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掺橡胶粉对水泥胶砂和混凝土力学性能的影响 葛刘勇, 余丽武, 刘 莉, 钱伟浩, 沈 威, 何荣锦, 张褚强 (南京工程学院建筑工程学院, 江苏 南京 211167) 作者简介:葛刘勇(1995 - ),男,江苏海安人,在读本科生,主要学习 和研究方向:土木工程材料。 基金项目:南京工程学院 2016 年度大学生科技创新基金项目:一种 新型混凝土掺和料(N20160938) 摘 要: 采用 1 mm 粒径的废旧轮胎橡胶粉等量替代砂制作 混凝土和胶砂试件, 测定其抗压、 抗折、 抗拉强度和抗裂 性能。 实验结果表明: 在掺入 10% 以内橡胶粉的情况下, 胶砂的抗折和抗压强度均会下降, 混凝土的抗拉和抗压强 度下降也比较明显, 但水泥胶砂和混凝土的抗裂性能会明 显提高, 掺量为 5% 时的水泥胶砂和混凝土的力学性能 最佳。 关键词: 普通混凝土; 橡胶粉; 抗裂性; 抗拉强度; 抗折 强度 中图分类号: TU528. 45文献标志码: B 文章编号: 1672 -4011(2016)11 -0009 -03 DOI: 10. 3969/ j. issn. 1672 -4011. 2016. 11. 005 Effect of Rubber Powder on Cement Morter and Concrete GE Liuyong, YU Liwu, LIU Li, QIAN Weihao, SHEN Wei, HE Rongjin, ZHANG Chuqiang (School of Architecture Engineering, Nanjing Institute of Tech- nology, Nanjing 211167, China) Abstract: 1 mm diameter of scrap tire rubber powder was used amount instead of sand concrete and mortar specimen then wedeterminethecompressivestrength、bending、tensile strength、 crack resistance.The experimental results show that the incorporation of rubber powder 10% within, mortar flexural and compressive strength will decrease, and there is an obvious decline in the tensile and compressive strength of the concrete, but the crack resistance of Cementmortar and concrete will signif- icantly improve, especially with the admixture for 5% of the Ce- ment mortar and concrete has the best mechanical properties. Keywords: concrete; rubber powder; anti crack porperty; tensile strengh; Bending strengh 0 前 言 汽车业急剧发展, 产生了许多废旧轮胎, 其难以降解; 按照传统方法进行处理则价格昂贵。 但由于橡胶具有良好 的弹性、 韧性等优点, 在混凝土业中, 人们把橡胶粉代替 部分砂子掺入混凝土中, 来改善混凝土部分性能, 同时又 能够二次利用废旧橡胶。 目前许多学者开展了对掺橡胶粉 的混凝土的强度研究 1 -4和粒径对其影响5 -10的研究, 大 量实验证明橡胶粉对于混凝土的力学性能和耐久性能有所 影响, 但是对于抗裂性能研究并不多。 本实验通过掺入 1. 25%、 2. 5%、 5%、 10% 的橡胶粉等质量代替砂子, 分 析了不同掺量的橡胶粉对水泥胶砂和混凝土的抗压强度、 抗折强度的影响, 并着重研究了掺橡胶粉对水泥胶砂和混 凝土抗裂性能的改善作用。 1 实验研究概况 水泥为中联普通硅酸盐水泥, 强度等级为 525; 砂为细 度模数 2. 8, 表观密度 2 650 kg/ m3的中砂; 石子的密度约 为 2 700 kg/ m3, 空隙率为 35. 