,擦干表面水分,选择表面无明显坑槽及缺角的立方体试块,用天平称出质量,换算成密度,密度试验选择3个试块为一组。 由图6可以看出,橡胶的掺入能降低混凝土的密度,降低幅度为11.6%。 纤维对橡胶混凝土的影响均较小,最大影响为增大2.5%。 这是因为除钢纤维外,其他纤维的质量掺量较小,对混凝土密度影响很小。 钢纤维虽然密度大于混凝土各组成材料, 但纤维的掺入增加了混凝土内部孔洞,因此从整体上看,密度基本无影响。
2.3抗压强度
抗压强度分为立方体抗压强度 (试块尺寸为150mm×150mm×550mm)及轴心抗压强度(试块尺寸为150mm×150mm×300mm), 其中立方体抗压强度为三个龄期(3d、7d、28d)测试,而轴心抗压强度为28d龄期测试。 混凝土强度测试结果见图7。
由图7可见,橡胶粉的掺入会降低混凝土的抗压强度,加入纤维会提高混凝土的抗压强度,但提升的幅度有限。 以28d龄期立方体抗压强度为例, 单种纤维提升最大的是钢纤维,使橡胶混凝土提高了5.0%。 将钢纤维和聚丙烯纤维混杂后, 提高了9.8%,这体现了混杂纤维的优越性。
纤维-橡胶混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度比值在0.76~0.83,与水泥混凝土相近,说明该比值主要决定因素是试件尺寸,与是否加入橡胶和纤维相关性较小。
2.4抗折强度
抗折试验 试块尺寸 为150mm×150mm×550mm,强度测试受力形式为三分点二力加载,即试件长轴方向去除两侧各50mm后, 将中间450mm分为三段, 两个着力点分别在一个三分点上。 各组橡胶混凝土抗折强度测试结果见图8。 由图8可见,抗折强度试验结果与抗压强度相似,即橡胶粉的掺入会降低混凝土的抗折强度,但掺入纤维后,橡胶混凝土的抗折强度提高较为明显。 3d龄期时,聚丙烯网状纤维使橡胶混凝土的抗折强度提高17%,效果最为明显。 28d龄期时,聚乙烯醇纤维-橡胶混凝土的抗折强度达到6.26MPa,比普通橡胶混凝土提高了14.4%, 基本接近普通水泥混凝土抗折强度水平。
对R-S-P与R-S、R-V-P与R-V进行比较可以发现,纤维掺入量过大不但不会继续提高混凝土的抗折强度,反而会使混凝土抗折强度降低。 相比于适量纤维的掺入,额外掺入的这部分纤维虽然能继续增加水泥基之间的黏结性能,但也增加了混凝土内部的孔洞,总体显现为纤维增强的负效应。
2.5劈裂抗拉强度
橡胶混凝土劈裂抗拉强度试验结果见图9。
由图9可见,橡胶混凝土28d劈裂抗拉强度与水泥混凝土相近, 但早期强度(3d及7d)低于同配合比的水泥混凝土。 这是因为橡胶粉早期吸水效应显著,混凝土内部游离水吸附在橡胶粉周围,含水量高的橡胶粉使得周围水泥局部水灰比较大,水泥强度低,容易产生局部破坏。 同时,含水率高的橡胶粉与水泥黏结性差。 但随着混凝土养护时间的增加,橡胶周围的游离水逐渐与水泥发生水化反应,水灰比恢复到设计值,水泥强度增大且与橡胶黏结力亦增大。
纤维对橡胶混凝土的劈裂抗拉强度影响不明显 ,R-V-P的提高幅度最大,为5.1%。
2.6拉压比、折压比与弹性模量
由图10可以看出, 除塑钢纤维-橡胶混凝土外,其他各组橡胶混凝土的折压比均大于水泥混凝土,这说明橡胶粉的掺入提高了混凝土的延性。 同样, 橡胶混凝土的拉压比比水泥混凝土有明显提高,更适用于路面铺装用混凝土。
弹性模量的测试方法见图11,利用千分表测试出混凝土试块(150mm×150mm×300mm)在受到轴心压力荷载时混凝土试块的轴向变形量。 图12为各配比混凝土的弹性模量弹性, 图13为模量与立方体抗压强度的关系。 橡胶混凝土的弹性模量和抗压强度的关系可以用线性函数Ec=0.842fcu-1.204来拟合,该函数在检验系数 α=0.05的检验条件下,相关系数
式中:n=10表示数据的数量, 即混凝土类别的数量;m=2表示参与拟合的函数数量, 即包括弹性模量和立方体抗压强度两个函数。 由公式(1)可知, 弹性模量 (单位:GPa) 与立方体抗压强度 (单位: MPa)之间的线性关系拟合良好。 在精确要求较低的情况下,可以用公式Ec=0.82fcu来反应弹性模量与抗压强度之间的关系。
2.7破坏形态及抗裂性能
立方体抗压试验中,普通水泥混凝土随着荷载的增大, 裂缝首先在试件上端和下端的角部出现, 并逐渐向中间发展,形成较长的裂缝。 同时,试件中部也会出现部分裂缝, 裂缝整体较宽且不集中,以竖向裂缝为主。 达到极限荷载后,继续加载,试件表面混凝土开始外鼓、剥落,以边部混凝土剥落最为严重,属于典型的脆性破坏。 而纤维-橡胶混凝土在整个加载过程中几乎观察不到裂缝,只有在达到极限荷载时才出现微小裂缝。 试件在极限荷载出现后还能承受较长时间的荷载,破坏时只在端面出现轻微破损,其余部分基本保持原状,试件完整性好。 与普通水泥混凝土破坏形态相比,纤维、橡胶能有效改善混凝土的抗裂性能。 部分试块受压极限荷载破坏情况见图14。
各组试块在立方体抗压试验中出现第一条裂缝的强度值见表3。 纤维-橡胶混凝土在受荷载作用下的相对开裂时间比水泥混凝土晚。 橡胶的掺入增大了混凝土的柔性, 使混凝土的受力更加均匀分散;同时,橡胶的高弹性对能量有消耗作用。
水泥水化物是混凝土首先开裂的脆弱区。 纤维的作用是增大水泥之间的黏结性,钢纤维主要是利用表面“锯齿”来增加水泥之间的机械齿合力与摩阻力;聚丙烯纤维等丝状纤维,在水泥水化物中分散成无数的单丝,相当于在水泥水化物中形成无数的钢丝网,水泥水化物开裂需要克服这些钢丝网的包握力。 因此,橡胶混凝土在需要尽量避免开裂的工程中比普通水泥混凝土更有优势。
在抗折试验过程中,水泥混凝土随着荷载的增大,达到约80%极限荷载时,试件底部开始出现裂缝,并沿垂直线向上延伸,接近极限荷载时,裂缝贯穿,试件迅速崩坏。 加入橡胶后,试件的裂缝并未贯穿,但基本已接近承压上表面。 纤维-橡胶混凝土的裂缝延伸为非直线型,裂缝宽度比未掺入纤维的橡胶混凝土小,裂缝延伸长度较短,具体情况见图15所示。
3结论
(1)纤维-橡胶混凝土的密度低于普通水泥混凝土。 橡胶粉和纤维的掺入会降低混凝土拌合物的流动性,大尺度纤维的影响效果较明显,丝状纤维影响较小。 橡胶的掺入会使混凝土的强度降低,但能显著改善混凝土的延性,避免出现脆性破坏。 纤维与水泥基的结合及分散情况是影响纤维改善橡胶混凝土性能效果的重要因素;如塑钢纤维由于分散性较差且缺乏足够黏结力,无法发挥纤维的改善效果。
(2)纤维有利于改善橡胶混凝土抗压强度 、 抗劈裂强度和抗折强度,且对抗折强度的改善效果优于抗压强度和劈裂抗拉强度。 钢纤维整体改善效果最好,但试件表面会出现钢纤维外露现象。 丝状纤维均具有一定改善效果,特别是对橡胶混凝土抗折强度的提高效果优于钢纤维。 同时,这些纤维价格较低廉,且混凝土浇筑面平整度高,凸出于表面的纤维能形成极大数量的微小“绒毛”,增大路面与车轮之间的摩擦系数,有利于行车安全。
(3)纤维和橡胶均能提高混凝土的折压比及拉压比,因此更适用于路用混凝土。 纤维和橡胶可明显改善混凝土的抗裂性能, 纤维-橡胶混凝土在需要尽量避免开裂的工程中比普通水泥混凝土更有优势。
橡胶水泥混凝土的性能研究工学论文 篇2
②抗疲劳性。橡胶粉混凝土的抗疲劳特性明显优于普通水泥混凝土。疲劳实验前，橡胶粉混凝土超声波声速和抗压强度均低于普通混凝土，疲劳实验后，橡胶粉混凝土超声波声速和强度的下降幅度都低于普通混凝土。
③抗渗性和耐磨性。橡胶粉混凝土的抗渗性能较普通混凝土有较大的提高，孙家瑛等[5]研究了聚合物基橡胶粉混凝土的耐磨性，橡胶粉混凝土的抗磨耗性能非常优越，并且橡胶粉掺量大小对聚合物基橡胶粉混凝土的耐磨性能几乎没有影响。通过水下刚球法试验得出橡胶混凝土耐磨性能非常优越，甚至优于硅粉混凝土的结论。
参考文献：
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橡胶混凝土性能研究 篇3
摘要：为研究橡胶集料混凝土钢组合梁的疲劳性能，对6个试件进行疲劳试验。试验考虑了橡胶集料混凝土、剪力连接程度、栓钉直径及截面尺寸对组合梁疲劳寿命、损伤累积及破坏模式的影响。试验测试并分析了组合梁在不同荷载循环次数下的混凝土应变、残余滑移、残余挠度、滑移刚度及弯曲刚度。试验结果表明：部分剪力连接的组合梁在疲劳过程中不符合平截面假定；组合梁的疲劳破坏模式为剪跨区栓钉剪断，破坏具有较大的延性；橡胶集料混凝土能有效减小裂缝宽度，明显提高疲劳寿命，并增大残余滑移，表现出更好的延性；增大剪力连接程度可提高组合梁的疲劳寿命，并降低刚度退化作用；较大的栓钉直径使组合梁疲劳性能降低，并表现出较大的塑性。研究成果可为橡胶集料混凝土在组合梁中的应用提供依据。
关键词：橡胶集料混凝土；组合梁；疲劳性能；部分剪力连接；栓钉
中图分类号：TU398 文献标识码：A
可再生橡胶集料混凝土（RRFC）由普通混凝土加入经过机械粉碎、碾磨并洗净的废旧轮胎橡胶颗粒所制成，是一种新型环保绿色材料。由于其具有较好的变形能力、抗裂性能及良好的疲劳性能，这种新材料已成为国内外的研究热点。早在1999年就被用于亚利桑那大学的路面铺装，目前已得到更为广泛的应用。Hernandez针对不同橡胶掺量的混凝土进行了一系列试验，测试其静力、动力和疲劳性能，指出橡胶集料混凝土具有较好的能量耗散性能和抗疲劳性能。国内学者也进行了一些试验，如橡胶混凝土的三点弯拉疲劳性能，证明同等循环加载条件下，橡胶混凝土的疲劳寿命明显高于普通素混凝土。
钢与混凝土组合梁能充分利用不同材料的性能，目前已被广泛应用于高层建筑、多层工业厂房和桥梁，并带来良好的经济与社会效益。钢和混凝土之间的组合作用由剪力连接件实现，由于施工方便，焊在钢梁翼缘上的栓钉成为最常用的剪力连接件。对于承受交通荷载的桥梁，结构长期处于循环荷载作用下，栓钉将直接承受疲劳荷载，其疲劳问题日益突出。为此，国内外学者进行了大量的静力与疲劳试验，研究了组合梁的疲劳破坏形式，及栓钉直径、疲劳荷载和混凝土强度等因素对疲劳性能的影响。
基于橡胶集料混凝土良好的材性，将其应用于组合桥梁中，可有效提高行车舒适度，减少结构开裂，并可能改善组合桥梁的抗疲劳性能。此外，大直径栓钉的应用可以减小栓钉个数，降低焊接工作量，有效加快施工进度，而橡胶集料混凝土的应用也可能改善大直径栓钉的受力性能。目前已对组合梁和橡胶集料混凝土性能展开了大量研究，然而，尚缺乏对钢与橡胶集料混凝土组合梁疲劳性能的系统研究。本文为研究橡胶集料混凝土钢组合梁抗疲劳性能，选取了混凝土种类、栓钉直径、剪力连接程度、钢梁尺寸4个影响因素，进行6个组合梁疲劳试验。研究了不同参数对组合梁疲劳寿命、抗裂性能、应力分布、残余变形及刚度退化的影响，并讨论橡胶集料混凝土在组合桥梁中的适用性。
1试验概况
1.1试件设计
