橡膠混凝土凍融損傷分析

郭 琦，崔勝超，仵 晗

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

橡膠混凝土是以混凝土為基質(zhì)，均勻摻入各種非連續(xù)橡膠粉或橡膠顆粒而形成的水泥基復(fù)合材料，由于其能減少?gòu)U舊輪胎污染，質(zhì)量輕，彈性、韌性良好及具有較好的耐久性能[1]，近年來(lái)在學(xué)界備受關(guān)注。抗凍性是混凝土耐久性中最具代表性的研究指標(biāo)之一[2-3]。我國(guó)北方地區(qū)，橡膠混凝土結(jié)構(gòu)特別是路用橡膠混凝土受凍融環(huán)境影響較大，因此對(duì)橡膠混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，找出其凍融循環(huán)下的損傷規(guī)律，對(duì)橡膠混凝土應(yīng)用意義重大[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠混凝土抗凍耐久性進(jìn)行了深入研究[5-7]，基本認(rèn)為橡膠粉在混凝土中起到固體引氣劑作用，提高了混凝土耐久性。然而有關(guān)橡膠混凝土在凍融環(huán)境作用下的損傷分析[8]和量化[9]仍處于初步階段，制約了橡膠混凝土的發(fā)展。

因此，筆者對(duì)不同摻量和不同粒徑橡膠混凝土開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)，選取質(zhì)量損失率和以橡膠混凝土動(dòng)彈性模量為基礎(chǔ)的凍融損傷量這兩個(gè)指標(biāo)分析得到了凍融循環(huán)作用下橡膠混凝土的損傷規(guī)律，并給出了相應(yīng)量化模型。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥采用禮泉海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(42.5 MPa)；水采用普通自來(lái)水；細(xì)骨料為周至普通河砂，2類中砂，連續(xù)級(jí)配，堆積密度為1 274.07 kg/m3；粗骨料為陜西涇陽(yáng)產(chǎn)粒徑5～20 mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，堆積密度為1 407.40 kg/m3；為改善混凝土流動(dòng)性，試驗(yàn)還采用了陜西友邦新材料有限公司生產(chǎn)的DZ-BS聚羧酸高效減水劑；橡膠集料采用某公司生產(chǎn)的橡膠粉，如圖1；橡膠粉基本性能如表1。

圖1 橡膠粉Fig. 1 Rubber powder

橡膠粒徑/mesh顆粒大小/mm含水率/%堆積密度/(kg·m-3)200.83～2.361.7426.40400.38～0.831.9429.63800.18～0.382.0413.79

本試驗(yàn)采用普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55。基準(zhǔn)混凝土配合比見(jiàn)表2。

表2 普通水泥混凝土配合比Table 2 Mix proportion of ordinary concrete (kg·m-3)

試件保持水灰比、粗集料及減水劑用量不變，將橡膠粉等體積替代細(xì)骨料(砂)，體積替代率分別為10%、20%、30%，橡膠粉粒徑變量為20、40、80目。分組編號(hào)如表3。

表3 試件分組編號(hào)Table 3 Sequence numbering for test-pieces

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法[10]利用快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)有9組橡膠混凝土和1組普通混凝土共10組，每組3個(gè)試件。每個(gè)試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm。試件成型24 h后，拆模移入溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

在規(guī)定齡期的前4 d，將試件放入(20±2)℃的石灰水中浸泡，浸泡結(jié)束后取出并用濕布擦干試件表面水分，再分別測(cè)定每個(gè)試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量作為其初始值，在凍融循環(huán)25、50、75、100、125、150次時(shí)分別測(cè)定每個(gè)試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)量變化

橡膠混凝土試件質(zhì)量損失率按式(1)計(jì)算[10]：

(1)

式中：Wl為質(zhì)量損失率；W0為橡膠混凝土試件初始質(zhì)量；Wn為n次凍融循環(huán)后橡膠混凝土試件質(zhì)量。

所有試件在凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖2。橡膠粉摻量(細(xì)骨料體積取代率)為10%、20%、30%的橡膠混凝土在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化分別如圖3。

