納米高嶺土對隧道道床橡膠混凝土性能的影響研究*

李 倩

(江漢大學(xué),湖北 武漢 430056)

0 引言

橡膠混凝土是將廢舊橡膠作為集料配制而成的水泥混凝土,可以彌補(bǔ)混凝土在抗拉、抗疲勞、抗沖擊等方面的不足[1-3],有助于處理日益增長的橡膠廢物,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。此外,橡膠混凝土被證明用在隧道道床中不附加隔振裝置的前提下可以達(dá)到減振的目的[4]。近年來,國內(nèi)陸續(xù)開展橡膠混凝土在軌道交通中減振特性的研究并取得了相應(yīng)的成果[5-8]。橡膠混凝土減振道床是一種新型有效的減振措施,滿足安全性和耐久性的要求[7],橡膠摻量越高,減振效果越好。然而,大量研究表明橡膠混凝土的力學(xué)性能隨橡膠摻量的增加而大幅降低[9-12]。

許多學(xué)者已通過一系列方法改善橡膠混凝土的力學(xué)性能,如改性橡膠[12-15]、添加各種纖維等。在水泥基材料中加入納米顆粒已被證明可以改善混凝土的性能。先前研究表明在橡膠混凝土中添加礦物外加劑如硅灰[16]、二氧化硅[15]和納米材料等[17],利用其填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)可以改善橡膠混凝土力學(xué)性能。納米高嶺土(nano kaolin,NK)是一種廣泛使用的低成本黏土礦物,其主要成分是高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)[18]。研究表明,NK能有效降低混凝土材料的滲透性,阻礙氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能[19-20]。然而,關(guān)于NK在橡膠混凝土中使用的研究極少,NK成本低,對混凝土具有顯著的改善效果,在橡膠混凝土中加入NK提高力學(xué)性能是有可能的。為使大摻量橡膠混凝土隧道道床達(dá)到最佳減振效果,同時滿足安全性和耐久性要求,有關(guān)NK改性橡膠混凝土的相關(guān)力學(xué)性能研究亟待開展。

本試驗將研究NK作為礦物外加劑對橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能的影響,為實踐應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐,并促進(jìn)大摻量橡膠混凝土在隧道工程中的應(yīng)用。分離式霍普金森壓桿試驗法(SHPB)因其試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、應(yīng)變率范圍廣等優(yōu)點成為研究混凝土抗沖擊性能的常用方法[21]。本試驗將采用SHPB測試NK改性橡膠水泥砂漿的抗沖擊性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥和NK的粒徑分布和化學(xué)成分分別如圖1和表1所示。

表1 水泥和NK化學(xué)組分Table 1 Chemical composition of cement and NK %

圖1 水泥和NK的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of cement and NK

河砂使用細(xì)度模數(shù)2.56、表觀密度2 550kg/m3的淮河河砂。

NK和60～80目橡膠顆粒如圖2所示。

圖2 試驗用橡膠顆粒和NKFig.2 Rubber particles and NK for test

1.2 試樣制備

為研究NK對橡膠水泥砂漿靜動態(tài)力學(xué)性能的影響,制備素砂漿1組,水灰比0.45,砂率50%。制備橡膠等體積替代10%,20%和30%河砂的橡膠水泥砂漿3組,用R表示;制備NK等質(zhì)量替代3%,7%,11%水泥的30%替代率橡膠水泥砂漿3組,用M表示。各組試件編號分別為CON,R10,R20,R30,R30M3,R30M7,R30M11,具體配合比如表2所示。

表2 砂漿配合比Table 2 Mortar mix ratio g

為了使NK在砂漿中得到良好的分散,首先將NK放在水中用旋轉(zhuǎn)攪拌器高速攪拌5min。將水泥和砂放入砂漿攪拌機(jī)中干拌3min,再加入水和NK混合物高速攪拌5min。將制備好的砂漿倒入50mm×50mm×50mm的立方體模具,每組制備9個試塊。澆筑完成后將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2℃,相對濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)1d。拆模后將試件放入裝有飽和氫氧化鈣溶液的容器中,放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期(3,7,28d),每組取3個試塊在萬能壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,測試結(jié)果取平均值作為砂漿試塊抗壓強(qiáng)度代表值。沖擊測試所用試件采用φ50×25鋼模制備,長徑比取0.5[22],每組9個試件。澆筑完成后養(yǎng)護(hù)過程與立方體試塊一樣。到達(dá)28d齡期后將試件表面打磨平整,平整度控制在0.05mm內(nèi),處理完成后進(jìn)行沖擊壓縮試驗。

1.3 SHPB試驗裝置與試驗方法

沖擊壓縮試驗采用φ50分離式霍普金森桿(SHPB)試驗系統(tǒng)進(jìn)行測試[1,22]。撞擊桿、入射桿、透射桿的長度分別為0.6,2.4,1.2m;各桿材質(zhì)均為密度7.8g/cm3、彈性模量210GPa、縱波波速5 190m/s的合金鋼。本次試驗選用0.25,0.35,0.45MPa三種沖擊氣壓,以便得到在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗過程按照沖擊實驗室規(guī)范要求進(jìn)行。沖擊壓縮試驗完成后,根據(jù)式(1)～(3)(三波法計算原理)[23]求得試件在沖擊荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。波形如圖3所示。