文献研究了0%，5%，10%和15%四种不同橡胶掺量下，组合梁推出试件的受力性能，结果表明掺量为15%的混凝土强度有较大削弱，而掺量为5%的混凝土塑性性能提高不明显。因此，本文在前期研究的基础上，选择橡胶掺量为10%的橡胶集料混凝土制作试件。在组合梁静力试验的基础上，本试验共设计6个与静力试验相同的组合梁试件，用于疲劳试验，编号为FBFT-1～FBFT-6。
钢与混凝土组合梁是由H型钢梁、加劲肋、焊钉、混凝土板和钢筋组成的空间受力体系，难以按比例制作相应的缩尺模型，特别是混凝土桥面板和钢板的厚度，而足尺模型成本较高。为此，按《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）制作组合梁的定型模型，模拟钢与混凝土组合梁的受力情况，对其进行研究。试件设计考虑试验条件的同时，保证所有试件的设计中性轴均位于钢梁截面，避免混凝土板受拉。组合梁全长4 000 mm，其中纯弯段700 mm，剪跨段1 500 mm，加载点及支座截面设置加劲肋。所有试件的设计中性轴均位于钢梁上翼缘。试件设计为2种截面尺寸，钢梁分别使用HW250×250和HW350×350，其中2个试件的混凝土板采用普通混凝土浇筑，4个试件的混凝土板采用掺量为10%的橡胶集料混凝土浇筑。钢梁上翼缘焊接单排栓钉，栓钉直径分为16，19，22 mm。本文的组合梁为部分剪力连接，栓钉个数较少，且推出试验结果表明，栓钉数量相同的情况下，单排栓钉受力性能较好，因此均采用单排均匀布置。为研究部分剪力连接组合梁的疲劳性能，按规范设计0.5和0.68两种不同剪力连接程度，公式如下。
（1）
（2）式中：r为剪力连接系数；n为实际栓钉个数；ns为完全剪力连接时的计算栓钉个数；Fc為混凝土板压力；beff为混凝土板有效宽度；hc为混凝土板有效厚度；fc为混凝土抗压强度；Vu为单个栓钉抗剪承载力，由静力推出试验获得。
组合梁试件的参数见表1，试件具体尺寸及构造见图1和图2。
按照GB/T 10432-2002，栓钉选用16 mm×90 mm，19 mm×110 mm，22×130 mm三种规格，长度与直径比值均大于4，细部尺寸见图3。试件在钢结构加工厂制作并养护，模板及配筋见图4。
1.2材料属性
试件的混凝土设计强度为C30，通常情况下，以橡胶颗粒代替部分细骨料，但混凝土的强度和弹性模量都会有所下降。为排除试验中混凝土强度对组合梁抗疲劳性能的影响，经多次试验后，改变粗骨料及水灰比，确定最合适的配比，使橡胶集料混凝土与普通混凝土的强度和弹性模量基本相同。在浇筑试件时，按规范制作2组150 mm×150 mm×150mm的标准立方体试块，一组在标准养护条件下养护，另一组在与试件组合梁相同的条件下养护，抗压强度测试结果见表2。其中fcu，k为在标准养护条件下28 d的立方体抗压强度，fcu，k为在与试件相同的条件下养护，并于疲劳试验开始时测试的立方体抗压强度，E为弹性模量。
试件所用型钢材料为Q235钢，从钢梁翼缘上切取标准板条进行拉伸试验，平均屈服强度和极限抗拉强度分别为241 MPa和398 MPa。栓钉的材料为M15，其抗拉强度为365 MPa。钢筋选用φ6的HRB335热轧钢筋，2种组合梁截面的纵向配筋率分别为0.87%和0。71%，经测试的钢筋屈服强度和极限抗拉强度分别为348 MPa和455 MPa。
1.3试验装置
疲劳试验采用1000kN电液伺服疲劳试验机加载，作动器在组合梁跨中施加等幅正弦脉冲疲劳荷载，加载频率为1.3 Hz，荷载通过分配梁传递给2个加载点，加载点间距为700 mm。试件两端简支，组合梁和分配梁的两端支座下均放置厚度为40mm的钢板，以防止试件局部压力过大，试验装置如图5所示。
1.4测点布置及加载制度
疲劳试验中，采用精度为1/1 000 mm的位移计测量跨中挠度，同时测量支座端钢梁与混凝土的相对滑移和掀起，以确定组合梁在疲劳荷载下的动位移。采用混凝土应变片测量跨中截面混凝土板的应变，可判断组合作用的程度及中性轴位置的变化。测点布置如图6所示，其中D1～D3为位移计，C1～C3为应变片。
在疲劳试验正式开始前进行1～2次静力预加载，以消除松动并确认仪器工作正常。疲劳加载过程中，当加载至0.03，0.1，0.5，1，3，5，10，15，20，30，40，…万次时，停止疲劳加载，进行一次静力加卸载循环，用于分析疲劳加载过程中的残余应变、残余变形及刚度退化的规律，所加荷载为疲劳荷载上、下限的平均值。出现疲劳破坏的征兆时，适当减小采集间隔。
2试验结果
2.1疲劳寿命
对6个与疲劳试验相同的组合梁试件进行静力加载，测得其极限承载力，见表3。疲劳荷载的上、下限由极限承载力按比例计算得到。为保证疲劳试件不进入弹塑性阶段，疲劳荷载上限约为静力极限承载力的50%；根据实际经验，取疲劳荷载下限约为静力极限承载力的10%。根据静力试验可知FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分别具有基本相同的承载力，为方便疲劳加载，按平均承载力计算，对FBFT-1～FBFT-3及FBFT-4～FBFT-6分别施加相同的疲劳荷载，以比较不同参数对组合梁疲劳性能的影响。主要试验参数及疲劳加载次数见表3。由表3中数据可见，使用橡胶集料混凝土的试件FBFT-2和FBFT-5分別比使用普通混凝土的FBFT-1和FBFT-4拥有较高的疲劳寿命，寿命分别增加50%和144%，表明橡胶颗粒具有较好的变形性能，可有效降低应力集中作用，减缓组合梁的疲劳损伤发展。FBFT-2与FBFT-3相比，剪力连接程度增加36%后，疲劳寿命增加40%，这是因为组合梁的破坏标志为剪跨区栓钉疲劳剪断，因此在部分剪力连接的组合梁中，剪力连接程度对其疲劳性能有很大影响。对比FBFT-5与FBFT-6可知，剪力连接程度相同的情况下，疲劳寿命随栓钉直径的增加而降低，原因是直径增大后栓钉个数相应减少，易导致较大的应力集中，加速疲劳损伤的发展。但是，FBFT-4与FBFT-6具有相近的疲劳寿命，证明橡胶集料混凝土良好的抗疲劳性能可弥补大直径栓钉缺陷，进而为更大直径栓钉的应用提供可能。
2.2试验现象及破坏模式
由于预加载时，钢与混凝土间的自然黏结已经失效，因此组合作用完全由栓钉提供。在疲劳加载初期，栓钉产生变形，支座处的钢梁与混凝土板首先出现相对滑移。此后，栓钉变形增大，支座端的滑移有所增加，加载点下方的混凝土板出现细小裂缝。随着疲劳加载次数增加，支座附近发出有规律的清脆响声，混凝土板掀起明显，可观察到支座处的栓钉已被剪断，剪跨区滑移由支座端向跨中发展，组合作用被削弱，加载点下方混凝土的裂缝贯穿板底。破坏时，混凝土裂缝宽度增大，滑移已由支座向跨中延伸至约1 200 mm处，掀起与滑移变形极大，可观察到剪跨区栓钉全部剪断，此时钢梁没有明显变形，但由于组合作用完全丧失，因此判定组合梁疲劳破坏，如图7所示。这也说明，疲劳破坏时，组合梁退化为钢梁，轧制钢材疲劳性能较好，且可以承受疲劳上限，所以结构具备较大的后续疲劳承载能力。因此，试验所测寿命仅为组合梁的疲劳寿命，而并非结构的全寿命。
组合梁疲劳破坏模式与静力破坏有很大差别。承受静力荷载时，组合梁跨中有明显挠曲变形，最终破坏形式为跨中钢梁屈服，混凝土板压碎，但栓钉基本没有破坏，如图8所示。承受疲劳荷载时，6个试件的破坏模式均为剪跨区栓钉全部剪断，破坏时钢梁没有屈服，详见图9。
试验中栓钉的疲劳剪断破坏模式主要有图10中的3种：栓钉杆中下部剪切破坏（图10（a））、栓钉根部钉杆剪切破坏（图10（b））、栓钉焊缝撕裂破坏（图10（c））。前两种破坏模式为正常疲劳破坏，第三种破坏模式是由焊接缺陷导致的，对栓钉疲劳性能有很大削弱。试验发现大部分栓钉发生第二种破坏，但仍有一定数量的栓钉发生第三种破坏。当栓钉发生前两种破坏时，钉杆均可产生图11所示截面，从图中可以看出，疲劳源位于栓钉表面，疲劳裂缝扩展区内有明显的疲劳台阶，裂缝扩展区与瞬断区的面积比约为5：1，表明栓钉有较好的塑性。
在疲劳过程中，由于端部栓钉逐步剪断，剪跨区的混凝土板受力很小，趋于自由状态，因此仅在纯弯段的加载点附近受力较大并出现裂缝，裂缝分布如图12所示。图12（a）与（b）～（e）对比可知普通混凝土组合梁的主要裂缝仅有一条，裂缝宽度较大，损伤严重，而橡胶集料混凝土组合梁的裂缝相对细小，且分布均匀，没有发生致命的集中破坏；由图12（b）与（c）可以看出，当所用栓钉和混凝土相同时，剪力连接程度小的组合梁裂缝数量较多；由图12（d）与（e）比较可知，所用混凝土与剪力连接程度相同时，大直径栓钉会导致混凝土开裂时间过早，但对裂缝的数量没有明显影响。
3试验结果分析
3.1跨中截面混凝土应变沿梁截面高度变化规律
大量已有静力试验证明，组合梁在承受静力荷载且处于正常工作状态时，全截面均符合平截面假定，即混凝土板与钢梁可以共同受力，所受应力示意图见图13（a）；当静力构件进入塑性阶段或剪力连接件变形过大时，组合梁不符合平截面假定，混凝土板与钢梁不完全连接，并产生2个中性轴，受力状态如图13（b）所示；当没有剪力连接时，混凝土板与钢梁完全独立工作，如图13（c）所示。
为研究疲劳荷载下组合梁受力性能，在试件跨中混凝土板侧面粘贴应变片。由试件尺寸计算可知疲劳试验所用组合梁属于图13（a）中所示第二种情况，相应的静力试验也可表明混凝土板在加载过程中全部受压，即中性轴位于钢梁截面内，因此若疲劳试验测得混凝土板受拉应力，则可判定组合梁处于不完全连接状态。
图14所示为不同荷载循环次数下，FBFT-1混凝土板的应变在跨中截面沿截面高度的变化规律。
从图14中可以看出，应变沿混凝土板截面高度的分布基本为直线，表明疲劳过程中，平截面假定在混凝土板内可假设成立。数据显示混凝土板在疲劳加载前全截面受压，板与钢梁可协同受力，但荷载循环仅0.3万次后，混凝土板底部出现拉应力，说明组合作用被削弱，板内中性轴位置接近板底；疲劳加载2万次后，剪力连接键进一步破坏，应变片C2所测数据基本为零，分析可知板内中性轴上移至C2处；试件发生疲劳破坏时的静力加载数据显示，中性轴继续上移，位置靠近混凝土板的中心轴，表明剪力连接键已基本失效，试件受力模式接近图13（c）所示叠合梁。
试验数据显示，其余试件中混凝土板应变的变化规律基本与FBFT-1相同。综上可知，部分剪力连接的组合梁在0万次静力荷载下组合作用完好，受到疲劳荷载后，组合作用迅速退化，在全部疲劳试验过程中，组合梁不符合平截面假定，处于不完全连接的状态。此外，0万次所测荷载应变曲线呈线性分布，试件可沿加载路径卸载，表明试件在相应荷载下处于弹性阶段，但经历疲劳循环后，试件在相同荷载下出现明显的弹塑性阶段和“滞回现象”，且加载次数越大，试件的塑性特征越明显。
图15所示为混凝土板中性轴高度hn随疲劳荷载循环次数的变化规律，其中hn为中性轴位置与板底的间距，若混凝土板全截面受压，则中性轴高度为负。由于试件FBFT-3的应变片在测量中损坏严重，采集数据变异较大，将其剔除。由图14可以看出，试件FBFT-1～FBFT-2与FBFT-4～FBFT-6分别具有基本相同的曲线，表明若组合梁截面尺寸相同，则板内中性轴发展规律基本相同，栓钉直径、剪力连接程度和橡胶集料混凝土均未对其产生影响。