6%的普通碎石; 橡胶粉为天 然矿石制品有限公司提供的废旧轮胎胶粉, 粒径为 1 mm 左 右, 具体物理性质见表 1。 表 1橡胶粉物理性质 细度模数 含水率 / % 吸水率/ % 10 min30 min60 min 2. 51. 910. 110. 110 2 水泥胶砂的力学性能分析 2 1 试验方法 本试验参照 GB/ T17671 - 1999水泥胶砂强度检验方 法, 根据表 2 中的配合比, 在水泥胶砂中分别掺入 0、 1. 25%、 2. 5%、 5%, 10%的橡胶粉, 制作 40 mm 40 mm 160 mm 的胶砂试块, 采用机械拌合, 在相对湿度 95%、 温度 20的环境中养护 28 d 后, 测试其抗压强度和抗折强 度, 得到的试验数据见表 3。 表 2胶砂配合比 编号 材料用量/ (gm -3 ) 水泥水砂 胶粉掺量 / % SC0005002501 5000 SC1255002501 4821. 25 SC2505002501 4632. 50 SC5005002501 4255 SC10005002501 35010 表 3胶砂的抗压和抗折强度 编号 掺量 / % 抗折强度 / MPa R / MPa 抗压强度 / MPa R / MPa SC00005. 440. 1 SC1251. 255. 2 -0. 2 36. 2 -3. 9 SC2502. 504. 9 -0. 3 31. 3 -4. 9 SC50054. 6-0. 325. 1-6. 2 SC1000103. 3 -1. 3 11. 2 -13. 2 砂浆的抗压强度见图 1, 抗折强度见图 2。 9 万方数据 图 1 砂浆抗压强度 图 2 砂浆抗折强度 2 2 实验结果及讨论 2 2 1 抗压强度和抗折强度分析 如表 3 所示, 在橡胶粉掺量为 0 5% 时, 抗压强度分 别下降了 3. 9、 4. 9、 6. 2 MPa, 抗折强度分别下降 0. 2、 0. 3、 0. 3 MPa。 由图 1 2 同样可以看出, 随着橡胶粉掺量 的增大, 水泥胶砂的抗压强度和抗折强度发生了不同程度 的降低。 但是当掺量从 5% 提高到 10% 时, 抗压强度下降 了 13. 2 MPa, 抗折强度下降了1. 3 MPa, 比掺量5%以下的 胶砂试件强度下降幅度更大。 由此可见, 橡胶粉掺量为 0 5%时都应该是合理的, 其中 5%的掺量是强度的一个拐点。 造成胶砂强度下降的原因为: 胶砂中的砂子作为细 骨料在进行抗压实验时起支撑作用, 而橡胶粉使得这种支 撑作用减弱; 根据第一强度理论, 只要构件的最大拉应 力达到材料的单向拉伸时的极限拉应力时, 就会发生脆性 断裂。 橡胶粉周围的胶砂发生应力集中会加速试件的破坏, 同时橡胶的弹性模量更小, 压力试验时, 会带来更多的伸 长量, 从而使胶砂内部的粘结面分离, 造成内部的空洞, 从而降低抗折强度。 2 2 2 抗裂性能分析 图 3 所示的是掺量为 5%的试块测试完的照片。 一般水 泥胶砂试件在进行经受抗折实验之后就会折断, 但从图 3 可以看出, 试块测试完的状况相对完整, 究其主要原因, 应是橡胶粉与砂子的弹性模量与吸水性不同导致的: 由于 橡胶粉自身的弹性模量较低, 并且易产生弹性形变, 于是 在水泥强度形成的过程中橡胶粉末因为形变而吸收胶砂的 内部应力, 从而使整个胶砂趋向于一个整体, 提升了它的 抗裂性能。 表 3 表明其抗压强度与抗折强度都会随着橡胶粉掺量 增大而下降。 从图 3 可以看出: 试件并没有断裂, 并且在 试块表面没有明显的裂纹。 但是, 这块试件却可以被用力 折断。 这个现象可以看出试件在掺入了橡胶粉之后抗裂性 能得到提升, 实际上是其内部结构被破坏但无法看见明显 的特征。 其中, 尤以 5%掺量最佳。 图 3 橡胶粉掺量为 5%的胶砂试件 3 混凝土力学性能分析 3 1 试验方法 采用 GB/ T50081 -2002普通混凝土力学性能试验方法 标准, 按 照 表 4 中 的 配 合 比, 分 别 掺 入 0, 1. 25%, 2. 5%, 5%, 10%的橡胶粉等质量代替砂子, 分别制成 150 mm 150 mm 150 mm 的五组混凝土试件, 采用机械搅拌, 在相对湿度 95%、 温度 20的养护箱养护 28 d, 测定其抗 压强度, 结果见图 4 5。 表 4普通混凝土的配合比和抗压强度值 试件编号 材料用量/ (kgm -3 ) 水水泥 砂 石子 水灰比 橡胶粉 掺量/ % 抗压强 度/ MPa HC0002. 1983. 93617. 674 17. 914 0. 558 2046. 9 HC1252. 