無機聚合物橡膠混凝土基本力學性能試驗研究

范小春，陳允偉，胡宜昌

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

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無機聚合物橡膠混凝土基本力學性能試驗研究

范小春，陳允偉，胡宜昌

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

無機聚合物和橡膠粉作為新型節(jié)能環(huán)保材料，一直是工程應用研究的熱點問題。本文利用2～4 mm的橡膠顆粒按等體積代替細骨料的方式摻入無機聚合物混凝土中，配制出不同橡膠摻量(0%、5%、10%、15%、20%)的無機聚合物橡膠混凝土。根據GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對無機聚合物橡膠混凝土的基本力學性能進行系統(tǒng)的試驗。研究結果表明：相對于基準混凝土，橡膠摻量5%～20%的無機聚合物橡膠混凝土的立方體抗壓強度下降了9.5%～35.7%；橡膠摻量10%～20%的無機聚合物橡膠混凝土的劈裂抗拉強度下降了9.9%～18.2%，軸心抗壓強度下降了20.2%～35.4%，彈性模量下降了3.2%～7.8%；無機聚合物橡膠混凝土早期強度高于普通橡膠混凝土，其中，7 d相對強度高出11.5%；隨著橡膠摻量的增加，無機聚合物橡膠混凝土的拉壓比增加，強度比基本不變；無機聚合物橡膠混凝土的抗裂性能、變形能力隨著橡膠摻量的增加而增強。

無機聚合物； 橡膠混凝土； 橡膠摻量； 力學性能； 彈性模量

1 引 言

無機聚合物材料又稱地質聚合物材料，其性能獨特，用途廣泛。它的原材料以工業(yè)廢渣為主，原料價格低廉，儲量豐富且制備工藝簡單，能耗低，污染少，因此是一種具有廣泛發(fā)展前景的新型綠色節(jié)能建筑材料[1-2]。無機聚合物特點之一是具有快凝早強的性質，國內外已對無機聚合物膠凝材料的固化性質進行了大量研究，證明該材料具有優(yōu)異的早期強度。在常溫條件下，無機聚合物膠凝材料的固化速度遠高于普通水泥。橡膠粉具有較好的韌性、抗?jié)B性、抗疲勞、保溫隔熱、隔聲等特點，將橡膠粉摻入混凝土中，能夠填充空隙，約束混凝土內微裂縫的產生和發(fā)展，并形成吸收應變能的結構變形中心，以提高混凝土的抗沖擊和抗震性能[3]。通過摻膠粉配制出橡膠混凝土，一方面，改善了混凝土材料的多種性能，為解決混凝土固有的脆性問題提供了新的方法；另一方面，拓展了膠粒的應用領域，使廢舊橡膠由黑色廢物和環(huán)境公害變成土木工程領域的綠色資源。這將完全符合我國可持續(xù)發(fā)展策略，將具有極其重大的資源循環(huán)利用和環(huán)保意義[3]。通過查閱資料發(fā)現，國內外對普通橡膠混凝土進行了大量的試驗研究，但還沒有對無機聚合物橡膠混凝土進行相關研究[4-7]。無機聚合物橡膠混凝土作為一種新型混凝土材料，同時具備無機聚合物材料與橡膠材料的優(yōu)點，開展該新材料的性能研究，對進一步推動該材料的研究與應用具有重要的意義。本文將2～4 mm橡膠粒摻入無機聚合物混凝土中，探求兩種材料的共同作用機理，為這類新型混凝土在結構中的應用奠定基礎。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

(1)水泥：華新水泥股份有限公司生產的42.5號普通硅酸鹽水泥。其基本性能見表1，微觀結構圖見圖1。

(2)無機聚合物：深圳航天科技創(chuàng)新研究院生產的無機聚合物膠凝材料。無機聚合物膠凝材料采用粉煤灰和礦渣代替水泥作為基礎材料，在堿激發(fā)劑的作用下形成。其基本性能見表1，微觀結構圖見圖2。