3.2疲劳破坏标准
虽然疲劳破坏一般为脆性破坏，但是与其他结构相比，混凝土组合梁疲劳破坏时有较大延性。这是因为组合梁中栓钉从支座端向跨中依次破坏，构件中栓钉数量较多，且每个栓钉的破坏均需经历足够的荷载循环次数，因此结构可进行多次应力重分布。此外，型钢钢梁的抗疲劳性能较好，在剪跨区栓钉全部剪断，混凝土板完全失效的情况下，只有钢梁单独受力也能承受最大疲劳荷载。这也说明，以结构不能承受最大疲劳荷载来判定其最终破坏并不适用，试验中以剪跨段栓钉全部剪断为标准，认定结构破坏，但因该现象在实际结构中不易观察，故此判定方法缺乏广泛适用性。
通过试验数据可以发现，不同试件混凝土板的中性轴在疲劳过程中有相似的发展规律。由图15可见，相同尺寸的组合梁试件在疲劳破坏前具有相近的中性轴高度。为方便比较不同尺寸的试件，定义中性轴高度系数ξ=hn/h，其中h为混凝土板高度。疲劳破坏时，FBFT-1～FBFT-2的平均中性轴高度系数为0.411，FBFT-4～FBFT-6的平均值為0.403。在5个试件疲劳破坏前，中性轴高度系数都发展至一个定值，因此可将其作为辅助判定构件疲劳破坏的标准。
3.3残余变形
虽然试验进行等幅疲劳加载，且疲劳上限小于比例极限荷载，即试件处于弹性阶段，但由于疲劳损伤不断累积，疲劳荷载同样使组合梁产生不可恢复的残余变形。在疲劳试验中，加载至一定次数后停机，对组合梁施加不破坏的静力荷载，可得到不同加载次数下试件的滑移和挠度。
图16所示为一个典型试件的荷载滑移曲线。由图可知，由于疲劳损伤，试件在卸载后有不可恢复的残余变形。由于位移计在疲劳加载过程中受到扰动，试件FBFT-3的测量结果误差较大，将其剔除后，剩余5个试件的残余滑移随加载次数的发展曲线如图17所示。为方便比较，以试件最终寿命为参考，对荷载作用次数进行归一化处理，其中Ni为加载过程中的荷载循环次数，N为破坏时荷载循环次数。
由图17可知，残余滑移的发展过程明显可分为3个阶段：第工阶段为疲劳损伤萌生阶段，残余滑移在加载初期急剧增长；第Ⅱ阶段为疲劳损伤发展阶段，试件进入稳定状态，滑移增长趋势较慢；第Ⅲ阶段为疲劳破坏阶段，加载后期由于剩余的抗剪栓钉数量较少，且有效截面很小，残余滑移迅速发展，出现突变，随即发生疲劳破坏。第工阶段和第Ⅲ阶段各占总寿命的约5%，第Ⅱ阶段约占总寿命的90%。
试件的跨中挠度通过位移计定时采集，残余挠度随加载次数的变化曲线如图18所示。
残余挠度在试件开始经历循环荷载后（约1万次内）迅速增加，后进入稳定发展阶段，符合疲劳试验的一般规律。但与残余滑移不同，组合梁的残余挠度在试件疲劳破坏前没有发生明显增大，这是因为疲劳破坏时栓钉剪断，剪跨区混凝土板退出工作，但钢梁和纯弯段部分的混凝土板仍然可以继续承受疲劳荷载，因此试件挠度在破坏时没有突变。
图17和图18中数据显示，FBFT-1和FBFT-2的残余滑移和挠度均大于FBFT-4～FBFT-6。主要原因为钢梁截面相对较小，导致组合梁中性轴位置上移较多，则栓钉更靠近中性轴，所受剪力相对较大，因此试件更容易产生变形。分别对比FBFT-1与FBFT-2，FBFT-4与FBFT-5，由于弹性混凝土有较好的变形能力，代替普通混凝土后，组合梁在第Ⅱ阶段的残余滑移分别增大约27%和56%，残余挠度增加约45%和72%，体现出更好的延性。由FBFT-6与FBFT-5相比可知，抗剪连接程度相同的情况下，增大栓钉直径后，FBFT-6第Ⅱ阶段残余滑移和残余挠度均降低约64%，说明大直径栓钉可导致组合梁延性的降低。此外，FBFT-6比FBFT-4的残余滑移和残余挠度仅分别降低了25%和38%，表明弹性混凝土的使用可以在一定程度上弥补大直径栓钉造成的脆性。
3.4刚度退化
组合梁试件在疲劳加载过程中，滑移刚度和弯曲刚度都会发生不同程度的退化。根据疲劳加载过程中停机测得的静力数据，计算组合梁在不同荷载循环次数下的割线滑移刚度和弯曲刚度的退化程度，见表4。
组合梁在疲劳荷载下的弯曲刚度退化规律与滑移刚度相似，虽然各试件的寿命不同，但所有试件的滑移刚度退化均集中发生在2万次内。由于栓钉发生疲劳剪切破坏，而钢梁并没有明显的弯曲破坏，因此滑移刚度的退化程度远大于弯曲刚度。荷载循环2万次后，弯曲刚度基本保持不变，退化十分缓慢，且破坏时刚度与2万次时刚度基本相同，疲劳破坏前没有发生突变。
对于钢梁截面不同的FBFT-1～FBFT-3和FBFT-4～FBFT-6，钢梁截面较小的试件FBFT-1～FBFT-3具有明显较小的初始滑移剛度和弯曲刚度。此外，钢梁尺寸对刚度的退化幅度有一定影响。2万次时FBFT-1～FBFT-3的滑移刚度降低约87%，但FBFT-4～FBFT-6的刚度只降低约78%。这是因为钢梁尺寸不同，栓钉所受剪力不同。FBFT-1～FBFT-3的弯曲刚度降低约30%，而FBFT-4～FBFT-6的刚度降低约26%。弯曲刚度主要由钢梁截面控制，在试验中，疲劳荷载对混凝土及栓钉的损伤较大，对轧制钢梁的影响较小，因而钢梁截面相对较大的后3组试件能更好地抵抗损伤引起的弯曲刚度退化。
分别对比FBFT-1和FBFT-2，FBFT-4和FBFT-5可知，由于弹性混凝土的弹性模量降低，组合梁的初始滑移刚度和弯曲刚度降低15%～23%。弹性混凝土对组合梁滑移刚度的退化幅度基本没有影响，但会导致弯曲刚度退化加剧。
对比FBFT-2和FBFT-3可知，增大组合梁的剪力连接程度可有效增大初始弯曲刚度，增幅分别约为14%和25%。同时由于栓钉抗剪能力增强，可以使滑移刚度和弯曲刚度的退化分别降低2%～7%。
FBFT-5和FBFT-6的试验结果表明，如果剪力连接程度相同，栓钉直径对组合梁的滑移刚度退化程度基本没有影响。但较大直径的栓钉有利于提高组合梁的初始刚度，降低弯曲刚度的退化程度。
4结论
本文对6个橡胶集料混凝土与钢组合梁试件开展了疲劳试验研究。在此基础上通过试验结果分析得出如下结论：
1）组合梁的疲劳破坏模式为栓钉剪断和混凝土开裂，试件可进行多次应力重分布，其疲劳破坏有一定的延性，且破坏后仍有较高的承载力，疲劳破坏后强度储备较大。
2）在疲劳过程中，部分剪力连接的组合梁不符合平截面假定，混凝土板与钢梁不能共同受力，分别具有一个中性轴。板内中性轴在疲劳作用下不断上移，当中性轴高度系数达到0.4时，试件发生疲劳破坏。
3）橡胶混凝土组合梁能有效推迟混凝土裂缝出现的时间，减小裂缝宽度，显著提高组合梁抗疲劳性能；较大的剪力连接程度对静力性能影响很小，却可增加组合梁的抗疲劳能力，因此承受较大疲劳荷载的结构宜采用剪力连接程度较高的组合梁；此外，较大的栓钉直径会加剧应力集中现象，导致组合梁疲劳寿命降低，但该不利影响可被橡胶集料混凝土降低，从而促进大直径栓钉的应用。
4）在疲劳试验初期，组合梁的残余滑移和残余挠度均有较大的发展，但在疲劳破坏前，残余滑移迅速增大，残余挠度没有发生明显变化，也说明组合梁的疲劳破坏具有一定的延性。橡胶集料混凝土可增大试件在损伤发展阶段的残余滑移和挠度，表现出更好的塑性；相反，使用大直径栓钉的组合梁在损伤发展阶段变形较小，延性略差。
橡胶混凝土性能研究 篇4
关键词：橡胶水泥混凝土,动态力学性能,SHPB,峰值应力
在水泥混凝土中掺入适量的橡胶粉制成橡胶水泥混凝土, 并将其应用于机场道面工程, 是目前道路建筑材料研究中的一个热点。它对改善混凝土的韧性、抗冲击性能, 有效解决水泥混凝土的缺陷对机场道面产生的不利影响具有重大意义。
在材料的动力学性能研究方面, 分离式Hopkinson压杆 (SHPB) 试验技术是一种应用较为普遍且效果较好的试验技术。通过利用SHPB对橡胶水泥混凝土抗冲击压缩性能进行试验研究, 分析橡胶的加入对混凝土动态力学性能的影响, 指导其工程应用, 具有重要的现实意义。
1 试验设计
1.1 试验材料
试验用橡胶粉规格分别采用40目、80目、120目橡胶粉, 表观密度为1030kg/m3;水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥;试验所用的细集料为河砂, 最大粒径为5mm, 连续级配, 细度模数为2.6, 表观密度为2650kg/m3;粗集料采用粒径为4.75～9.5mm的级配碎石, 表观密度为2700kg/m3;试验用水为普通自来水;减水剂为MN萘系高效减水剂。
1.2 试验配合比设计
在本文的橡胶水泥混凝土配合比设计中, 橡胶粉取代方法为:以等体积橡胶粉取代砂和石料, 并保持基准配合比中的砂率不变。试验方案中基准混凝土配合比为水泥:水:砂:石=1:0.45:1.84:3.64。在保持基准配合比中水泥用量、水灰比和外加剂的用量不变的条件下, 将A类 (40目) 、B类 (80目) 、C类 (120目) 橡胶粉掺入混凝土中, 等体积取代砂和石料, 并保持砂和石料的比例不变。橡胶粉的掺量分别为15kg/m3、30kg/m3、60kg/m3、90kg/m3、110kg/m3, 共设计16组配合比。制作尺寸为φ70mm×35mm圆柱体试件, 进行SHPB动力试验。
1.3 橡胶水泥混凝土SHPB试验
利用直径为74mm的SHPB装置, 对16组橡胶水泥混凝土圆柱体试件在4种不同的加载波下进行冲击压缩试验, 得到橡胶水泥混凝土在不同应变率下的应力—应变曲线, 研究不同试验应变率下橡胶粉粒径和掺量对混凝土动态峰值应力的影响, 分析橡胶水泥混凝土的动态力学性能。
1.3.1 试验过程及注意事项
SHPB试验仪器选用中国科技大学研制的直径为74mm的直锥变截面大直径SHPB装置。输入杆、输出杆长度分别为2.7m、1.8m。子弹直径为37mm, 采用压缩气体驱动, 磁助电接点压力表控制, 气压连续可调, 控制方便。输入杆和输出杆均采用半导体应变片测量应变信号, 电阻值通过电桥来确定放大器对信号的放大倍数。如果不进行提前标定, 试验时只能得到示波器上显示的放大后的信号大小, 不知道放大倍数是无法具体获取原始信号的数值的。静态标定时需要不断调节增益的大小, 直到输出信号可以恰当的显示在示波器的界面上。静标定见表1。
(5) 安放子弹和试件。试验过程中为了降低摩擦, 在试样的两个端面均涂抹凡士林。
(6) 调节气压进行试验。试验中对压气枪所施加的气压分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa (分别对应加载波1、2、3、4) , 以获得不同应变率下试样的动力学性能。
(7) 采集、处理数据。将试验数据保存、导出, 采用中国科技大学提供的软件进行处理。在处理过程中, 需要特别注意波形的重置和波位的计算, 这样才能得到正确的波形计算点, 获得理想的应力—应变曲线。
1.3.2 试验波形曲线、试件破坏形式与试验结果列表
对16组不同配合比的试件在4种加载波下进行SHPB试验, 试件出现了六种破坏形态, 即表面完好、细裂纹、边缘开裂、破裂、破碎、粉碎。试验采集典型波形曲线示例见图1。