1983. 93617. 691 17. 914 0. 558 21. 2538. 3 HC2502. 1983. 93617. 467 17. 914 0. 558 22. 5032. 5 HC5002. 1983. 93617. 019 17. 914 0. 558 2527. 5 HC1000 2. 1983. 93616. 123 17. 914 0. 558 21025. 2 图 4 标准试块的抗压强度 图 5 标准块强度下降比例橡胶粉掺量/ % 3 2 实验结果及讨论 3 2 1 抗压强度分析 由图 5 可知: 掺量较小时, 强度下降较多, 随后趋于 平缓。 掺量为 5%的时候为一个拐点, 这时橡胶粉的微填充 效应开始体现。 橡胶粉对混凝土的强度影响作用原理为: 相比其他材料, 橡胶微粒弹性模量比较小, 同等外力的 作用下, 橡胶产生的变形比其他材料产生的变形大; 橡 01 万方数据 胶是憎水性材料, 很难与水泥石界面产生良好的粘结, 会 在胶砂内部产生很多薄弱界面; 橡胶表面粗糙不平, 在 胶砂搅拌过程中, 容易进入部分空气, 造成强度下降。 3 2 2 抗裂性能分析 如表 5 显示, 橡胶混凝土强度下降, 但是其抗裂性能 却相对提高, 表现为: 试块在进行受压实验的过程中掺橡 胶粉的混凝土在失去其强度后, 表面鲜有裂纹并且没有出 现大范围的碎裂状况, 而不掺橡胶粉的混凝土却与之相反, 破坏后完全崩塌。 为衡量混凝土的抗裂性能, 本试验以标 准块上最大裂纹的长度作为衡量抗裂性能的主要参数, 将 混凝土进行抗压强度试验之后碎裂部分的质量与原试块的 质量之比为次要参数进行比较(见表 5)。 从表 5 中数据可 以看出, 较之 10% 掺量的试块的最大裂纹宽度 1. 8 mm 和 最大裂纹长度 76. 1 mm, 掺量为 5%的混凝土试块的最大裂 纹宽度为 1. 6 mm, 最大裂纹长度为 58. 8 mm, 破坏程度明 显小很多。 因此, 在 0 5% 范围内, 随着橡胶粉掺量的提 升, 其抗裂性能会明显提升, 而掺 10% 时, 其抗裂强度反 而变差, 见图 6。 表 5普通混凝土的抗裂性能参数 橡胶粉 掺量 / % 最 大 裂 纹 宽 度 / mm 最 大 裂 纹 长 度 / mm 试块总 质量 / kg 已 碎 裂 部 分 质 量/ kg 质量损 失比 / % 抗裂性 能排序 02. 6130. 58. 1000. 2443. 011 1. 252. 5106. 48. 1000. 1652. 032 2. 52. 191. 68. 1000. 1131. 393 51. 658. 88. 1000. 0450. 055 101. 876. 18. 1000. 0851. 044 注: 抗裂性能 1 为最差, 5 为最好。 图 6 不同橡胶粉掺量的抗裂性能 4 结 论 1) 掺入橡胶粉后, 胶砂的抗压强度和抗折强度都会下 降, 但是在掺量达到 10% 时, 抗压强度和抗折强度都会急 剧下降; 并且在 5%掺量时, 胶砂的抗裂性能最佳。 综合比 较, 橡胶粉掺量为 5%时的混凝土力学性能是最佳的。 2) 掺入橡胶粉后, 混凝土的抗压和抗折强度都会下 降, 并且掺入 5% 和 10% 的橡胶粉的混凝土, 其抗裂性能 均好于不掺橡胶粉的混凝土。 3) 从力学性能试验分析结果来看, 就胶砂和混凝土的 力学性能而言, 橡胶粉的最佳掺量应为 5%。ID:003459 参 考 文 献: 1 陈波,张亚梅. 陈胜霞. 橡胶混凝土的初步研究J. 混凝土, 2004,36(12):37 -39. 2 卢浩. 陶粒表面憎水处理及陶粒混凝土性能研究D. 重庆:重 庆大学,1999. 3 李凌. 粗集料表面特征对混凝土强度的影响J. 公路交通技 术.2003,19(4):13 -15. 4 潘东平,刘峰. 李丽娟,等. 橡胶混凝土研究状况及应用前景 J. 橡胶工业,2007,54(3):182 -185. 5 朱艳峰,刘峰,黄小清. 等. 橡胶类材料结构模型J. 橡胶工 业,2006,53(2):119 -125. 6 宋少明,刘娟红,金树新. 橡胶粉改性的高韧性混凝土研究 J. 混凝土与水泥制品,1997,24(1):11 -12. 7 刘峰,潘东平,李丽娟,等. 低强橡胶混凝土单轴受压本构的实 验研究J. 建筑材料学报,2007,10(10):407-411. 8 唐明. 混凝土孔隙分形特征的研究J. 混凝土,2000,22(8):5 -7. 9 李国强. 级配骨料的分形效应J. 混凝土,1995,17(1):3 -7. 10 黄晓明,潘钢华.