(3)細骨料：采用中砂，細度模數為2.7，顆粒級配見表2。

表1 水泥和無機聚合物的基本性能Tab.1 Basic properties of cement and inorganic polymer

圖1 水泥微觀結構圖Fig.1 Microscopic structure of cement

圖2 無機聚合物微觀結構圖Fig.2 Microscopic structure of inorganic polymers

(4)粗骨料：粒徑5～20 mm連續(xù)級配碎石，顆粒級配見表3。

(5)水：清潔自來水。

(6)橡膠：武漢科恩克科技發(fā)展有限公司提供的2～4 mm橡膠，表觀密度1286 kg/m3，堆積密度633 kg/m3。橡膠電鏡掃描照片見圖3，從圖3可以看出，橡膠表面較為粗糙，但內部較為密實。

表2 砂顆粒級配Tab.2 Particle size distribution of sand

表3 粗骨料顆粒級配Tab.3 Particle size distribution of coarse aggregate

圖3 橡膠電鏡掃描照片Fig.3 SEM images of rubber

2.2 混凝土配合比設計

試驗分兩類，一類是無機聚合物橡膠混凝土，其中，橡膠分別以體積的0%、5%、10%、15%、20%替代細骨料；另一類是普通橡膠混凝土，橡膠分別以體積的0%、10%、20%替代細骨料。同類橡膠混凝土配合比除了砂和橡膠摻量不同以外，其他成分摻量均相同，這樣使混凝土總體積不變的情況下保證水灰比相同。無機聚合物橡膠混凝土配合比見表4，普通橡膠混凝土配合比見表5。

表4 無機聚合物橡膠混凝土配合比Tab.4 Mixing ratio of inorganic polymer rubber concrete

續(xù)表

表5 普通橡膠混凝土配合比Tab.5 Mixing ratio of ordinary rubber concrete

2.3 試件制作

由于橡膠表面沾有較多雜質，橡膠在使用前先用清水洗凈晾干。攪拌時為使橡膠在砂漿中盡量分散均勻，先將橡膠、砂和碎石放入攪拌機干拌60 s，然后放入無機聚合物(或水泥)干拌30 s，最后倒入水攪拌100 s。在混凝土的拌制過程中出現了部分橡膠上浮的現象，這可能是由于橡膠粒的密度小以及粗糙的表面特征攜帶空氣所致[8]，因此，在試件的成型過程中，采用振動臺成型時應采取短震動，震動次數2～3次為宜。成型后24小時脫模入養(yǎng)護室，養(yǎng)護室溫度為(20±2) ℃，相對濕度在95%以上，養(yǎng)護到規(guī)定齡期進行試驗。

3 立方體抗壓強度試驗與結果分析

3.1 試驗方法

試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，分為IPC0、IPC1、IPC2、IPC3、IPC4、PC0、PC2、PC4，共八組，每組三個。其中IPC2和PC2做1 d、3 d、7 d、28 d強度試驗，其余為28 d強度試驗。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)，用標準試驗方法測得具有95%以上保證率的立方體抗壓強度。試驗采用美特斯微機控制電液伺服萬能試驗機SHT5106-P。

3.2 立方體抗壓強度試驗結果與分析

因試件采用100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件，試驗結果乘以0.95。試件1 d、3 d、7 d立方體抗壓強度見表6，28 d立方體抗壓強度結果見表7。

試件強度隨齡期增長曲線、試件強度隨橡膠摻量變化曲線分別見圖6和圖7。

由表6可知：IPC2的1 d、3 d、7 d強度分別為28 d的36.5%、62.0%、85.2%。PC2的1 d、3 d、7 d強度分別為28 d的34.5%、57.5%、73.7%。IPC2比PC2的1 d、3 d、7 d相對強度分別高了2%、4.5%、11.5%，說明無機聚合物橡膠混凝土相比于普通橡膠混凝土具有早強的特性，尤其以7 d強度最為顯著。實際上，早期強度高是無機聚合物混凝土的特性，摻入橡膠后混凝土強度降低，但沒有影響其早強性能。由圖4可知，兩種混凝土的強度前期增長快，后期增長慢，而無機聚合物橡膠混凝土前期強度增長速度明顯快于普通橡膠混凝土，后期增長速度略低普通橡膠混凝土。