圖3 沖擊壓縮試驗波形示意Fig.3 Impact compression test waveform

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(2)

(3)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能分析

各組砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 3d,7d和28d砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength and flexural strength of 3d, 7d and 28d mortars

由圖4可知,水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻量增加而降低,與之前研究結(jié)果一致[9]。在28d齡期時,與CON對比,R10,R20,R30橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度分別下降36%,42%,63%,抗折強(qiáng)度分別下降46%,47%,49%。這是由于橡膠屬于彈塑性材料,與砂漿相比具有較低的彈性模量,橡膠也會增加砂漿含氣量,導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低。另外,橡膠與砂漿分別表現(xiàn)出憎水性和親水性特性,兩者界面黏結(jié)強(qiáng)度較差。由圖4可知,NK可顯著改善橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,R30M11與R30相比,3,7,28d時抗壓強(qiáng)度分別提升70%,84%,93%,抗折強(qiáng)度分別提升17%,38%,43%。隨著NK摻量的增加,改善效果增強(qiáng),NK增加了水泥漿體與橡膠顆粒之間界面過渡區(qū)的密實度,與在普通水泥砂漿中效果一樣。但在普通混凝土材料中NK摻量超過10%后會由于分散性較差產(chǎn)生聚集,形成新的薄弱界面過渡區(qū),降低強(qiáng)度,而在本試驗中隨摻量增大,強(qiáng)度不斷提高。這是因為橡膠砂漿擁有更加豐富的孔隙結(jié)構(gòu),能夠包含更多的NK,同時也為NK的水化反應(yīng)提供了更多空間,促使產(chǎn)生更多的C-S-H[24],提高強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增長趨勢隨著齡期發(fā)展而升高,這是由于水化后期NK在堿性環(huán)境下發(fā)生了二次水化反應(yīng)。

2.2 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

不同NK摻量下的橡膠砂漿在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線如圖5所示。砂漿動態(tài)性能參數(shù)如表3所示。

圖5 不同NK摻量下橡膠砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of rubber mortar with different NK content

隨著應(yīng)變率的增加,峰值應(yīng)力呈增加趨勢。這是因為在低應(yīng)變率下砂漿吸收的能量有足夠的時間擴(kuò)展和貫通原有裂紋,但在高應(yīng)變率下,其吸收的能量主要以產(chǎn)生更多細(xì)小裂紋的方式被消耗,短時間內(nèi)加載荷載,橡膠砂漿只能通過增加應(yīng)力的方式來抵消外部能量,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度提高[25]。

隨著NK的摻入以及摻量的變化,動態(tài)力學(xué)性能也有所不同。在低應(yīng)變率下:R30組砂漿在應(yīng)變率為75.066s-1時的峰值應(yīng)力為5.17MPa,R30組砂漿應(yīng)力應(yīng)變曲線較平緩,加入NK后曲線較陡,說明NK的加入對增強(qiáng)橡膠砂漿基體與橡膠顆粒之間的界面具有積極作用,提升了橡膠砂漿的剛度。R30M3組砂漿在應(yīng)變率為65.13s-1時的峰值應(yīng)力為17.10MPa,R30M7組砂漿在應(yīng)變率為50.94s-1時的峰值應(yīng)力為20.90MPa,R30M11組砂漿在應(yīng)變率為59.584s-1時的峰值應(yīng)力為21.8MPa。在高應(yīng)變率下:R30組砂漿在應(yīng)變率為140.073s-1時的峰值應(yīng)力為19.39MPa,R30M3組砂漿在應(yīng)變率為112.913s-1時的峰值應(yīng)力為35.41MPa,R30M7組砂漿在應(yīng)變率為113.533s-1時的峰值應(yīng)力為44.05MPa,R30M11組砂漿在應(yīng)變率為122.636s-1時的峰值應(yīng)力為47.34MPa。可見,在低應(yīng)變率和高應(yīng)變率作用下,NK的摻入可以提高橡膠砂漿的峰值應(yīng)力,摻量為3%時峰值應(yīng)力會顯著提高,摻量繼續(xù)增加,增長趨勢變緩。在高、中和低應(yīng)變率下,摻入NK砂漿,峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的提高表現(xiàn)不同,在低應(yīng)變率下峰值應(yīng)變隨納米高嶺土的增加而增加,當(dāng)應(yīng)變率提高后,由于納米高嶺土的增強(qiáng)作用,峰值應(yīng)變隨納米高嶺土摻量的增加而減小。