橡胶水泥混凝土在不同的应变率下进行SHPB试验所得的数据结果和破坏形态以120目为例列出见表2。由于在同一触发气压下, 试件的应变率相似, 因此将触发气压相同的试件归为应变率相同的一组进行分类编号。例如, C15-1表示橡胶粉为120目掺量为15kg/m3的试件, 试验触发气压为0.2MPa, 以此类推。
2 试验结果分析
2.1 应变率对橡胶水泥混凝土动态峰值应力的影响
在混凝土的动态力学性能的研究中, 不同应变率下动态冲击的峰值压力相对于静态破坏压力的提高值[1]是其一重要指标。根据欧洲混凝土委员会 (CEB) 采取的动态因数 (DIF) —应变率关系[2], 本文中采取下面的公式分析混凝土的应变率效应:
式中:α、β表示拟合的参数, κ为分界点应变率, ε为动态冲击应变率, fcs为准静态强度, εs为相对于准静态强度的应变。
根据公式并运用试验中得到的C类橡胶水泥混凝土的数据进行拟合, 求出公式中的参数, 最后得出动态因数与应变率的关系式。由于公式中κ值一般小于20, 而本文中试验的应变率值大于20, 因此, 只用公式中第二个公式进行拟合, 静态强度应变率εs取值为5×10-5。根据DIF与ε/εs对应关系, 运用软件可以得到DIF与ε/εs对应的散点图。对其进行拟合结果如图2所示, 其中纵轴表示动态因数、横轴表示ε/εs。表示ε/ε
根据DIF与ε/εs的对应关系, 拟合曲线后求出参数, y=0.05661, β=0.23166得到拟合方程:
拟合的相关系数R-square:-0.80724, 标准偏差为0.00495。说明了拟合的方程与实际结果有较大的相关性。
分析计算结果和拟合曲线, 可以得到如下结论:橡胶水泥混凝土表现出明显的应变率增强效应, 即动态因数 (DIF) 随着应变率的增大而增大。相应的, 混凝土动态峰值应力也随着应变率的增大而增大。
2.2 橡胶粉粒径对混凝土动态峰值应力的影响
图3给出了固定加载波 (以加载波3、4为例) 下, 当掺量一定时, 橡胶水泥混凝土动态峰值应力与粒径的关系。从图中可以看出, 与静态抗压峰值应力不同, 动态峰值应力随着橡胶粉粒径目数的增大而增大。而动态因数也随之增大, 即可认为动态峰值应力的增速随着橡胶粉粒径目数的增大而增大, 如加载波为4、掺量为15kg/m3时, C类和B类混凝土的峰值应力分别较A类混凝土高13.1%和8.5%, 动态因数分别较A类混凝土高27.6%和11.8%。此外, 各类试件的动态峰值应力均在掺量为60kg/m3时大幅下降。如加载波3时, A类的动态峰值应力由55.20MPa降到43.14MPa, 降低幅度达22%。
2.3 橡胶粉掺量对混凝土动态峰值应力的影响
作为弹性体的橡胶粉, 其强度相对于周围的混凝土基体来说几乎可忽略不计, 且作为有机材料, 橡胶粉与混凝土在粘结面上粘结力降低。这些都导致动态峰值应力的降低。图4、5给出了C类橡胶水泥混凝土在不同加载波下, 橡胶粉掺量与动态峰值应力、动态因数的关系曲线。从图4中可以看出, 试件的动态峰值应力随掺量的增加而减小;但图5表明, 试件的动态因数却随着橡胶粉掺量的增加而增大。
3 结论
在水泥混凝土中掺入适量不同粒径的橡胶粉制成橡胶水泥混凝土, 以动态峰值应力为主要指标通过SHPB试验对其动态力学性能进行了研究。研究表明, 橡胶水泥混凝土具有良好的动态力学性能, 主要表现在以下几个方面:
(1) 橡胶水泥混凝土表现出明显的应变率增强效应, 动态峰值应力随着应变率的增大而增大;
(2) 当橡胶粉掺量一定时, 橡胶水泥混凝土动态峰值应力与胶粉粒径成正比;
(3) 橡胶混凝土动态峰值应力随橡胶粉掺量的增加而减小, 但其动态因数则随着橡胶粉掺量的增加而增大。
参考文献
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[2] Bischoff P H, Perry S H.Compressive behavior of concrete at high strain rates.Materials and Structures, 1991, 24:425~450.
[3]刘锋, 潘东平.橡胶混凝土应力和强度的细观数值分析.建筑材料学报, 2008, 2:144~151.
橡胶混凝土性能研究 篇5
关键词：密封材料;丁腈橡胶;浓缩液;乳化油
中图分类号：TQ336.42 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0172-03
1 概 述
液压支架是保证整个工作面安全生产的重中之重，其主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的升、降、推、移等基本动作都是由乳化泵站供给的高压液体即传动介质，通过各种阀控制立柱、千斤顶的伸缩来实现。
液压支架传动介质是液压系统中的重要组成部分，是整个综采工作面液压支架系统的“血液”，它保证了整个采煤工作面的安全顺畅采煤和工人的生命安全。液压支架传动介质分为乳化油、微乳液、浓缩液等。
目前，我国综采液压系统的工作介质常使用的是配比浓度为5%的浓缩液稀释液或乳化液。
密封材料是液压支架中关键零部件之一，实际工况下与传动介质接触频繁。如果传动介质与密封材料的相容性不佳，一定程度上会造成密封材料的物理和化学性能发生变化。这些变化在很大程度上影响密封材料在液压系统中的使用性能。井下液压系统的压力一般在30 MPa左右，一旦密封材料损坏，造成支架出现跑冒滴漏等现象，严重时会造成液压支架泄压，从而带来安全隐患。
因此研究分析液压支架传动介质对密封材料的性能影响具有很重要的意义。煤矿液压支架中采用的密封材料多由丁腈橡胶制备而成，因此本研究中采用丁腈橡胶作为基体材料，研究浓缩液和乳化油对其性能变化的影响。
2 实验方案
2.1 液压支架传动介质的选取
实验介质选用某矿区使用量较大的国内某品牌A浓缩液和国外某品牌B乳化油两种传动介质，实验材料都是从某矿工作面现场提取的原液。两种产品的各项性能指标都满足MT76-2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》的要求。
2.2 试样制备
2.2.1 基本配方
基本配方（质量份）：丁腈橡胶生胶100.00，氧化锌5.0，硬脂酸1.0，白炭黑10.0，防老剂（4010NA）1.5，防老剂（RD）1.0，炭黑（N330）50.0;葵二酸二丁酯7.0，促进（DM）1.5，促进剂（TMTD） 1.5，硫黄2.0，DCP2.0。
2.2.2 混炼工艺
丁腈橡胶试样制备时其开炼机的辊筒表面温度应保持（50±5 ℃），混炼按照下列程序进行：
①将辊距调至1.5 mm使丁腈橡胶生胶包辊，打开冷却水使水温保持在10 ℃，辊温控制在50 ℃左右，塑炼2 min。
②生胶包辊后，表面不开裂可以加入氧化锌、硬脂酸，一边切割两刀打三个三角包，薄通两遍并割胶翻炼，混炼3 min。
③加入防老剂，混炼3 min。
④将辊距调至2.0 mm加入1/2炭黑N330，混炼4 min。
⑤剩下的炭黑N330和增塑剂交替加入，左右交替割胶翻炼3次，混炼5 min。
⑥加入硫磺、DCP和促进剂继续割胶翻炼，待混炼均匀后薄通3遍，调整辊距至2.5 mm出片，4 min。混炼胶停放24 h后待用。
⑦将停放后的混炼胶在1.5 mm辊距下塑炼2 min，调整辊距至2.5 mm出片，并裁剪成长方形剪片放入模具中硫化，在170 ℃下硫化20 min，制成2 mm±0.2 mm厚的标准硫化胶试片。
2.3 实验仪器与设备
P3555B2型盘式硫化仪（北京环峰机械制造厂生产）;
Φ160×320双辊开炼机（上海橡胶机械一厂生产）;
XQLB-350×350平板硫化机（上海橡胶机械制造厂生产）;
CMT4104电子拉力机（深圳新三思公司生产）;
XY-1邵尔硬度计（上海橡胶机械制造厂生产）;
HD-10型厚度计（北京化工机修厂生产）。
2.4 传动介质对密封材料性能影响的实验方法
按煤炭行业标准MT76-2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》配制成浓度为5%的液压支架传动介质稀释液，并分别标记为1#-A浓缩液稀释液与2#-B乳化液，配液用水为蒸馏水。
丁腈橡胶试样质量、尺寸、硬度、拉伸性能、抽出物测定等性能的变化率实验方法依据GB/T1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》。
丁腈橡胶试样撕裂性能变化率的实验方法依据GB/T529-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》。
丁腈橡胶试样压缩永久变形变化的实验方法依据GB/T7759-1996《硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定》。
2.5 通用试验程序
将试样浸入盛有试验液体的磨口瓶中，并将装置放入已达到温度为40 ℃的恒温箱中。对于全浸试验，试样应距离容器内壁不少于5 mm，距容器底部和液体表面不少于10 mm。每组测试需用3个试样，分别间隔1天、3天、7天取样。试样分别标记为1#-1D、1#-3D、1#-7D、2#-1D、2#-3D、2#-7D。
在浸泡试验结束后，从恒温箱中取出试验装置，用滤纸擦去试样表面的黏性不挥发液体，在标准实验室温度下调节
30 min，进行相关测量。
2.6 测量数据
2.6.1 试样质量的变化
质量变化百分率为：
Δm100=（mi-m0）/m0×100%。
式中：m0为浸泡前试样在空气中的质量，单位为克（g）;
mi为浸泡后试样在空气中的质量，单位为克（g）。
2.6.2 试样尺寸的变化
长度变化百分率为：
Δl100=（li-l0）/l0×100%。
式中：l0为试样的初始长度，单位为（mm）;
li为试样浸泡后的长度，单位为（mm）。
宽度k和厚度h变化百分率计算公式与长度相同。
2.6.3 拉伸性能的变化
拉伸性能变化百分率：
（ΔX100）ΔX100=（Xi-X0）/ X0×100%
式中：X0为试样浸泡前的拉伸性能值;
Xi为试样浸泡后的拉伸性能值。
拉伸性能包括试样初始横截面积计算拉伸强度TS、拉断伸长率E和100%定伸应力T。
2.6.4 测定抽出物的变化
将浸泡后的试样在一个绝对大气压约20 kPa，温度为40 ℃的试验箱中干燥至恒重，即每隔30 min将试样称重一次，直至连续两次称量之差小于1 mg为止。
抽出物质的量以试样经浸泡并干燥后的质量与试样初始质量之差占试样初始质量的百分率表示。
2.6.5 撕裂性能
撕裂强度变化百分率：
（ΔT）ΔT=（Ti- T0）/ T0×100%
式中：
T0为试样浸泡前的撕裂强度;
Ti为试样浸泡后的撕裂强度，单位为千牛每米（kN/m）。
2.6.6 压缩永久变形
压缩永久变形：
C（%）=[（h0-h1）/（ho-hs）]×100%。
式中：