由表7可知，基準混凝土IPC0和PC0的28 d立方體強度分別為47.4 MPa和50.7 MPa。相對于IPC0，IPC1、IPC2、IPC3、IPC4的28 d立方體抗壓強度分別降低了9.5%、19.0%、23.0%、35.7%；相對于PC0，PC2、PC4的28 d立方體抗壓強度分別降低了16.0%、28.4%。對比IPC2與PC2、IPC4與PC4，無機聚合物橡膠混凝土強度下降的程度稍高于普通混凝土。分析其原因可能是橡膠顆粒與水泥漿體的相容性優(yōu)于無機聚合物漿體，水泥砂漿與橡膠顆粒的粘結性稍高于無機聚合物砂漿。由圖5可知，在橡膠摻量20%以內，隨著橡膠摻量的增加，IPC與PC的強度均近似于線性減小。分析其原因可能有以下幾點：①由于橡膠的不親水性和粗糙的表面特征使其表面容易吸附大量空氣，造成混凝土的含氣量增加，相當于在混凝土內部添加了許多結構缺陷。②橡膠是以一定的比例替換砂，但是橡膠的彈性大、剛度小，無法承載較大的壓力，這相當于削弱了混凝土中砂-石組成的框架結構支撐體系，減小了試塊內部承載面的有效面積。③橡膠與無機聚合物(或水泥)之間粘結面的強度較低，因此影響了砂漿與石子的粘結性能，造成其強度降低。④在試件受壓變形時，由于橡膠顆粒不能承載，受壓應力則集中到其周圍區(qū)域，使其過早的產生裂紋，進而造成了混凝土破壞的連鎖反應，使其強度降低。

表6 1 d、3 d、7 d立方體抗壓強度Tab.6 Cube compressive strength of 1 d, 3 d and 7 d /MPa

表7 28 d立方體抗壓強度Tab.7 Cube compressive strength of 28 d

圖4 強度隨齡期增長曲線Fig.4 Strength curves with age growth

圖5 28 d立方體抗壓強度Fig.5 Cube compressive strength curves of 28 d

3.3 破壞特征分析

試件破壞時，試件表面裂縫開展情況見圖6。

從混凝土的破壞形態(tài)上來看，摻入橡膠的混凝土試件比未摻橡膠的在受壓破壞時形態(tài)更完整，基本保持原有形狀[8]?；鶞驶炷潦軌浩茐暮蟀l(fā)生脆裂，有大量混凝土小塊散落，而橡膠混凝土在受壓破壞后沒有出現脆裂和大的裂縫，試塊形態(tài)較為完整。主要是因為橡膠粒的加入，如同給混凝土加入了大量細小的彈性體，改善了水泥石與骨料的界面，當混凝土受壓時，橡膠粒作為分布在混凝土內部的微小可伸縮彈性體，會截住混凝土的微觀裂紋，使混凝土的承受變形能力增強，從而阻止或減慢微觀裂紋合成宏觀裂紋而導致混凝土快速破壞。

加載過程中，未摻橡膠的混凝土試件表面邊緣處首先產生裂紋，隨著荷載的增加，試件表面邊緣裂紋沿受力方向急速擴展，形成上下貫通的大裂縫，表面內部裂紋較少，達到峰值應力時，試件表面崩裂，從裂紋出現到試件破壞持續(xù)時間較短，呈脆性破壞狀態(tài)。而摻入橡膠的混凝土試件表面邊緣處產生裂紋后，裂紋沿受力方向發(fā)展相對緩慢，表面內部同時出現大量裂紋，并且裂紋沿橫向縱向均有發(fā)展，最后成蜘蛛網狀分布，達到峰值應力時，立方體試塊出現橫向膨脹現象，明顯表現出塑性的特點；隨著橡膠摻量的增加，試件表面裂紋開展過程持續(xù)時間越長，裂紋更加細密，塑性破壞的特征越來越明顯。

圖6 立方體試件的破壞形態(tài)(a)IPC0;(b)IPC1;(c)IPC2;(d)IPC3;(e)IPC4;(f)PC0;(g)PC2;(h)PC4Fig.6 Failure mode of cube specimen

4 劈裂抗拉強度試驗與結果分析

4.1 試驗方法

試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，分為IPC0、IPC2、IPC4，共3組，每組三個。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)測試各組混凝土試塊的劈裂抗拉強度[9]。試驗采用美特斯微機控制電液伺服壓力試驗機YAW4206。

