橡膠緩凝混凝土力學(xué)性能和抗裂性能研究

何麗麗，劉富森*，朱涵，栗東平

（1.河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038；2.天津大學(xué)，天津300192）

0 引言

裂縫是由混凝土澆筑后內(nèi)部的收縮應(yīng)力超過其抗拉強度所產(chǎn)生［1］。研究表明，溫度收縮和自收縮是導(dǎo)致混凝土在約束條件下早期收縮開裂的主要原因［2-3］。溫度收縮，由于水泥水化產(chǎn)生水化熱，在構(gòu)件中形成溫度梯度，進而轉(zhuǎn)化成熱應(yīng)力，就有可能造成混凝土開裂。針對混凝土易開裂性能，研究者提出了不同的方法進行改性［4］。橡膠顆?；炷潦且环N新型混凝土，降低混凝土脆性和提高混凝土抵抗變形能力是其主要特征，又被稱為“彈性混凝土”［5-7］。張亞梅等［8］進行的相關(guān)試驗結(jié)果表明:砂漿中加入橡膠顆粒能夠有效地抑制砂漿的塑性收縮開裂；亢景付等［9］發(fā)現(xiàn)橡膠的加入有效地改善了試塊的抗裂性，提高了其抗開裂能力；Kaloush等通過溫縮試驗發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土受溫度影響會形成溫度裂縫。為解決混凝土易受溫度影響的問題，本文用緩凝劑來推遲水化熱的峰值，預(yù)防早期溫度裂縫的出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入降低了混凝土的部分強度［10］，但緩凝劑對橡膠混凝土強度的影響還少有人研究。

綜上，可用橡膠顆粒改善混凝土自身的脆性，采用外方內(nèi)圓偏心約束法研究同時摻入橡膠顆粒和緩凝劑的混凝土的開裂性能。本文利用外加緩凝劑，研究同時摻入緩凝劑和橡膠顆粒后混凝土的力學(xué)性能。

1 原材料與配合比

1.1 試驗原材料

本試驗采用邯鄲市通茂商品混凝土有限公司的42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用的是天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，屬于中砂；粗骨料為粒徑5～25mm的碎石；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為22，孔隙率60%；減水劑采用萘系減水劑；橡膠顆粒粒徑為3mm左右；緩凝劑為河北晴俊化工廠所生產(chǎn)的混凝土緩凝劑。

1.2 試驗配合比

在做橡膠緩凝混凝土抗裂性能試驗時，本文分別研究了10不同配比的混凝土試塊（分別為普通混凝土，0.1%緩凝劑摻量混凝土，5%、10%、15%和20%橡膠顆粒摻量的混凝土和0.1%緩凝劑分別與4種不同摻量橡膠顆粒同時摻入的混凝土）的開裂性能，緩凝劑在混凝土中等體積取代水泥，橡膠顆粒在混凝土中等體積取代細(xì)骨料，其他材料用量跟普通混凝土相同。普通混凝土中水:水泥:砂=1:2:3，具體配合比見表1。

表1 混凝土抗裂性試驗配合比kg/m3

在進行橡膠緩凝混凝土強度分析時，試驗采用4組不同配比對比，每組3個試塊，具體配合比見表2，分別將其標(biāo)號為C40-1、C40-2、C40-3和C40-4，對比4組7d和28d的平均抗壓強度和抗折強度以及壓折比。

表2 混凝土強度測定配合比kg/m3

2 試驗方法

2.1 混凝土抗壓抗折強度試驗

（1）立方體抗壓強度和抗折強度試驗方法參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行［11］，抗壓試樣尺寸為150mm×150mm×150mm，如圖1所示，混凝土試件都采用機械攪拌、機械振實。試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室箱靜置24h后拆模，隨后移至標(biāo)準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

圖1 抗壓試驗破壞后的試件

（2）抗折試樣尺寸為150mm×150mm×600m，如圖2所示，1d后拆模，養(yǎng)護室的條件為：溫度20℃左右，相對濕度55%左右；根據(jù)要求測定每種配合比7d、28d的抗折強度，試驗裝置如圖3所示。