C为压缩变形;
h0为试验前试样厚度，mm;
hs为限制器的高度，mm;
h1为试样恢复后的厚度，mm。
3 结果分析
3.1 质量变化
浸泡前后试样质量的变化不仅反映出传动介质对丁腈橡胶的溶胀性能，同时说明丁腈橡胶在不同传动介质中的老化速率。丁腈橡胶在1#-A浓缩液稀释液与2#-B乳化液中分别浸泡不同天数后的质量率变化，如图1所示。
由图中可以看出，在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的质量变化率都大，说明2#-B乳化液浸入橡胶较多，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下的质量稳定。
3.2 尺寸变化
浸泡后试样尺寸的变化不仅反映出传动介质与橡胶的互溶性能，同时说明了橡胶制品的抗老化性能。浸泡前后试样尺寸变化，见表1。
在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的长度、宽度、厚度变化率都大，说明2#-B乳化液影响橡胶较多，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下的尺寸稳定。
3.3 拉伸性能变化
浸泡前后试样拉伸性能变化，见表3。
在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的拉伸强度（TS）、100%定伸应力（T）、拉断伸长率（E）变化率都大，说明2#-B乳化液的浸入对丁腈橡胶弹性网络的影响更大，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。
3.4 撕裂性能变化
在橡胶工业在与试样主轴平行的方向上，撕裂试片所需的最大力除以试片的厚度，单位为kN/m。它是橡胶所具备的一项重要物理性能指标。本实验选用直角撕裂强度进行浸泡前后对比试验。
浸泡前后试样撕裂性能变化，见表4。
在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液的试样撕裂强度变化率大，说明2#-B乳化液的浸入对丁腈橡胶抗撕裂性能的影响更大，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。
3.5 抽出物的变化
试样中抽出物的多少决定了浸泡式样所浸入的液体数量，会严重影响丁腈橡胶密封件在现场的使用。浸泡前后试样抽出物比例，如图2所示。在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的抽出物比例大，说明2#-B乳化液不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。
3.6 压缩永久变形
压缩永久变形是橡胶制品的重要指标之一，硫化橡胶压缩永久变形的大小，涉及到硫化橡胶的弹性与恢复。
首先测定试样的原始高度，选择8 mm的限制器，然后把试样和限制器放于夹具中，均匀地压缩到规定的高度。压缩时，试样、限制器不能互相接触。将夹具放入烘箱中，升至100 ℃时开始计时。24 h后，从烘箱中取出夹具，在室温下冷却2 h，然后打开夹具，取出试样，在自由状态下停放1 h，测量试样压缩后的恢复高度。
浸泡前后试样压缩永久变形的实验数据，见表5。
在浸泡1#-A浓缩液稀释液的3组试样中，随着浸泡天数的增加，压缩永久变形与未浸泡试样相比变化不大，即使浸泡7天，压缩永久变形仅为6.1%（未浸泡的为5.5%），说明1#-A浓缩液稀释液对丁腈橡胶性能影响较小，不会破坏橡胶网络的弹性恢复。
在浸泡2#-B乳化液的3组试样中，随着浸泡天数的增加，压缩永久变形与未浸泡试样相比变化较大，为别为11.0%、19.5%、21.7%（未浸泡的为5.5%），说明2#-B乳化液对丁腈橡胶的弹性恢复影响较大，2#-B乳化液渗入到橡胶网络结构中，导致其弹性恢复能力明显降低。
4 结 语
将同样配方的丁腈橡胶分别浸泡在质量百分数为5%的A浓缩液稀释液与B乳化液相同的时间，经过B乳化液浸泡的丁腈橡胶质量、尺寸、硬度、拉伸性能、撕裂性能、抽出物比例、压缩永久变形与在A浓缩液稀释液浸泡的丁腈橡胶相比变化率更大，结果表明就浓缩液与乳化油两种传动介质，丁腈橡胶密封件更适合在浓缩液稀释液中长期使用。
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橡胶混凝土性能研究 篇6
1 橡胶沥青混凝土的主要性能
1.1 高温性能
利用软化点和动态剪切流变实验测定的比值G/sinδ, 对橡胶沥青的高温性能进行评估后发现, 基质沥青粘结剂软化点要明显低于橡胶沥青, 并且普通沥青和高分子聚合物改性沥青的指标也明显低于橡胶沥青。这说明, 在沥青中掺入适量橡胶, 能够有效提高沥青粘结剂的高温性能。G/sinδ利用静态荷载和反复荷载下的车辙实验以及蠕变实验, 对橡胶沥青混凝土的高温性能进行评估后发现, 普通沥青混凝土的静态和动态永久变形均大于橡胶沥青混凝土, 并且橡胶沥青混凝土还具备较强的长期抗车辙性能。
1.2 低温性能
利用低温下的蠕变劲度模量以及弯曲梁流变仪试验, 对橡胶沥青粘结剂的低温性能进行评估后发现, 高温状态下橡胶沥青比普通沥青硬, 而低温状态下橡胶沥青却比普通沥青软, 这说明橡胶沥青对温度变化的敏感性较低。同时, 在低温劲度指标上, 橡胶沥青粘结剂小于基质沥青, 并通过采取一些措施可以达到调节橡胶沥青高温低温性能的目的。利用低温直接拉伸试验以及间接拉伸试验, 对橡胶沥青混凝土的低温性能进行评估后发现, 在低温状态下, 橡胶沥青混凝土以其自身具备的良好粘弹性变形, 可有效吸收收缩应力, 相比较普通沥青混凝土而言, 橡胶沥青混凝土拥有良好的低温抗开裂性能。
1.3 抗疲劳性能
利用常温下粘结剂的弹性恢复能力以及动态剪切流变仪试验获取的G/sinδ指标, 对橡胶沥青粘结剂的抗疲劳性能进行评估后发现, 基质沥青粘结剂的G/sinδ指标明显高于橡胶沥青粘结剂, 这说明橡胶沥青不易产生疲劳裂缝。同时, 根据回弹恢复系数的分析结果表明, 普通沥青没有回弹性, 而橡胶沥青具备较好的弹性。通过在实际铺筑路面上进行轮胎的模拟加载实验, 对橡胶沥青混凝土的抗疲劳性能进行评估后表明, 相比较普通密级配沥青混凝土而言, 橡胶沥青混凝土具备更好的抗疲劳性能。形成这一性能优势的主要原因在于, 由于橡胶沥青粘结剂本身具备良好的抗疲劳性能, 增加了沥青膜厚度, 从而使得橡胶沥青混凝土具备优异的抗疲劳性能。
2 冲击荷载作用下橡胶沥青混凝土的动态力学性能研究
2.1 试验装置
本文采用的试验装置为分离式Hopkison压杆装置, 简称SHPB, 该装置是目前研究工程材料动力性能的基本试验装置。由于SHPB技术具有结构简单、便于操作, 能够准确测试出材料的动力性能等优点, 从而被广泛应用于工程材料的动态力学性能研究中, 金属、岩石以及混凝土等材料均可采用SHPB装置进行动力性能试验。
2.2 冲击试验环境
设定试验温度。由于橡胶沥青混凝土材料的工作环境涉及不同的季节, 为此, 决定选取25摄氏度作为常规温度环境, 同时选取零下20摄氏度作为冬季的代表温度, 选取60摄氏度作为夏季最高温度。在每次冲击荷载试验之前, 都先将混凝土试件养护到上述几个温度, 然后再进行冲击压缩试验。
2.3 橡胶沥青混凝土的动态力学性能分析
(1) 混凝土试件的破损状态。本次试验分别对沥青混凝土试件进行了三个温度和三个应变率的冲击荷载试验, 通过试验结果可知, 温度对沥青混凝土的破坏模式有一定程度的影响, 当温度为零下20摄氏度时, 在应变率逐渐增大的前提下, 沥青混凝土试件出现不同程度的破裂;当温度为60摄氏度时, 且随着应变率的增大, 试件出现程度不一的塑性变形;当温度为25摄氏度时, 试件的实际情况介于两者之间。通过对比后发现, 应变率对沥青混凝土的破坏也有着一定影响, 从实际破坏情况上看, 与普通沥青混凝土相比, 橡胶沥青混凝土的柔韧性显著提高, 脆性块裂的情况大幅度减少, 其中以橡胶掺入量为20%的沥青混凝土块裂最少。
(2) 强度与韧性指标分析。评定某种工程材料动态力学性能优劣的主要指标是动力强度与冲击韧性。本次试验借助MTB计算软件对曲线进行拟合, 进而获得曲线中的最大应力值, 并利用曲线函数微积分得出应力面积, 即材料的冲击韧性值, 通过试验可知, 温度对沥青混凝土的动力强度有着非常显著的影响, 这也充分证明了沥青混凝土在寒冷的冬季中容易碎裂, 夏季高温会融化的现象, 而在常温状态下其最不容易出现破损。当加入橡胶之后, 沥青混凝土的动力强度会大幅度提高, 并且橡胶的实际掺入量对动力强度的影响不大;沥青混凝土的冲击韧性主要与应变率和温度有关, 加入橡胶之后, 会进一步提高沥青混凝土的冲击韧性, 其程度主要与温度和应变率有关, 橡胶掺入量的多少对冲击韧性的影响较小。
3 结果与讨论
3.1 增强增韧机理。
通过对比橡胶沥青混凝土与基质沥青混凝土的冲击韧性和动力强度后发现, 橡胶沥青混凝土具备良好的抗冲击性能。这说明在沥青中适当掺入橡胶, 能够通过改善沥青混凝土的内部结构, 以此有效增加沥青混凝土的抗冲击性能。在沥青混凝土内部结构中, 重点改善了胶浆体系的空间网状整体性和内聚力, 具体表现为:基质沥青在与掺入的橡胶屑产生溶胀反应之后, 增加了沥青的粘稠度和硬度。而将这种橡胶沥青用于制备沥青混凝土后, 能够明显增强沥青混凝土的内部聚合力, 这种内部聚合力能够抵抗冲击荷载, 进而发挥较强的阻裂作用;将高含量的橡胶沥青粘结剂用于沥青混凝土, 能够加大沥青膜的厚度, 增强沥青混凝土胶浆网膜结构的整体性构架的稳定性, 即使在遭遇强烈冲击荷载作用时, 也能够使其结构整体性不发生变化。
3.2 橡胶的最佳掺入量。
试验表明, 当掺入到沥青混凝土当中的橡胶较少时, 改性沥青的粘度和粘结力都相对较差, 材料抗冲击荷载的能力也偏低;当掺入的橡胶比较多时, 改性沥青的粘度和粘结力都会有所提高, 但是由于橡胶颗粒过多, 会导致粘结剂松散, 这样可会使材料抗冲击荷载的能力偏低。为了提高材料的抗冲击荷载能力, 必须找到一个最佳的橡胶掺入量, 通过本文的研究可知, 这个量约为沥青质量的20%。
4 结束语
综上所述, 本文采用冲击荷载试验对橡胶沥青混凝土的动态力学性能进行初步研究, 试验结果显示, 在沥青混凝土中掺入适量的橡胶颗粒, 不但能够使混凝土本身的柔韧性获得极大程度地改善, 而且沥青混凝土的强度也大幅度提升, 这充分说明橡胶沥青混凝土要比普通沥青混凝土更具工程应用价值。
摘要：本文以冲击荷载作用为切入点, 对橡胶沥青混凝土在动态工作环境下的性能进行研究, 为完善沥青混凝土材料的设计与使用提供重要参考依据。
关键词：冲击荷载,橡胶沥青,沥青混凝土,动态力学性能
参考文献
[1]张金喜.废橡胶作为弹性沥青混凝土路面材料的实验研究[J].建筑材料学报.2010 (4) .