4.2 試驗結果與分析

因試件采用100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件，試驗結果乘以0.85。試件劈裂抗拉強度結果見表8。

表8 試件劈裂抗拉強度Tab.8 Splitting tensile strength of specimen

由表8可知，基準混凝土IPC0劈裂抗拉強度為3.3 MPa，相對于IPC0，IPC2、IPC4的抗拉強度分別降低了9.9%、18.2%。結果表明，摻入橡膠會降低混凝土的劈裂抗拉強度，隨著橡膠摻量的增多，無機聚合物橡膠混凝土的劈裂抗拉強度逐漸減小。

無機聚合物橡膠混凝土劈裂抗拉強度相對于其立方體抗壓強度的比值簡稱拉壓比，它是衡量混凝土材料脆性性能的一個指標[10]，其計算結果見表9。

表9 無機聚合物橡膠混凝土拉壓比Tab.9 Ratio of tension and compression

由表9可知，橡膠的摻入能夠提高無機聚合物混凝土的拉壓比，且橡膠摻量越高，拉壓比越大。在橡膠摻量20%以內，拉壓比隨橡膠摻量的增長近似呈線性增長。結果表明，在無機聚合物混凝土中摻入橡膠能夠改善混凝土的脆性，提高其塑性變形能力。

4.3 劈裂破壞特征分析

試件劈裂破壞面見圖7。在劈裂抗拉試驗過程中，當臨近極限破壞荷載前，裂紋從試件兩端的中間部位迅速沿縱向擴展，試塊劈開兩半，破壞斷面較為整齊，斷面處骨料及砂漿被切斷。摻入橡膠的無機聚合物混凝土試塊斷面處橡膠多被拔出，少有撕裂破壞的現象，表明橡膠與無機聚合物砂漿粘結性不好。

圖7 試件劈裂破壞面(a)IPC0;(b)IPC2;(c)IPC4Fig.7 Splitting failure surface of specimens

5 軸心抗壓強度及彈性模量試驗與結果分析

5.1 試驗方法

試件尺寸150 mm×150 mm×300 mm，分為IPC0、IPC2、IPC4，共3組，每組6個。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)測試各組混凝土試塊的軸心抗壓強度及彈性模量。軸心抗壓強度試驗采用美特斯微機控制電液伺服萬能試驗機SHT5106，彈性模量試驗采用美特斯微機控制電液伺服壓力試驗機YAW4206。

5.2 試驗結果與分析

試件軸心抗壓強度結果見表10。由表10可知，基準混凝土IPC0的軸心抗壓強度為42.5 MPa，相對于IPC0，IPC2、IPC4的軸心抗壓強度分別降低了20.2%、35.4%。結果表明，摻入橡膠會降低混凝土的軸心抗壓強度，隨著橡膠摻量的增多，無機聚合物橡膠混凝土的軸心抗壓強度逐漸減小。橡膠降低無機聚合物橡膠混凝土軸心抗壓強度的作用機理類似于立方體抗壓強度。

表10 試件軸心抗壓強度Tab.10 Axial compressive strength of specimens

無機聚合物橡膠混凝土軸心抗壓強度相對于其立方體抗壓強度的比值簡稱強度比，它反映了試件尺寸變化對混凝土材料抗壓強度影響[10]。其計算結果如表11所示。

由表11可知，不同橡膠摻量的無機聚合物混凝土強度比相近，表明橡膠的摻入不影響混凝土的強度比，不同摻量的橡膠混凝土軸心抗壓強度和立方體抗壓強度呈線性變化規(guī)律。

表11 無機聚合物橡膠混凝土強度比Tab.11 Strength ratio of inorganic polymer rubber concrete

試件靜力彈性模量計算結果見表12。

表12 試件靜力彈性模量Tab.12 Static elastic modulus of specimens

由表12可知，基準混凝土IPC0的彈性模量為34.4 GPa，相對于IPC0，IPC2、IPC4的彈性模量分別降低了3.2%、7.8%。結果表明，摻入橡膠會降低混凝土的彈性模量，隨著橡膠摻量的增多，無機聚合物橡膠混凝土的彈性模量逐漸減小。因為橡膠粒與無機聚合物混凝土的彈性模量相差近2500倍[8]，摻入橡膠能夠降低混凝土整體彈性模量，但由于本實驗橡膠摻量在20%以內，對彈性模量的影響有限。

