橡膠混凝土的抗沖擊性能研究

韓菊紅 袁群 馮凌云 汪武威 趙峰

摘要：以C30和C50強度等級的混凝土為基準，選取粒徑為1～3、3～6mm的橡膠顆粒，分別按照10%、15%（砂的體積分數）摻量等體積取代部分砂配制橡膠混凝土，對不處理、水洗處理、NaOH處理、復合處理等改性方式的橡膠混凝土杭沖擊性能進行了試驗，研究基準混凝土強度等級、橡膠顆粒摻量和粒徑、改性方法對混凝土杭沖擊性能的影響。結果表明：橡膠顆粒雖然降低了混凝土的杭壓強度，但提高了其杭沖擊性能;初裂沖擊次數和終裂沖擊次數隨著基準混凝土強度等級的提高、橡膠顆粒摻量和粒徑的增大而增大;各種橡膠顆粒改性方法均可提高混凝土的杭壓強度和杭沖擊性能，其中復合處理方法效果最好。

關鍵詞：橡膠混凝土;杭沖擊性能;基準混凝土強度;橡膠顆粒;改性方法

中圖分類號：TV41 文獻標志碼：A

現代防護結構工程對混凝土的抗沖擊性能有較高的要求[1]。普通混凝土強度雖高但脆性較大，在沖擊荷載作用下容易開裂破壞，在混凝土中摻加一定量的纖維可明顯改善其抗沖擊性能[2-4]。近年來一種新型混凝土材料——橡膠混凝土成為了研究熱點[5-7]。與纖維改善混凝土抗沖擊性能的原理不同，橡膠顆粒與砂、石子和水泥漿相比彈性較大，在混凝土中起著類似“彈性中心”的作用，能夠吸收外界施加的沖擊能量，可有效減少應力集中，約束或延緩裂縫的發生、發展，宏觀表現為降低混凝土的脆性，改善其抗沖擊性能[4-9]。

目前，國內外學者對橡膠混凝土抗沖擊性能研究較少，對混凝土抗沖擊性能的影響因素和影響規律缺乏試驗研究。筆者采用美國ACI544委員會提出的落錘試驗法[10-15]，以C30和C50強度等級的混凝土為基準，采用粒徑為1～3、3～6mm的橡膠顆粒，分別按照10%、15%（砂的體積分數）摻量等體積取代部分砂配制橡膠混凝土，對不處理、水洗處理、NaOH處理、復合處理等工況下的橡膠混凝土抗沖擊性能進行了試驗，研究基準混凝土強度等級、橡膠顆粒摻量和粒徑、改性方法對混凝土抗沖擊性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料為石灰巖碎石，粒徑為5～20mm， 20～40mm兩種，兩者之比為4：6，二級配，級配合格。細骨料為河砂，細度模數為2.70，最大粒徑5mm，表觀密度為2703kg/m³。橡膠顆粒粒徑為1～3mm和3～6mm，表觀密度為1119kg/m³。

1.2 試驗配合比

基準混凝土為強度等級C30和C50的普通混凝土，橡膠顆粒摻量分別以10%和15%（砂總體積百分比）等體積取代砂，配合比見表1。

1.3 橡膠顆粒改性

水洗處理：將橡膠顆粒倒入清水中攪拌，多次清洗，直至水不渾濁，撈出晾干，裝袋備用。NaOH處理：配制一定量的1%濃度的NaOH水溶液，將橡膠顆粒倒人溶液中浸泡，放置陰涼處24h后用清水多次清洗，用pH試紙測量水溶液，直至水溶液呈中性，將橡膠顆粒撈出晾干、裝袋備用。復合處理：橡膠顆粒經NaOH溶液處理晾干后，再稱取橡膠顆粒質量1%的KH570，用一定量的無水乙醇稀釋后倒入橡膠顆粒中，以橡膠顆粒恰好全部濕潤為宜。

1.4 試驗方法

依據《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）開展混凝土試件的拌和、成型、養護和抗壓、劈拉強度試驗。抗沖擊試驗采用美國AC1544委員會提出的落錘試驗法，采用直徑150mm、厚度65mm的圓餅形試件，沖擊錘質量為4.5kg，沖擊球直徑為63mm，沖擊架高度保證沖擊錘質心與沖擊球表面距離為500mm，試驗裝置見圖1。