橡胶混凝土性能研究 篇7
随着高强混凝土的诞生,建筑结构的高度有了很大提升,但是试验研究证明,高强混凝土不但脆性高而且极易开裂[1]。 为解决混凝土易开裂的性能不同学者提出了不同的解决方法,于是高抗裂也应运而生[2],高抗裂混凝土主要是在混凝土中添加膨胀剂和纤维,膨胀剂用于补偿混凝土收缩[3],纤维用于阻止混凝土开裂[4],且纤维能够弥补膨胀剂在混凝土前期硬化过程中的不足。 经过十几年的研究发现,橡胶集料混凝土具有良好的抗裂性[5],因此,橡胶集料膨胀混凝土应该具有高抗开裂性。 本文用橡胶集料替代高抗裂混凝土中的纤维,研究橡胶集料膨胀混凝土的开裂性能。 此外,研究发现橡胶的掺入减小了混凝土的强度[6],而膨胀剂对橡胶混凝土强度的影响还少有人研究, 本文利用外加膨胀剂研究了双掺膨胀剂和橡胶后混凝土的力学性能。
1原材料与试验方法
1.1试验原材料
橡胶颗粒选用天津某橡胶厂生产的粒径2~4mm、平均粒径3mm的橡胶;水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥;细骨料为细度模数2.5的中砂;粗骨料为粒径5~25mm的碎石;水为普通自来水;膨胀剂为北京某公司生产的UEA-6型混凝土膨胀剂减水剂采用聚羧酸高效减水剂,减水率为25%。
1.2试验配合比
在测定橡胶膨胀混凝土的抗裂性能时,由于混凝土的开裂性能与砂浆的开裂性能具有一定的相似性,因此采用砂浆为研究对象。 本文分别研究普通砂浆、5%膨胀剂掺量的砂浆(其中膨胀剂等质量取代水泥)、5%、10%、15%橡胶掺量的砂浆(其中橡胶等体积取代砂) 和5%膨胀剂分别与5%、10% 15%橡胶双掺砂浆的开裂性能,其中普通砂浆中水水泥:砂=1:2:3,具体配合比见表1。
在测定掺入膨胀剂后的橡胶混凝土强度时,采用4组对比试验,配合比见表2,分别对比以上4组配合比7d、28d的抗压强度和抗折强度。
2试验方法
2.1砂浆抗裂性试验
在测量砂浆开裂时间的试验中,本文采用了天津大学朱涵教授提出的外方内圆偏心约束法进行测量[7],这种方法能预先知道开裂位置,便于裂缝的观察,并且由于其偏心作用,试件的开裂时间缩短, 减少了试验的周期。 模具形状与尺寸见图1,其内部约束为扁钢圆柱,外框和底座均为有机玻璃。
kg/m3
注:PM为普通砂浆,EA为掺加膨胀剂的砂浆,RM为掺加橡胶的砂浆。
kg/m3
注:PC为普通混凝土,RC为橡胶集料掺量为5%的橡胶混凝土,RC+EA为橡胶集料和膨胀剂含量分别为5%的橡胶集料膨胀混凝土,EA为膨胀剂掺量为5%的膨胀混凝土。
此外,本试验在记录开裂时间时运用了自动检测技术,自动检测装置如图2所示。 由于事先知道试件的开裂位置,在开裂位置附近涂一层薄导电性粘附材料,然后利用导线将其与闹钟连成闭合的通路,如果试件开裂,则闹钟停止,这样就能较准确地记录开裂时间。
本试验共有8种不同的配合比, 每种配合比个试件,砂浆浇入试模后开始记录时间,试验记录第一个试件的开裂时间和前4个试件开裂的平均开裂时间, 所有试件均在相同的养护条件下养护每组试件连续观察30d。
2.2橡胶膨胀混凝土抗压抗折强度测定
(1)立方体抗压强度和抗折强度试验方法参照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准 》 进行, 抗压试样尺寸为100mm×100mm× 100mm,试验结构需乘以尺寸折减系数0.95。
(2) 抗折试样尺寸为100mm ×100mm ×400mm尺寸折减系数0.85,1d后拆模,在温度(20±2)℃,相对湿度(55±2)%的养护室中水中养护。 根据要求测定了每种配合比7d、28d的抗折强度。 抗折强度试验装置如图3。
(3)抗折强度的计算结果按下式计算: 若试件断裂位置位于中间100mm范围内,则试件的抗折强度为公式(1):
式中:ff—混凝土抗折强度,MPa;
P—试件破坏时的荷载,N;
L—支座间距,mm;
b、h—试件的宽度和高度,mm。
3试验结果与分析
3.1砂浆抗裂性试验
不同砂浆的开裂时间见表3。
由表3可知,膨胀剂和橡胶的掺入均能延缓砂浆的开裂时间。 其中膨胀剂在抗裂性方面表现优越,单掺膨胀剂时,砂浆开裂时间大为延缓,此次试验中,EA组开裂时间比PM组提高了约3倍;由RM组可看出,橡胶的加入也延缓了砂浆的开裂,且砂浆的开裂时间随橡胶掺量的增多而延长;由RM+ EA组可看出, 双掺橡胶和膨胀剂后双重提高了砂浆的抗裂性,且可以看出加入膨胀剂后,更好地发挥了橡胶的性能, RM+EA组的砂浆试块相对于RM组的砂浆试块, 不论是初裂时间还是平均开裂时间均随着橡胶掺量的增多而提高更多,其开裂时间比单掺EA砂浆要晚上数日。 综上所述,掺加不同外加剂的砂浆开裂性能由优到劣依次是:橡胶集料膨胀砂浆、膨胀剂砂浆、橡胶集料砂浆和普通砂浆。
引起砂浆和混凝土开裂的两个主要因素是收缩和脆性,因此,要想提高砂浆和混凝土的抗裂性, 就要引入消减这两个因素的抗裂组分。 膨胀剂是目前应用较多的抗裂组分, 掺入适当掺量的膨胀剂, 能够补偿砂浆前期由于各种原因产生的收缩,减少收缩应力,延缓砂浆的开裂。 橡胶颗粒是柔性材料, 加入到砂浆中后,砂浆脆性降低,并且增加了砂浆的变形能力,减少了砂浆内部和表面裂隙的数量和尺度,能够起到阻裂的效果。 另外,砂浆发生早期塑性收缩时, 膨胀剂极大地改善了砂浆的孔隙结构, 降低了孔隙的数量,使砂浆变得更密实,减少了砂浆塑性收缩的发展速率。 双掺膨胀剂和橡胶后,从收缩和脆性两方面对砂浆的开裂进行抑制,提高了砂浆的抗裂性。
3.2橡胶膨胀混凝土抗压抗折强度
橡胶膨胀混凝土的抗压抗折强度试验结果见表4。 试验结果显示:1对比PC与RC可知,橡胶的掺入降低了混凝土的抗压和抗折强度,7d强度分别减少了22%和13%,28d强度分别减少了29%和19%,抗折强度的减少率小于抗压强度的减少率。 2对比PC与EA,单掺膨胀剂增加了混凝土的抗压和抗折强度,但影响不大(7d分别增加了7%和10%, 28d分别增加了5%和8%)。 3对比RC与RC+EA, 双掺橡胶和膨胀剂,相对于橡胶混凝土,抗压和抗折强度都有了一定程度的提高(7d分别增加了18% 和5%,28d分别增加了12%和14%)。 可以看出,膨胀剂的加入在前期对抗压强度影响较大,后期对抗折强度影响较大。 4试验结果也较好反映了压折比的变化。 掺入橡胶和膨胀剂都能减小压折比,但总体来看,膨胀剂对压折比的影响较小,主要还是橡胶的作用。 压折比的减小说明混凝土的脆性降低从某种意义上说,橡胶和膨胀剂的加入提高了混凝土的抗折强度,从而提高了混凝土的抗裂性能。
膨胀剂的一个重要功能是补偿收缩,膨胀剂的掺入使混凝土在养护期间收缩减少,从而使混凝土由于早期收缩而产生的微裂缝减少; 且加入橡胶后,橡胶对混凝土有一定程度的引气作用,橡胶混凝土的孔隙率大于普通混凝土, 加入膨胀剂后,膨胀剂水化后的膨胀组分能够填充混凝土的孔隙,这更能发挥膨胀剂的填充作用,使橡胶混凝土更加密实[8];由于膨胀剂是采用外加法掺入,水化后的产物能提供强度,相当于减少了水灰比。 因此,加入适量膨胀剂后混凝土的强度有一定程度的提高。
4结论
(1)在砂浆中加入膨胀剂和橡胶能提高混凝土的抗裂性,两者复掺优于单掺膨胀剂砂浆、橡胶集料砂浆和普通砂浆。
橡胶混凝土性能研究 篇8
关键词：改性橡胶混凝土,物理力学性能,研究
随着社会经济水平的不断提高, 人们对汽车的需求量逐渐加大, 虽然促进了汽车行业的迅猛发展, 但也产生了大量的废弃橡胶轮胎。橡胶不易降解, 埋在地下会污染环境, 焚烧又会产生大量的污染气体, 那么怎样处理这些废弃的橡胶, 实现资源的循环利用是值得探讨的问题。将橡胶和混凝土结合在一起, 合理的利用废弃的橡胶无疑是非常科学有效的方法。对改性橡胶混凝土的物理力学性能的探究就变得意义重大[1]。
1 改性方式对橡胶混凝土力学性能的影响
橡胶混凝土是一种新型的复合材料, 制作过程非常简单, 把废旧的橡胶制成不同粒径掺入到一般的混凝土中即可。其生产提高了混凝土的综合性能, 又将废旧橡胶进行了循环利用, 节约了橡胶资源, 减轻对环境的污染。橡胶混凝土与普通的混凝土相比, 具有韧性高、抗冲击性强、抗压性强等特点, 但是也有不足之处便是其强度不如一般混凝土。为了避免橡胶混凝土的强度降低, 学者们通过实践研究, 得出了改性方式不同对橡胶混凝土力学性能影响就不同的结论。