2.3 橡膠砂漿動態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)增長因子

圖6為橡膠砂漿動態(tài)抗壓強(qiáng)度與平均應(yīng)變率關(guān)系擬合曲線。在試驗應(yīng)變率范圍內(nèi)動態(tài)抗壓強(qiáng)度與平均應(yīng)變率之間形成了一種指數(shù)關(guān)系,如式(4)～(8)所示。一般來講,橡膠顆粒摻入砂漿中可以填充砂漿孔隙并且與周圍孔隙黏合形成強(qiáng)度,同時又發(fā)揮自身的彈性特點,充分吸收外界荷載作用下傳遞的能量,減少應(yīng)力集中,抑制裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展,從而提高動態(tài)抗壓強(qiáng)度。但由圖6可知,30%摻量橡膠使砂漿的動態(tài)抗壓強(qiáng)度低于素砂漿,這是由于大量橡膠摻入會增加薄弱界面的數(shù)量,反而會降低砂漿的動態(tài)抗壓強(qiáng)度。隨著納米高嶺土的摻入,曲線不斷上移,在相似的應(yīng)變率下,動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨納米高嶺土摻量增加而增加,這是因為納米高嶺土在砂漿中填充了橡膠與砂漿之間的孔隙,以自身為成核點促進(jìn)了水化[26],增強(qiáng)了界面過渡區(qū)的強(qiáng)度。

圖6 不同摻量NK下砂漿動態(tài)抗壓強(qiáng)度Fig.6 Dynamic compressive strength of mortar with different dosage of NK

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動態(tài)增長因子通常是指試件在單軸壓縮下得到的動態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值,也有學(xué)者將裂紋起始應(yīng)力與準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值稱為動態(tài)增長因子[27]。兩者均是用來描述應(yīng)變率效應(yīng)對抗壓強(qiáng)度的影響。本試驗DIF值采用前者計算得到。

圖7展示了砂漿動態(tài)增長因子與平均應(yīng)變率之間的關(guān)系。所有砂漿的動態(tài)增長因子隨著平均應(yīng)變率的增加而提高。由圖7可知,橡膠砂漿的DIF增長趨勢高于普通砂漿,說明橡膠砂漿擁有更高的應(yīng)變率敏感性。摻有NK的橡膠砂漿的DIF顯著提升,且優(yōu)于CON組砂漿,表明納米高嶺土的摻入提高了橡膠砂漿的動態(tài)抗壓強(qiáng)度。

圖7 砂漿動態(tài)增長因子Fig.7 Mortar dynamic growth factor

2.4 極限韌性分析

砂漿的極限韌性由應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍面積表示,代表砂漿試件在承受沖擊荷載過程中吸收能力的大小,綜合體現(xiàn)了試件的強(qiáng)度和延性特性。砂漿的極限韌性與應(yīng)變率之間的關(guān)系(擬合曲線)如圖8所示。在試驗應(yīng)變率范圍內(nèi)所有砂漿的極限韌性均隨著平均應(yīng)變率的增大而提高,均符合應(yīng)變率效應(yīng),NK改良后的橡膠砂漿的極限韌性增長速率高于素砂漿和純橡膠砂漿。在同一應(yīng)變率下,橡膠砂漿的極限韌性低于素砂漿,這是因為橡膠摻量過多,砂漿內(nèi)部薄弱界面過多導(dǎo)致。摻入NK后的橡膠砂漿的極限韌性顯著增強(qiáng)。

圖8 砂漿試件的極限韌性與平均應(yīng)變率的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between ultimate toughness and average strain rate of mortar specimens

2.5 微觀形貌

28d砂漿試件微觀形貌如圖9所示。圖9a為空白砂漿,可以看到試件表面無明顯裂隙及孔隙。圖9b為R30組試樣,可以清晰看到橡膠顆粒與砂漿基體間存在裂隙,這是由于橡膠屬于憎水性材料而砂漿屬于親水性材料,二者不能很好地黏合,這就是橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度低于空白對照的原因。由圖9可知,加入NK后,由于NK的填充和成核作用[26]在橡膠顆粒與砂漿基體的界面過渡區(qū)會生成大量的水化產(chǎn)物,水化產(chǎn)物可以填充孔隙,提升砂漿與橡膠顆粒的黏合程度,進(jìn)而提高橡膠水泥砂漿的強(qiáng)度。

圖9 28d砂漿試件微觀形貌Fig.9 Microscopic morphology of 28d mortar specimen

3 結(jié)語

本文研究了不同摻量納米高嶺土對橡膠水泥砂漿靜動態(tài)力學(xué)性能的影響,主要得出以下結(jié)論。

1)橡膠摻入會大幅降低水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,在納米高嶺土的作用下可顯著提高橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2)納米高嶺土提高了橡膠砂漿的抗沖擊性能,峰值應(yīng)力顯著提升,同時對峰值應(yīng)變也產(chǎn)生了影響。在低應(yīng)變率下峰值應(yīng)變隨納米高嶺土摻量的增加而增加,高應(yīng)變率時則相反。

3)砂漿的峰值應(yīng)力、動態(tài)抗壓強(qiáng)度、動態(tài)增長因子和極限韌性均隨著應(yīng)變率的增大而提高,呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

4)納米高嶺土的摻入不僅提高了橡膠砂漿的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,動態(tài)力學(xué)性能也普遍增強(qiáng),本試驗為橡膠砂漿在隧道工程中的應(yīng)用提供了一種途徑。