抗沖擊試驗步驟：①沖擊錘自由落下，沖擊放置于試件頂部中央的沖擊球，每完成一次沖擊為一次循環;②當試件頂面或底面出現第一條裂縫時對應的沖擊循環次數即初裂沖擊次數N，;③繼續沖擊循環，直至試件裂開，與沖擊架4塊擋板中的任意3塊相接觸時對應的沖擊循環次數為終裂沖擊次數N₂。

混凝土抗沖擊耗能計算公式為

W=Nmgh（1）式中：mgh表示質量m為4.5kg的沖擊錘在距離沖擊球表面高h為500mm時具有的勢能，約22.07J（重力加速度g取9.81m/s²）。

當循環次數N為初裂沖擊次數N₁時，對應W₁表示混凝土抗初裂沖擊耗能;當N為終裂沖擊次數N₂時，對應W₂表示混凝土抗終裂沖擊耗能。每組6個試件，去掉所得測值中的最大值和最小值，將剩余4個測值的平均值作為試驗結果，并以此表示混凝土的抗初裂沖擊耗能W₁和抗終裂沖擊耗能W₂。

依據式（1）計算得出的wl或Wz均是22.07）的整數倍，實際上混凝土的抗初裂沖擊耗能或抗終裂沖擊耗能不一定正好是22.07J的整數倍，在第N₁次或第N₂次沖擊前，試件初裂或破壞時耗能有可能小于mgh，這是該試驗方法精度的局限性。

2 試驗結果分析

2.1 橡膠混凝土與普通混凝土的對比

混凝土抗沖擊次數與耗能情況見表2。C30基準混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數分別為18和19，相差1次;C50基準混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數分別為58和60，相差2次，雖然強度等級提高使初裂或終裂沖擊次數增大很多，但試件從出現裂縫到裂開破壞仍然較快，表明基準混凝土的脆性較大。與基準混凝土相比，相應的橡膠混凝土強度低，但初裂沖擊次數和終裂沖擊次數大，試件從出現裂縫到裂開破壞承受的沖擊次數為5～6次（C30系列）和4～6次（C50系列），比基準混凝土增大4～5次（C30系列）和2～4次（C50系列），充分說明橡膠混凝土脆性減小，韌性增大，原因是橡膠顆粒一方面吸收了沖擊錘對混凝土的沖擊能量，另一方面像纖維一樣延緩了裂縫的發展進程。

2.2 橡膠混凝土抗沖擊性能的影響因素

（1）基準混凝土強度等級的影響。當基準混凝土抗壓強度等級提高時，橡膠混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數提高。

（2）橡膠顆粒的影響。當橡膠顆粒摻量及粒徑增大時，橡膠混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數增大（見圖2）。當橡膠顆粒摻量增大、粒徑減小時，橡膠混凝土的抗壓強度降低（見圖3）。因此，對同一基準混凝土，當橡膠顆粒摻量相同時，隨著粒徑的增大，橡膠混凝土的抗壓強度與抗沖擊性能均增強;當橡膠顆粒粒徑相同時，隨著摻量的增大，橡膠混凝土的抗壓強度減小，但抗沖擊性能增強。

2.3 改性方法的影響

橡膠顆粒經過水洗處理、NaOH處理、復合處理改性后，C30-1～3mm-10%混凝土抗壓強度依次稍有提高，初裂沖擊次數和終裂沖擊次數也有不同程度的提高，但從初裂到終裂的沖擊次數差值基本沒有變化（見表3），說明橡膠顆粒改性可以提高混凝土的抗沖擊性能，但對混凝土從初裂到終裂的發展過程幾乎沒有影響。其中，復合處理對提高混凝土抗沖擊性能作用最大，初裂沖擊性能提高了15.8%，終裂沖擊性能提高了12.5%。

3 結語

（1）與基準混凝土相比，橡膠混凝土的抗壓強度降低，但抗沖擊性能有所提高。

（2）橡膠混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數均隨著基準混凝土強度等級、橡膠顆粒摻量和粒徑的增大而增大。

（3）橡膠顆粒改性對混凝土的抗壓強度和抗沖擊性能均有提高，其中復合處理方法效果最好。

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