5.3 軸壓破壞特征分析

圖8 試件軸壓破壞形態(tài)(a)IPC0;(b)IPC2;(c)IPC4Fig.8 Axial compressive failure mode of specimen

試件軸壓破壞形態(tài)見圖8。從破壞外觀可以發(fā)現，試件均沿豎向開裂破壞，其中未摻橡膠的無機聚合物混凝土試塊裂縫粗而少，在加載過程中試件中部先出現裂紋，隨后裂紋迅速擴展形成破壞裂縫，從開裂到破壞的過程持續(xù)時間極短，破壞時發(fā)出強烈的崩裂聲。摻入橡膠的無機聚合物混凝土的豎向裂縫較多且細密，且橡膠摻量越多這一特征越明顯；在加載過程中，試件中部同時出現幾條裂紋，隨后裂紋緩慢發(fā)展，逐漸形成幾條貫穿裂縫，試件破壞時無明顯的崩裂聲，破壞試件較完整；從表面裂紋來看，相比于立方體，軸壓破壞試塊表面主要以豎向裂縫為主，較少有橫向裂縫，裂縫沒有立方體那樣密集，試件無明顯的橫向膨脹現象。

6 結 論

(1)無機聚合物橡膠混凝土的1 d、3 d、7 d相對抗壓強度高于普通橡膠混凝土，表明無機聚合物橡膠混凝土具有早強性能。其中，以7 d相對強度最為顯著，高出11.5%；

(2)隨著橡膠摻量的增加，無機聚合物橡膠混凝土與普通橡膠混凝土的立方體抗壓強度均下降。橡膠摻量5%～20%的無機聚合物橡膠混凝土的立方體抗壓強度下降了9.5%～35.7%；橡膠摻量10%～20%的普通橡膠混凝土的立方體抗壓強度下降了16.0%、28.4%；無機聚合物橡膠混凝土下降趨勢稍高于普通橡膠混凝土;

(3)橡膠摻量10%～20%的無機聚合物橡膠混凝土的劈裂抗拉強度下降了9.9%～18.2%，軸心抗壓強度下降了20.2%～35.4%，彈性模量下降了3.2%～7.8%；

(4)隨著橡膠摻量的增加，無機聚合物橡膠混凝土的拉壓比增大，強度比基本不變；

(5)橡膠混凝土的抗裂性能、變形能力隨著橡膠摻量的增加而增強。

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Experimental Research on Mechanical Performance of Inorganic Polymer Rubber Concrete

FANXiao-chun,CHENYun-wei,HUYi-chang

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

As the energy-efficient and environment friendly materials, inorganic polymer and rubber powder have always been the hot issues in engineering application study. In this paper, we use 2-4 mm rubber particles instead of the fine aggregates in the same volume, making upinorganic polymer rubber concrete with different rubber contents(0%,5%,10%,15%,20%). According to GB/T 50081-2002 standard of test method about the ordinary concrete’s basic mechanics performance, we make experiments to study the basic mechanics performance of the inorganic polymer rubber concrete. The results show that, relative to reference concrete, the cube compressive strength of inorganic polymer rubber concrete with 5% to 20% rubber contents decreased by 9.5% to 35.7%;the tensile splitting strength of inorganic polymer rubber concrete with 10% to 20% rubber contents decreased by 9.9% to 18.2%, the axial compressive strength decreased by 20.2% to 35.4%, the static modulus decreased by 3.2% to 7.8%. The early age strength of inorganic polymer rubber concrete is higher than ordinary rubber concrete, among them, the seven days relative intensity is 11.5% higher. With the increase of rubber content, the ratio of tension and compression of inorganic polymer rubber concrete increases, the strength ratio remain unchanged. The anti-cracking ability and deformability of inorganic polymer rubber concrete enhances with the increase of rubber concrete.

inorganic polymer;rubber concrete;rubber content;mechanics performance;modulus of elasticity

國家科技支撐計劃(2014BAB15B01)

范小春(1975-)，男，博士，副教授.主要從事新型混凝土材料與結構性能研究.

陳允偉，碩士.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2701-09