圖2 抗折試驗破壞后的試件

圖3 抗折強度試驗裝置

2.2 混凝土抗裂性試驗

抑制水泥基材料收縮一直以來是學(xué)者研究的重要方向，材料收縮會使混凝土建筑出現(xiàn)微觀和宏觀裂縫，影響混凝土自身結(jié)構(gòu)，進而直接消弱建筑質(zhì)量，縮短其耐久性［12］。要改善此固有屬性，需添加合適的外加劑。

在測量混凝土開裂時間的試驗中，本文采用了外方內(nèi)圓偏心約束法進行測量［13］，這種方法可以預(yù)估裂縫的大致位置，便于裂縫的觀察；利用偏心的作用，可以縮短試件開裂時間，提高試驗工作效率和縮短周期。模具形狀與尺寸如圖4所示。模具由正方形鋼材料底座和四邊鋼槽組成，采用螺栓連接，內(nèi)部鋼圈鑲嵌在單向偏心的位置，鋼制模具具有耐磨性好、可塑性強等優(yōu)點，便于制作和使用。

本試驗中，運用了自動檢測裝置記錄開裂時間，如圖5所示。由于開裂位置在混凝土厚度較薄一側(cè)，在開裂位置附近涂一層導(dǎo)電性粘附材料，干燥之后，利用導(dǎo)線將它與時鐘連成閉合的通路，把時鐘時間調(diào)試為當(dāng)前時間，每隔12h做記錄，并觀測1次時鐘是否停止，如果時鐘停止，則證明試件開裂，開裂時間即為指針?biāo)傅臅r刻。

本試驗共有10種不同的配合比，每種配合比3個試件，混凝土灌入模具后，放到振動臺震動15s左右，在混凝土表面鋪上塑料薄膜，并開始記錄時間，試驗記錄第一個試件的開裂時間和試件開裂的平均開裂時間。

圖4 模具形狀與尺寸

圖5 試件開裂裝置開裂檢測實圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 混凝土抗壓抗折強度

混凝土的抗壓抗折強度試驗結(jié)果見表3。

表3 混凝土力學(xué)性能

由表3試驗結(jié)果可以得出，與普通混凝土相比，橡膠顆粒的加入明顯降低了混凝土部分抗壓和抗折強度，其中7d強度分別減少了18%和15%，28d強度分別減少了21%和17%，抗折強度降低的相對幅度小于抗壓強度降低的相對幅度，說明橡膠的加入改善了混凝土的脆性；與C40-1相比較，C40-3組7d強度增加了9%和7%，28d強度分別增加了6%和5%，緩凝劑的加入提高了混凝土強度，但不會影響混凝土的長期力學(xué)性能，摻入緩凝劑可以改善水泥的水化速度，使水化硅酸鈣等產(chǎn)物分布更加均勻并充分水化，有助于提高混凝土后期強度。

對比C40-2與C40-4，同時摻入橡膠顆粒和緩凝劑，相對于橡膠混凝土，整體強度有一定提高，其中7d強度增加了15%和8%，28d強度增加了12%和13%，由表3可得，緩凝劑的摻入主要影響混凝土前期的抗壓強度和中后期的抗折強度；從C40-4抗折強度變化看出橡膠顆粒是主要影響因素，而小摻量的緩凝劑對混凝土抗折性能影響不大。通過比較28d壓折比可以看出，緩凝劑的加入對整體影響較小，壓折比的減小主要是橡膠顆粒的作用，證明混凝土脆性降低；同時也說明橡膠顆粒和緩凝劑的加入使得混凝土抗折強度增強，從而抗裂性能也得以改善。

延長混凝土的凝結(jié)時間是緩凝劑的最主要作用，水化熱會使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，加入緩凝劑既可以增強混凝土的強度，也可以實現(xiàn)低摻量超緩凝的作用，從而使混凝土由于水化熱而產(chǎn)生的溫度裂縫減少；由于緩凝劑是采用外加法摻入，適當(dāng)?shù)丶尤刖從齽?，可以加快混凝土顆粒表面吸附位的快速吸附，進而使得混凝土的強度有一定程度的提高。