2 橡胶混凝土的性能特点
2.1 橡胶混凝土的抗裂性
经过相关实践探究表明:掺入橡胶颗粒的混凝土比之原先的混凝土, 橡胶混凝土的开裂时间明显有所延迟, 实践也表明普通的混凝土试件在此过程中的破坏形式为脆性破坏, 而掺杂有橡胶颗粒的混凝土却是产生的形变, 呈现的是延性破坏, 普通的混凝土试件在破坏前没有预兆, 但是掺入橡胶颗粒的混凝土试件在破坏前有明显的变化。所以掺入橡胶颗粒的混凝土延展性和韧性都有所提高, 抗裂性比普通的混凝土要强。
2.2 橡胶混凝土的抗折强度
掺入橡胶颗粒的混凝土比之原先的混凝土抗折强度有明显的提高。一方面的原因是由橡胶本身的性质决定的, 橡胶的弹性模量比混凝土的橡胶模量要低, 在产生形变时橡胶颗粒承受的压力要比其它颗粒承受的压力小, 导致应力集中。但是降低的幅度并不是受橡胶颗粒掺入量的多少影响, 橡胶颗粒掺入的量直接影响了混凝土的抗折性, 加入橡胶颗粒能够很好的提高混凝土的抗折能力。
2.3 橡胶混凝土的抗冲击能力
大多数的实践研究表明, 加入了橡胶粉的混凝土的抗冲击能力比普通混凝土强, 在混凝土中加入橡胶粉填入混凝土的缝隙中, 增加了混凝土的密度, 并且在水泥的混合下形成了具有一定强度的变形中心, 可以制约裂缝的产生和发展。增加混凝土的热韧性, 降低混凝土的刚性, 在混凝土受到冲击时, 能够吸收震动力, 减少冲击的作用力。增强了混凝土的抗冲击能力[2]。
2.4 橡胶混凝土的氯离子渗透性
氯离子在混凝土中的迁移方式有三种, 毛细吸附、渗透和扩散。一般情况下氯离子的扩散是最主要的迁移方式。混凝土的孔隙率和其对氯离子的固化能力, 影响着混凝土对氯离子的扩散阻碍能力。橡胶集料的掺入能提高混凝土的氯离子渗透性。
3 改性混凝土的物理学力学性能实践研究
3.1 实验材料
水泥采用广州石井水泥公司生产的P·O42.5R水泥;细集料采用普通河砂;粗集料为5~30㎜连续级配碎石;采用浙江绿环橡胶粉体工程有限公司生产的橡胶颗粒, 粒径分别为5~8目 (4~2.36㎜, 1级) , 8~12目 (2.36~1.4㎜, 2级) , 12~16目 (1.4~1㎜, 3级) , 40目 (0.38㎜, 4级) , 减水剂是广东江门强力建材有限公司生产的强力牌萘系高效减水剂, 改性剂为常用的镁水泥外加剂。
3.2 试验方法
依据普通混凝土的试验方法, 以普通水泥的配比为基准, 将橡胶颗粒按等体积代替砂的方式掺入。基准混凝土 (C35) 的配比为m (水泥) :m (砂) :m (石) :m (水) :m (减水剂) =1:1.74:3.11:0.55:0.0055, 基准橡胶混凝土的配比与基准混凝土一致, 其中的橡胶颗粒掺量按替代35%体积的砂子后换算得出, 配比为1:1.21:3.09:0.23:0.55:0.0055, 改性橡胶混凝土的配比和基准橡胶混凝土相一致, 在具有流动性的情况下采用0.45的水灰比, 测试内容有:橡胶混凝土的变形的性能和抗压强度、抗折强度。抗折、抗压强度的测试可以参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》来进行。抗压试件尺寸为100㎜*100㎜*100㎜, 修正系数为0.95。抗折试件的尺寸为100㎜*100㎜*515㎜, 采用四点加载, 支座之间的距离为450修正系数为0.75。变形性能的测定过程可以通过测定混凝土小梁试件受弯的荷载来完成。试件尺寸和加载位置与抗折试件一样, 运用位移控制, 加载速度为0.1㎜/min。
3.3 试验结果及讨论
橡胶颗粒和水泥基材的粘结界面是橡胶混凝土最脆弱的地方, 要提高橡胶混凝土的强度, 就需要用改性剂对橡胶颗粒的表面进行处理[3]。
3.3.1 橡胶掺量的影响
橡胶粒度为1级掺量分别为15%, 30%, 45%, 60%, 改性剂的用量为橡胶的2.3%, 参照相关的成型试件, 可以测定其表观密度、和强度以及坍落度, 通过实验可知, 橡胶混凝土的表观密度与橡胶颗粒的掺量成反比例关系, 用改性剂处理并减水20%后, 表观密度有少许增大;另外橡胶掺量和混凝土的坍落度关系不大, 但是经过改性剂处理并减水20%后, 混凝土的坍塌度明显有了变化, 与之前的180㎜略小为150㎜。橡胶掺量与混凝土的抗折、抗压强度呈反比例关系, 抗折、抗压强的都随着掺量的增大而减小, 抗折强度的下降幅度明显小于抗压强度, 经由改性剂的处理后, 橡胶混凝土的抗压、抗折强度明显增大。
3.3.2 橡胶粒径的影响
试验选用了4种粒径的橡胶, 粒度分别是1, 2, 3, 4级, 以及根据砂的颗粒配比结果配置的橡胶, 基准混凝土强度为C30, 橡胶掺量为30%, 用改性剂处理后, 其用量为水泥质量的0.5%。
在实验中, 采用1、2级橡胶配置的混凝土密度高, 改性处理后表观密度继续提高;用3、4级细橡胶配置的混凝土表观密度不如前者, 尤其是改性后, 表观密度不增反降, 造成这一现象的原因与橡胶自身的性质有关, 橡胶是弹性材料, 在受力的过程中会产生形变, 周围的水泥基材不够密实, 橡胶颗粒越细表面积反而越大, 使得成型后的橡胶混凝土更加稀松。因此, 经过改性后1、2级的橡胶混凝土强度和抗折度比之前都有提高。3、4级橡胶混凝土强度几乎没有提高, 抗折强度较之前没有任何变化。
3.3橡胶混凝土的变形能力
橡胶混凝土的变形测试结果由下图表1可知。基准混凝土的强度为C35, 橡胶粒度为1级, 掺量为30%, 改性剂是水泥质量的0.5%。由表1可知, 在外荷载的作用下, 混凝土在开裂前, 随着荷载的增加, 混凝土试件挠度曲线也呈线性增加[4]。并且橡胶混凝土、改性橡胶混凝土以及普通的橡胶混凝土曲线上升阶段斜率都不一样, 掺入橡胶的混凝土曲线上升段斜率比普通混凝土小, 进行改性处理后, 虽然上升段斜率有增大, 但是仍然不及普通的混凝土。
混凝土开裂后, 3种混凝土试件开裂时的挠度曲线基本保持一致, 但是较之普通混凝土, 橡胶混凝土的韧性呈下降趋势, 究其原因是掺入橡胶后混凝土的强度不如之前。但是也可以看到改性后的橡胶混凝土韧性明显比之前有提高, 虽然和普通的混凝土相比提高的百分比不是很高, 但是和未改性的橡胶混凝土比较提高的幅度相对较大。从实验过程来看, 改性橡胶混凝土开裂后的曲线下降的幅度不多, 速度也比较缓慢, 能够承受的荷载大于普通的混凝土, 其曲线的上方为呈下降趋势, 所以在相同荷载的情况下其产生的形变最大。
3.4 改性剂对橡胶混凝土性能作用的分析
笔者指出, 改性剂中的成分可以和无机材料相结合, 其有机基团会在水泥石的作用下产生化学反应或物理结合, 将水泥石和集料联系起来, 改善界面的粘结性能。由于本文主要研究的是改性相加颗粒和水泥之间的粘结界面, 采用的改性剂对有机材料表面有较强的亲和力, 所以得出研究中采用的改性剂中一端能够与橡胶颗粒结合, 另一端有可能与水泥石产生化学或物理的结合, 使得橡胶颗粒和水泥石之间的界面粘结性加强, 改善橡胶混凝土力学性状的结论[5]。因而改性剂的改性作用既能够加强界面的粘结, 又能润滑橡胶颗粒。
4 结束语
本文通过对改性橡胶混凝土物理力学性能的分析研究, 得出了改性后的橡胶混凝土在橡胶粒径和掺量的作用下, 较之普通的混凝土其抗折性、抗压性, 韧性及变形性能都有了明显的强化。由此可见改性橡胶混凝土的实用性比普通混凝土要高, 可将改性橡胶混凝土大量的运用到工程项目中, 既能发挥改性橡胶的本职作用, 又能节约资源, 实现橡胶资源的可持续发展。
参考文献
[1]李庆来, 王美华, 陈龙珠等.乳化沥青改性橡胶混凝土试验研究[J].混凝土, 2014 (03) .
[2]朱江, 李旭东, 张东升.不同分布的钢纤维改性橡胶混凝土性能研究[J].混凝土, 2013 (03) .
[3]曾梦澜, 黄海龙, 彭良清等.冲击荷载下橡胶改性沥青混凝土的动力学性质[J].湖南大学学报 (自然科学版) , 2011, 38 (12) .
[4]杨长辉, 刘保全, 郑亚楠.橡胶颗粒改性对橡胶集料混凝土强度的影响[J].材料导报, 2013, 27 (24) .