圖2 試件質(zhì)量損失率匯總Fig. 2 Mass loss rate of all test-pieces

圖3 橡膠混凝土質(zhì)量損失率Fig. 3 Mass loss rate of rubber concrete

由圖2可知：所有試件質(zhì)量損失率均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷上升；編號(hào)為20%-80的試件在凍融初期(0～50次)其質(zhì)量損失率與普通混凝土差異較小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)50后，其質(zhì)量損失率增加速度放緩而其質(zhì)量損失率與普通混凝土相比差異逐漸增大；除編號(hào)為20%-80的其它組橡膠混凝土試件，其質(zhì)量損失率較普通混凝土明顯偏小。這說(shuō)明橡膠混凝土質(zhì)量損失是一個(gè)隨凍融循環(huán)逐漸累積的過(guò)程。在混凝土中摻入橡膠粉，可不同程度地降低凍融循環(huán)作用下混凝土質(zhì)量損失率。

由圖3可得：橡膠粉粒徑為20目的試件在細(xì)骨料體積取代率為10%、20%、30%的摻量下其質(zhì)量損失率均最小；在低摻量(細(xì)骨料體積取代率為10%)時(shí)，這3種粒徑對(duì)應(yīng)試件質(zhì)量損失率差異較小，這說(shuō)明低摻量下橡膠粉粒徑對(duì)橡膠混凝土質(zhì)量損失影響不顯著；在摻量較大(細(xì)骨料體積取代率≥20%)時(shí)，橡膠混凝土質(zhì)量損失率隨著所摻橡膠粉粒徑的減小而增大，且摻量越高，橡膠粉粒徑對(duì)橡膠混凝土質(zhì)量損失率的影響越顯著；同時(shí)，在摻量為≥20%時(shí)，所摻橡膠粉粒徑為80目的試件質(zhì)量損失率增加速度在凍融初期較大，之后趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明高摻量、小粒徑的橡膠粉對(duì)橡膠混凝土凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失率影響主要表現(xiàn)于凍融前期。根據(jù)此規(guī)律可以得出：質(zhì)量損失率指標(biāo)下，在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內(nèi)，橡膠混凝土的最佳摻量和粒徑為30%-20目。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得到不同橡膠粉摻量和粒徑下的橡膠混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如式(2)：

(2)

式中：n為凍融循環(huán)次數(shù)；a、b、k分別為與橡膠混凝土材料、環(huán)境因素、邊界條件有關(guān)系數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

由式(1)、(2)可得到凍融環(huán)境下橡膠混凝土質(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系如式(3)：

(3)

本試驗(yàn)擬合結(jié)果如表4。

表4 質(zhì)量函數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Mass function fitting result

2.2 動(dòng)彈性模量變化

由損傷力學(xué)[11]理論可知，橡膠混凝土凍融是一個(gè)損傷累積過(guò)程，其損傷量可由式(4)表示：

D=1-Er=1-En/E0

(4)

式中：Er為橡膠混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量；E0和En分別為凍融前橡膠混凝土動(dòng)彈性模量和n次凍融后橡膠混凝土動(dòng)彈性模量。

根據(jù)凍融試驗(yàn)，由式(4)可得每組橡膠混凝土損傷量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化情況，其結(jié)果如圖4。

圖4 試件損傷量匯總Fig. 4 Damage of all test-pieces

分析圖4可得：所有試件凍融損傷量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷上升，且是一個(gè)逐漸增大的過(guò)程；普通混凝土(編號(hào)為0%-0)試件的凍融損傷量不同程度高于橡膠混凝土試件。這說(shuō)明普通混凝土中摻入橡膠粉有助于減小其凍融損傷量，即有助于減小凍融循環(huán)對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量影響。

圖5分別表示所摻橡膠粉粒徑為20、40、80目橡膠混凝土在不同摻量下的凍融損傷量；
圖6分別表示所摻橡膠粉摻量(細(xì)骨料體積取代率)為10%、20%、30%的橡膠混凝土在不同橡膠粉粒徑下的凍融損傷量。

圖5 橡膠混凝土凍融損傷量Fig. 5 Damage of rubber concrete

圖6 橡膠混凝土凍融損傷量Fig. 6 Damage of rubber concrete

分析圖5可得：在所摻橡膠粉粒徑較大(20、40目)的情況下，橡膠混凝土凍融損傷量隨橡膠粉摻量增大而減小；在所摻橡膠粉粒徑較小(80目)時(shí)，橡膠混凝土試件凍融損傷量大小順序?yàn)椋?0%-80>10%-80>20%-80。這表明高摻量、小粒徑(30%-80)橡膠粉改變了同橡膠粉粒徑下橡膠混凝土凍融損傷隨橡膠粉摻量增大而減小的規(guī)律，即在以凍融損傷量為指標(biāo)衡量橡膠混凝土的抗凍性能時(shí)，并非摻量越高其抗凍性能越好。

由圖6可得：在橡膠粉摻量(細(xì)骨料體積取代率)為10%、20%時(shí)，所摻橡膠粉粒徑為40目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最大；在橡膠粉摻量為30%時(shí)，所摻橡膠粉粒徑為80目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最大。在所有摻量下，所摻橡膠粉粒徑為20目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最小。這說(shuō)明在以動(dòng)彈性模量為基礎(chǔ)的凍融損傷量指標(biāo)下衡量橡膠混凝土抗凍性能時(shí)，雖不是所摻橡膠粉粒徑越大其抗凍性能越好，但其最佳粒徑為20目。

根據(jù)橡膠混凝土凍融損傷量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，可得出此指標(biāo)下：在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內(nèi)，橡膠混凝土最佳摻量和粒徑為30%-20目。這與2.1節(jié)在質(zhì)量損失率指標(biāo)下所得最佳摻量和粒徑是相同的。

綜合2.1、2.2節(jié)可得：在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內(nèi)，橡膠粉摻量和粒徑為30%-20目橡膠混凝土抗凍性最佳。

3 模型驗(yàn)證

由2.2節(jié)所提到的橡膠混凝土凍融損傷可用動(dòng)彈性模量為基礎(chǔ)的損傷量D來(lái)表示。為揭示損傷量D與凍融循環(huán)次數(shù)的量化關(guān)系，參考劉崇熙等[12]提出的混凝土凍融損傷指數(shù)模型和余紅發(fā)等[13]提出的單段凍融損傷一元二次方程模型，根據(jù)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其模型如下。

指數(shù)模型如式(5)：

D=1-α·eλ·n

(5)

式中：α、λ分別為與橡膠混凝土材料、環(huán)境因素、邊界條件有關(guān)的參數(shù)。

一元二次方程模型如式(6)：

Er=0.5β·n2+γ·n+1

(6)

式中：β為損傷加速度負(fù)值；γ為損傷初速度負(fù)值。

由式(4)、(6)可得式(7)：

D=-(0.5β·n2+γ·n)

(7)

擬合結(jié)果如表5、6。

表5 一元二次方程模型擬合結(jié)果Table 5 Fitting result of quadratic equation model

表6 指數(shù)模型擬合結(jié)果Table 6 Fitting result of exponential function model

(續(xù)表6)

編 號(hào)αλR220%-401.004 8-6.061×10-40.97130%-401.002 9-1.931×10-40.91510%-801.009 1-6.426×10-40.93520%-801.000 4-3.308×10-40.98230%-801.005 2-8.941×10-40.984

由擬合結(jié)果可知：10組數(shù)據(jù)指數(shù)函數(shù)模型R2取值范圍為0.915～0.984；一元二次方程模型R2范圍為0.942～0.997；兩模型均擬合良好。而一元二次方程模型擬合度高于指數(shù)函數(shù)模型，因此一元二次模型能更好地適用于橡膠混凝土凍融損傷量計(jì)算。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)橡膠混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率分析，得出當(dāng)橡膠粉摻量不小于20%時(shí)，質(zhì)量損失率與橡膠粉粒徑大小成反比；低摻量橡膠粉粒徑對(duì)質(zhì)量損失率影響不大。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到凍融環(huán)境下橡膠混凝土質(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，其擬合精度較高。

2)通過(guò)對(duì)橡膠混凝土凍融損傷量分析，得出相同橡膠粉粒徑下，橡膠混凝土凍融損傷與橡膠粉摻量成反比，而高摻量、小粒徑(30%-80目)橡膠粉排斥此規(guī)律；在凍融損傷量指標(biāo)下，無(wú)論橡膠粉摻量大小，在80～20目粒徑范圍內(nèi)最佳為20目。

3)綜合橡膠混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率的變化規(guī)律和凍融損傷量的變化規(guī)律，得出橡膠混凝土在這兩個(gè)指標(biāo)下均優(yōu)于普通混凝土；提出在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內(nèi)，橡膠混凝土基于抗凍性的最佳摻量和粒徑為30%-20目，為橡膠混凝土抗凍性能進(jìn)一步研究及橡膠混凝土應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4)比對(duì)橡膠混凝土凍融損傷量指數(shù)模型和一元二次方程模型，得出一元二次模型能更好地反映橡膠混凝土凍融損傷量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化，為今后橡膠混凝土凍融損傷的量化分析提供參考。

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