3.2 混凝土抗裂性試驗

不同混凝土的開裂時間見表4。

表4 不同混凝土的開裂時間

由表4可知，緩凝劑和橡膠顆粒的加入均能延緩試件的開裂時間。其中單獨摻加緩凝劑有效地改善了水化熱產(chǎn)生的溫度裂縫，開裂時間明顯延緩，試驗中相比普通混凝土，加入緩凝劑后開裂時間延長了約1.5倍；從不同橡膠顆粒摻量的RM組可以看出，橡膠顆粒可以明顯起到阻裂的作用，并且隨著橡膠顆粒摻量的增多開裂時間也得到延長；由雙摻組可看出，同時摻加橡膠顆粒和緩凝劑后提高了混凝土的抗裂性，而且因為緩凝劑的加入，使得橡膠的作用得到了更好的發(fā)揮，相對于單摻橡膠顆粒組的混凝土試塊，RM+OM組的混凝土試塊第一次出現(xiàn)裂縫時間和平均開裂時間都隨橡膠顆粒的增多而延長，開裂時間要比單摻緩凝劑組延長。綜上可知，摻加不同配合比外加劑的混凝土開裂性能由優(yōu)到劣依次是：雙摻橡膠緩凝混凝土、橡膠顆?；炷?、緩凝劑顆?；炷梁推胀ɑ炷痢?/p>

引起混凝土開裂主要有水化熱引起的溫度裂縫和自身脆性裂縫。因此，如果要提高混凝土的抗開裂性，就要加入抗裂組分來消減這這兩個因素。摻入緩凝劑是為了推遲和降低水化熱的峰值，進而推遲早期溫度裂縫的出現(xiàn)；橡膠顆粒是柔性材料，加入到混凝土中后，可以改善混凝土的脆性，增強混凝土抵御變形能力，減少了混凝土內(nèi)部空隙和表面裂縫的數(shù)量和寬度，橡膠顆?？梢杂行Ц纳苹炷帘旧聿牧蟽?nèi)部的薄弱點，能夠有效起到預(yù)防裂縫產(chǎn)生的效果，增強抗開裂性能。此外，混凝土在早期收縮時，緩凝劑的加入可以有效提高水泥水化的效率，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)物分布更均勻，產(chǎn)生的凝膠體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更堅固，結(jié)構(gòu)缺陷數(shù)量下降；而且緩凝劑兼具部分減水劑的功能，可以有效減少混凝土攪拌用水量，降低水灰比，有助于提高混凝土內(nèi)部的密實度，進一步提高抗壓和抗折等強度。因此，同時摻入橡膠顆粒和緩凝劑，可以有效地作為抗裂組分對溫度裂縫和脆性這兩個因素進行抑制，雙重提高混凝土的抗開裂性能。

基于此試驗可以得出，單獨摻入橡膠顆粒，會降低混凝土脆性，降低其彈性模量，而且橡膠顆粒等體積取代細(xì)骨料，會造成混凝土整體強度下降，當(dāng)自身收縮應(yīng)力達(dá)到峰值時，混凝土?xí)l(fā)生局部的開裂。橡膠顆粒不能降低水化熱產(chǎn)生的熱動力峰值，此時緩凝劑的加入能夠有效地改善溫度引起的裂縫，并使得橡膠顆?？梢猿浞窒麥p混凝土內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)揮其材料的韌性，較大程度地增強混凝土的抗開裂性。

4 結(jié)論

（1）緩凝劑的摻加提高了橡膠混凝土的抗壓和抗折強度，但總體影響不大，減小了混凝土的壓折比，因加入橡膠顆粒造成的混凝土強度降低得到了補償。

（2）采用外方內(nèi)圓偏心約束法測試了混凝土的早期開裂情況，試驗結(jié)果表明，橡膠顆粒和緩凝劑的加入可以提高混凝土的抗裂性，其中同時摻入一定量的橡膠顆粒和緩凝劑效果最佳，優(yōu)于單獨加入橡膠顆?；炷痢⒕從齽┗炷梁突鶞?zhǔn)混凝土。