橡胶混凝土性能研究 篇9
关键词：橡胶混凝土,预处理,力学性能,微观形貌
随着我国汽车工业的快速发展, 汽车总数的急剧增多, 废旧汽车轮胎的处理成为人们日益关注的课题。直接焚烧、填埋废旧汽车轮胎会造成严重的环境污染, 因此将其回收利用已成为处理废旧轮胎的重要途径。目前, 废旧轮胎橡胶的回收利用主要包括:旧橡胶翻新, 生产再生胶和生产胶粉等三种方式, 但这些方式总体利用率比较有限[1]。据报道我国每年产生的废旧橡胶近5000千吨, 回收利用率仅在50%左右[2], 如何高效利用废旧橡胶是当前亟待解决的环境问题。
已经有研究指出在水泥基材料中加入胶粉是一种新的处理废旧橡胶的途径, 橡胶集料的掺入也能起到改善混凝土脆性, 起到减震、隔音和保温等作用[3~5]。但掺入橡胶会导致混凝土强度下降的问题[6~7]。对于这强度下降的现象的一个解释是:橡胶与水泥浆体的粘结能力差, 因为憎水性的橡胶集料与水泥石之间的粘接为二者的薄弱环节[8~9]。为改善橡胶混凝土的硬化性能, 常对橡胶集料进行预处理, 常用的预处理方式包括, Na OH溶液处理, 偶联剂处理及胶乳处理等[10~14], 其目的均在提高橡胶集料与水泥石基体之间的粘结。
本文主要利用酸性KMn O4的强氧化性, 研究KMn O4溶液预处理和Na OH溶液预处理对对混凝土性能的影响。主要研究内容包括:抗压强度、抗拉强度、静弹性模量。并用SEM测试观察预处理方式对橡胶集料表面的影响, 试图探究预处理方式对橡胶混凝土硬化性能的影响原因。
1 实验
1.1 原材料
水泥:英德台泥厂生产的P·O42.5R水泥;粉煤灰采用深圳妈湾电厂Ⅱ级粉煤灰, 水泥和粉煤灰的主要化学成分见表1:
细集料:细度模数为2.7的二区天然中砂。粗集料:5~20mm连续级配石灰石碎石。橡胶集料:重庆圣略建材有限公司生产, 表观密度1.15g/cm3, 粒径1.5~4.5mm。水:普通自来水。减水剂:深圳市迈地有限公司, 聚羧酸减水剂, 减水率23%, 固含量0.15。Na OH, KMn O4和HNO3为分析纯。
1.2 混凝土配合
本文主要参数包括:橡胶预处理方式 (未处理、Na OH预处理, 酸性KMn O4溶液处理) ;橡胶掺量 (等体积取代细集料, 取代率分别为0、10%、20%和30%) , 具体混凝土配合比见表2。
1.3 实验方法
氢氧化钠预处理:将橡胶颗粒用质量分数5%Na OH溶液浸泡24h后过滤, 然后用足够量的自来水清洗橡胶粒表面, 在60℃下烘干, 封装待用。酸性高锰酸钾改性:配置高锰酸钾质量分数为1%、硝酸为2%的酸性高锰酸钾溶液, 将橡胶颗粒放入该溶液中浸泡24h, 过滤清洗干净后在65℃下烘干, 封装待用。
拌制橡胶集料混凝土时, 将橡胶集料做为集料的一部分与集料同时加入搅拌仪器中, 然后按照GB/T50080-2011《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》规定的方法拌合成型。试件成型后自然养护1d拆模, 之后放入标准养护室养护至规定龄期。抗压强度、抗折强度和弹性模量的试验方法参照GB/T 50081-2011《普通混凝土力学性能实验方法标准》。
将不同预处理所得橡胶颗粒放在通风透气的房间中晾干, 挑选表面平整的橡胶颗粒用橡皮泥定于平板上, 并用针管在橡胶颗粒表面滴加水滴, 然后将处理好的试样放置于润湿性测试仪中, 在20℃的环境中用数码相机拍照, 将拍摄的照片用Drop Shape Analysis软件分析接触角角度值。
2 结果与讨论
2.1 抗压强度
橡胶预处理方式对混凝土28d抗压强度的影响见图1, 由图1可知, 橡胶混凝土的抗压强度总的变化趋势随着橡胶的掺入而降低, 橡胶的预处理方式对混凝土抗压强度有一定的改善作用, 其中酸性KMn O4预处理方式对抗压强度的改善效果优于Na OH预处理的效果。如当橡胶取代率为30%时, 掺Na OH处理的橡胶集料的混凝土28天抗压强度比掺未处理的提高5.2%, 而掺酸性KMn O4预处理的橡胶其28d抗压强度比掺未处理的提高12.0%。
橡胶混凝土抗压强度降低的一个重要原因是憎水性的橡胶与水泥石的粘结能力较弱, 而导致他们粘结能力较弱的一个因素是在橡胶生产中, 需引入硬脂酸锌作为润滑剂、防粘剂、硫化催媒的活化剂等, 硬脂酸锌能降低橡胶集料与水泥石的粘结效果。酸性高锰酸钾溶液主要是将橡胶颗粒表面的亲水性较差的活性基团氧化为亲水性较好的基团增强了橡胶表面的极性, 这不仅增大了橡胶集料与水泥基体的相容性还降低了橡胶颗粒的引气作用, 最终改善橡胶集料混凝土的抗压强度。
2.2 抗折强度
图2为橡胶预处理方式对混凝土28天抗折强度影响。由图可以看出, 随着橡胶掺量的增加, 混凝土的抗折强度呈降低趋势;但在相同条件下, 掺预处理橡胶颗粒的混凝土, 其抗折强度均有不同程度的提高。如掺加Na OH处理的橡胶颗粒的混凝土28d抗折强度在10%, 20%和30%的取代量时, 较掺加未处理橡胶颗粒混凝土的分别提高了11.9%, 19.1%和20.7%;掺酸性KMn O4溶液处理橡胶颗粒的28天抗折强度, 在各取代率下, 较未预处理的分别提高了14.7%, 19.7%和17.8%。实验结果表明:预处理方式对混凝土抗折强度有提高作用, 水洗的增强效果要优于Na OH的处理效果。
橡胶颗粒经Na OH处理后亲水性提高, 其与水泥石之间的粘接强度升高, 因此混凝土的抗折强度有所提高。结果表明:Na OH预处理方式对混凝土抗折强度有增强作用, 对于高水胶比混凝土, 预处理的增强效果更明显。
2.3 弹性模量
弹性模量是混凝土结构设计的一个重要参数, 他直接反应了混凝土在荷载下的形变情况。不同水胶比下, 预处理方式对混凝土28d弹性模量影响见图3。图3的结果显示随着橡胶掺量的增加, 混凝土的弹性模量呈逐渐降低的趋势。混凝土的弹性模量却降低了20%。混凝土的弹性模量降低, 主要有两方面的原因, 一是橡胶混凝土的强度降低, 对于普通混凝土, 强度等级, 相应的弹性模量也会降低;二是橡胶集料低弹模的特点使得橡胶混凝土的弹性模量降低。混凝土弹性模量的降低说明混凝土的脆性得到改善。
图3的结果还显示, KMn O4预处理对橡胶混凝土弹性模量略有增加作用, 如当橡胶取代率去20%时, 掺KMn O4预处理的混凝土弹性模量比掺未处理的提高了5.9%;而Na OH预处理的影响效果不明显。由图1的结果可知橡胶的预处理能改善混凝土的抗压强度, 而混凝土的弹性模量随着抗压强度的增加呈增加趋势, 故橡胶预处理能提高混凝土的弹性模量, 但混凝土的弹性模量主要与其组成材料的硬度有关, 橡胶的预处理只改变橡胶集料的表面性能, 因此橡胶预处理对弹性模量的影响不明显, 最大的提升效果也只有仅6%。
2.4 预处理机理的探讨-SEM分析
橡胶预处理方式改变了橡胶集料的表面特性, 通过SEM测试能直观的观测到橡胶集料的微观形貌变化。SEM测试结果见图4和图5。
图4和图5分别为三种改性方式及水洗处理的橡胶颗粒表面放大1000倍和3000倍的图像, 图4可以一定程度地反应改性方法对橡胶颗粒表面粗糙程度的影响, a、b两张SEM图所显示的表面特性没有太大区别, 说明氢氧化钠预处理对橡胶颗粒表面粗糙程度影响不大, 但对比a和c发现, 经酸性高锰酸钾改性的橡胶颗粒表面更为粗糙, 这证明酸性高锰酸钾与橡胶颗粒发生了更复杂的作用。
近一步放大橡胶颗粒表面, 放大3000倍时发现, 三种改性处理方式均能不同程度的增多橡胶颗粒表面的孔隙, 这说明氢氧化钠与橡胶颗粒发生了某些反应, 但
这些反应显然没有酸性高锰酸钾与橡胶颗粒的反应剧烈, 因为相比于A图, B和C图中的团聚状粒子大小和表面特性均变化不大, 但C图中的团聚状颗粒不仅分散程度增大, 表面光滑程度也有明显变化。综合对比图4和图5可知, 氢氧化钠改性预处理可以微弱的增多橡胶颗粒表面的孔隙, 而采用酸性高锰酸钾改性不仅能增大橡胶颗粒表面孔隙量还能明显增大表面粗糙度。
橡胶集料在混凝土中与水泥石的主要作用力包括粘结作用力和机械咬合作用力, 粘结作用力主要受集料的亲水性和集料的粗糙度的影响。研究[15]指出, 集料表面的粗糙程度影响界面过渡区中Ca (OH) 2的取向, 粗糙的表面可以降低Ca (OH) 2的取向程度和生成量, 增大C-S-H凝胶生成量, 最终提高界面区密实度, 增大粘结作用力。另外, 橡胶集料表面粗糙度越大, 其与水泥石机械作用越强。因此, 可以推断, 经高锰酸钾处理的橡胶颗粒与水泥浆体有更强的粘结作用力合机械咬合作用力, 更有利于改善橡胶集料混凝土的抗压和抗折强度。
3 结论
⑴橡胶预处理对混凝土的硬化性能有一定的增强作用, 其中对抗压强度和弹性模量的增强效果不太明显, 但对抗折强度有明显的提高, Na OH预处理最高可提高20.7%, 酸性KMn O4预处理最高可提高19.7%。
橡胶粉水泥砂浆的性能研究 篇10
随着汽车工业的发展, 废旧轮胎的产生量迅速增长, 已成为一个新的环境污染源。废旧轮胎胶粉在水泥基复合材料中的利用是废旧资源循环利用项目的一个新课题。它对废旧汽车轮胎的清洁利用, 节约资源和改善水泥基材料的性能都具有重要意义。将废胎制成的橡胶粉以一定掺量加入混凝土中, 能够填充空隙, 改善水泥与骨料的界面状况, 能够约束混凝土内微裂缝的产生和发展, 并形成吸收应变能的结构变形中心, 吸收震动能, 从而明显改善混凝土的抗冲击性, 提高混凝土的抗震性能[3]。这种改性混凝土成本低, 工艺简单, 具有广阔的应用前景。本文研究了废轮胎橡胶粉作为细集料取代部分河砂对水泥砂浆流动性及物理力学性能的影响。
1 实验原材料
水泥:采用拉法基水泥厂生产的32.5级硅酸盐水泥, 其主要物理性能见表1
砂:使用特细砂和普通机制砂。其筛分结果见表2、表3。
特细砂细度模数0.7, 机制砂细度模数3.5, 而且从表2, 表3可以看出2种砂的级配都不好, 因此所有试验使用砂由特细砂和机制砂配制而成的混合砂, 混合砂的配制方法:机制砂过2.36mm筛, 分为筛上部分和筛下部分待用。砂浆试验用砂的配制方法:按照机制砂2.36mm筛下部分与特细砂质量比1:1比例配制。砂浆试验用混合砂级配见表4。
橡胶粉:80目橡胶粉, 密度1.2g/cm3, 堆积密度0.3g/cm3
2 实验方案设计及实验结果分析
2.1 橡胶粉掺量对砂浆流动性的影响试验
水泥砂浆的流动性是反映水泥砂浆工作性的重要指标。水泥砂浆的流动性用水泥胶砂流动度测定仪 (简称跳桌) 测定。本试验选择三种橡胶粉掺量, 干燥的橡胶粉按体积比取代砂子, 体积取代率分别为:10%、20%、30%。测定砂浆流动度 (见表5) 。
从表5和图1可看出, 固定水灰比, 水泥砂浆流动度随着胶粉掺量的增大而增加, 而且流动度和胶粉掺量近似于线性关系。这可能是因为, 胶粉取代细砂掺量采用体积比, 由于橡胶粉密度较小且呈松散状态, 造成较小质量的胶粉代替了较大质量的细砂。这样在固定水灰比条件下, 随着胶粉掺量的增加, 水泥砂浆相应的吸水量减少, 游离水增多;同时细砂的减少, 造成砂浆中水泥颗粒与骨料颗粒滑动的摩擦阻力减小。因此, 水泥砂浆流动度随着胶粉掺量的增加有不断增大的趋势。
2.2 橡胶粉掺量对砂浆抗压、抗折强度的影响
基准试样 (未掺加橡胶粉的试样) 水泥 (C) 、试验用砂 (S) 的重量比为:C:S=1:2.5, 水灰比为0.5。掺加橡胶粉的试样:干燥的橡胶粉按体积比取代砂子, 体积取代率为:1%、3%、5%、7%、9%、10%、15%、20%、25%、30%。基准试样和掺加橡胶粉试样的配合比见表6, 实验结果见表7。
由图2、图3可以得到以下结论:
