摘要: 以C90~C100 高強混凝土為基礎, 外摻40 目( 420%m) 、60 目( 250&m) 和80 目( 178’m) 三個不同粒徑的精細橡膠粉, 外摻量分別為膠結材料用量的1%、2%、3%、4%, 研究了廢舊橡膠粉對高強混凝土材料的工作性、表觀密度及抗壓強度的影響。對研配成功的試件進行了高溫試驗, 利用外表面觀察法、重量損失法和殘余強度等方法, 對比研究了高強混凝土與橡膠粉改性高強混凝土高溫作用后的性能變化。研究發(fā)現(xiàn): 常溫下高強混凝土抗壓強度隨著橡膠粉摻量的增加而下降, 當橡膠粉外摻量小于10.8kg/m3 時, 其抗壓強度損失低于10%; 高溫時低用量的40 目橡膠粉能抑制高強混凝土的爆裂行為; 高溫作用后橡膠粉混凝土的強度有一定的增長。
關鍵詞: 高強混凝土; 橡膠粉; 抗壓強度; 高溫; 爆裂
中圖分類號: TU528.41 文獻標志碼: A 文章編號: 1002- 3550-( 2007) 02- 0011- 05
0 前言
廢舊橡膠是一種在自然條件下難以分解的高分子彈性材料。它不溶于水, 難溶于有機溶劑, 且不易腐爛, 按傳統(tǒng)的方法進行處理, 費用昂貴, 因此對廢舊橡膠的處理已關系到全球環(huán)境保護及資源利用等問題。據(jù)不完全統(tǒng)計, 2005 年我國廢舊輪胎的數(shù)量已達1 億條, 其中約有20%的輪胎沒有得到回收利用, 對環(huán)境造成了巨大的威脅, 并且是一種嚴重的資源浪費。而同一年, 我國混凝土的產(chǎn)量超過了15 億m3, 理論上按每條廢舊橡膠輪胎產(chǎn)生5kg 的橡膠粉計算, 每m3 混凝土只須摻加0.3kg的橡膠粉便可以消化掉所有的廢舊輪胎。由此可見, 研究橡膠混凝土( Rubber concrete) 具有良好的應用前景[1]。
關于摻橡膠微粒改性混凝土的研究初見于20 世紀90 年代初期, 主要探討橡膠微粒對混凝土抗壓和抗折強度的影響[2]。
隨后, 許多研究者加入到這一研究行列中, 并取得了豐碩成果。
研究表明: 在混凝土中摻加橡膠顆?？蓪崿F(xiàn)水泥混凝土不具有的獨特優(yōu)點, 例如輕質(zhì)、彈性減震、降噪隔音、透氣透水、延性和韌性好等, 并被認為將廣泛應用于以下領域: 道路工程, 高抗震地區(qū)建筑, 振動阻尼高的場所, 抗沖擊和抗爆炸的部位, 建筑裝飾材料, 自流平填料等[3~6]。目前, 國內(nèi)外學者的研究工作主要集中在摻加橡膠粉的普通混凝土材料常溫下性能的研究[1], 而對于摻加橡膠粉的高強混凝土性能的研究則較為少見, 針對其改性后高溫性能的研究更是未見報導。本研究以華南本地材料配制的C90~C100 高強混凝土為基礎, 外摻40、60 和80 目三種粒徑的精細橡膠粉, 研配成橡膠粉混凝土( Rubber powder concrete,RPC) , 對其高溫性能進行了初步研究探索, 研究內(nèi)容包括低摻量的不同粒徑的橡膠粉對高強混凝土高溫前、后力學性能的影響。
1 試驗原材料及配合比
1.1 原材料
水泥: 珠江水泥廠生產(chǎn)的粵秀P·Ⅱ 42.5R 硅酸鹽水泥, 化學成分如表1 所示;
復合礦粉: 以中山科建公司生產(chǎn)的一種水淬細礦渣粉為主, 復合格雷斯公司生產(chǎn)的硅粉而成的摻合料, 復合后其主要化學成分見表1;
外加劑: 廣州新科減水劑公司生產(chǎn)H-FDN100 萘系高效減水劑;
石子: 廣州產(chǎn)花崗巖碎石, 粒徑5~20mm, 石質(zhì)新鮮, 沒有軟弱顆粒;
砂子: 廣州產(chǎn)的細度模數(shù)為2.9 的粗砂;
橡膠粉: 東莞方達環(huán)宇環(huán)保科技公司生產(chǎn)的40 目( 420!m) 、60 目( 250"m) 和80 目( 178#m) 精細橡膠粉, 密度為1.02kg/m3,黑色, 無味。
1.2 試驗配合比及編號
高強混凝土配合比中膠凝材料總用量、水膠比、砂率和減水劑的用量均保持不變。分別摻加40、60、80 目三種粒徑的精細橡膠粉, 按照膠凝材料用量分別從1%、2%、3%、4%變化進行外摻, 見表2。
高強混凝土試件的編號為P0, 橡膠粉混凝土試件的編號取為RPCm-n, 其中m 為橡膠粉的粒徑, n 為橡膠粉的摻量, 如RPC40-1 指外摻40 目橡膠粉, 摻量為單位膠結材料總量的1%。
2 常溫試驗結果及分析
2.1 試塊制備
混凝土混合料在試驗室中的60L 強制式攪拌機中進行配制, 每次攪拌量為40L。出料后, 首先按標準方法測定新拌物的坍落度。
每種配合比成型4 組100mm×100mm×100mm 的三聯(lián)試模, 分別用于3、7、28d 抗壓強度試驗及高溫試驗, 同時成型1組150mm×150mm×150mm 的3 個試件, 用于28d 抗壓強度試驗。成型后試件在試驗室靜置1d, 然后拆模送入養(yǎng)護室養(yǎng)護至齡期。養(yǎng)護室常年溫度均保持在( 20±2) ℃范圍內(nèi), 相對濕度保持在90%以上。
養(yǎng)護室養(yǎng)護28d, 取出試件, 放置室內(nèi), 晾干外表面水分, 測量其表觀密度, 參照GBT/50081-200《2 普通混凝土力學性能試驗方法》測試混凝土試塊的抗壓強度。
2.2 工作性
試驗發(fā)現(xiàn), 精細橡膠粉的粒徑、摻量對新拌混凝土的工作性影響不顯著, 體現(xiàn)在坍落度增加與損失均不超過10%, 見圖1。未摻橡膠粉時, 基準混凝土坍落度為200mm, 而摻5.4kg/m3橡膠粉時, 新拌混凝土工作性稍有改善, 其坍落度最大增至220mm, 隨著粒徑增大與摻量的增加, 橡膠混凝土工作性略有下降, 其坍落度最大損失了15mm。
新拌混凝土工作性隨著橡膠粉粒徑增大與摻量的增加先增后減。本文認為: 當?shù)蛽搅繒r, 橡膠粉顆粒細小, 在混凝土攪拌時如同滾珠, 減少了骨料間的摩擦, 增強了潤滑作用, 并且橡膠為絕緣體, 不帶電, 不會吸附水分, 所以提高了混凝土拌合物的工作性。由于橡膠粉粒表面的凹凸不平, 攪拌過程中將吸附水分, 因此隨著其粒徑的增大、摻量的增加, 工作性能將變差,坍落度損失增加。本試驗結果與文獻[7, 8]研究結果相一致, 即混凝土的工作性隨橡膠粉摻量的增加而降低, 細顆粒橡膠粉對坍落度的影響要優(yōu)于粗顆粒橡膠粉。
2.3 表觀密度
橡膠粉混凝土的密度變化如圖2 所示, 能直觀地看出, 隨著橡膠粉摻量的增加, 橡膠粉改性高強混凝土的密度有所降低。這是因為, 橡膠粉的表觀密度僅為1 020kg/m3, 小于砂石的密度, 所以隨著橡膠粉含量的增加, 混凝土的密度減小。
從圖2 可以看出, 摻80 目與40 目橡膠粉的混凝土, 其密度下降明顯, 而粒徑在兩者中間的60 目橡膠粉混凝土, 密度下降幅度最小。本文研究認為: 40 目橡膠粉粒徑相對較大, 其填充效果不明顯, 所以隨著其摻量的增加, 密度下降較大。而80 目橡膠粉粒徑最小, 其表面積最大, 并因為橡膠粉表面的粗糙性與非極性, 使其表面附著更多的空氣[9], 從而其密度下降也較為明顯。60 目的粒徑橡膠粉處于兩者之間, 其粒徑介于砂與細礦粉材料之間, 可填充內(nèi)部結構的孔隙, 所以在低摻量時, 混凝土密度下降很小。我們認為, 在低摻量橡膠粉混凝土中, 存在著一個介于40 目與80 目之間的最佳的粒徑, 可以使得橡膠粉混凝土密度下降最小, 其具體粒徑有待進一步研究。
2.4 抗壓強度
由表3 可看出, 摻橡膠粉改性高強混凝土抗壓強度發(fā)展規(guī)律與高強混凝土一致, 早期強度發(fā)展迅速, 3d 強度均超過70%,后期增長緩慢, 并且其抗壓強度隨著橡膠粉摻量的增加, 迅速下降。由圖3 可知, 三個不同粒徑的橡膠粉改性高強混凝土在不同摻量時, 其抗壓強度變化一致, 隨著橡膠粉摻量的增加, 抗壓強度迅速下降。當摻量為16.2kg/m3 時, 強度損失達19%, 而摻量增至21.6kg/m3, 強度變化曲線平緩。本研究認為, 橡膠粉改性高強混凝土的抗壓強度與粒徑關系不明顯, 主要影響是摻量的大小。因為橡膠粉為彈性體, 抗壓強度低, 摻和了橡膠粉, 等于增加了混凝土中的軟弱點, 削弱了高強混凝土的受力性能, 所以強度下降明顯; 當摻量增至21.6kg/m3 時, 強度損失不再增加, 則是因為本研究所采用的高強混凝土其自身就使用了大量的高效活性礦物摻合料, 這些摻合料與橡膠粉相互填充, 使得混凝土內(nèi)部密實性增加, 當密實性增加到一定程度時, 其強度變化平緩。
3 高溫試驗結果及分析
3.1 試驗方法
試件標準養(yǎng)護28d, 取出放置室內(nèi), 7d 后, 將全部試件平鋪放置于高溫爐內(nèi), 在無外壓力狀態(tài)下進行高溫明火試驗。高溫爐升溫曲線采用ISO834 國際標準升溫曲線, 實際升溫曲線與標準曲線相接近, 當溫度由室溫升至500℃時, 立即轉為恒溫。由于試驗爐恒溫條件的限制, 實際溫度變化曲線如圖4所示, 恒溫時間為1h。
?；鸷? 爐內(nèi)通風冷卻, 打開爐門, 試件在空氣中冷卻至室溫時取出, 放置于室內(nèi)7d, 然后對其進行質(zhì)量和高溫后殘余抗壓強度等試驗。
3.2 高溫后試件外觀
試件經(jīng)高溫作用后, 其外觀均發(fā)生了較大的變化, 本文將試驗結果拍照, 見圖5。可以看出, 未摻橡膠粉的高強混凝土試件, 在高溫作用后, 試件發(fā)生了爆裂。橡膠粉混凝土高溫作用后, 試件爆裂情況較為離散, 但從總體看, 試件隨著橡膠粉摻量的增加及顆粒細度的增加, 爆裂情況加劇。RPC40 前三組( 三個百分比) 的各三個試件, 外觀保持完整, 當摻量達21.6kg/m3 時,
爆裂嚴重。RPC60 與RPC80 各組都有試件發(fā)生了不同程度的表面爆裂, 如RPC60-2、RPC60-3、RPC60-4 與RPC80-3, 每組三個試件都發(fā)生了爆裂, 而以RPC80-4 最為嚴重, 有一個試件發(fā)生了較為嚴重的破壞爆裂, 完全失去了持荷能力。
3.3 高溫后質(zhì)量變化
將受火前混凝土試件稱其質(zhì)量, 在受火結束后, 清除試件表面的碎屑、浮灰, 然后測量其高溫后質(zhì)量, 將試件高溫后質(zhì)量與其高溫前質(zhì)量相比, 稱為高溫后質(zhì)量剩余比, 如圖6 所示( F代表高溫后) , 其中RPC80-4 有一個試件爆裂嚴重, 難以測量,將其剔除。由圖5、6 可知, 當混凝土不發(fā)生爆裂, 外觀完整時, 其質(zhì)量
損失低于5%, 隨著橡膠粉摻量的增加, 質(zhì)量損失略有增加。這是因為橡膠粉為非耐高溫材料, 當溫度達到180℃時, 開始軟化, 當溫度超過250℃時, 則開始降解[10]。
高強混凝土受高溫后, 首先將發(fā)生水分的蒸發(fā), 并隨著溫度的升高, 開始C- S- H 凝膠的脫水分解, Ca( OH) 2、CaCO3 的分解等, 部分高強混凝土試件表面可能發(fā)生爆裂, 因此高溫后必將發(fā)生質(zhì)量損失, 本試驗結果與文獻[11, 12]一致。
3.4 高溫后混凝土抗壓強度
混凝土在高溫冷卻后的殘余抗壓強度對于火災后混凝土結構的損傷評估及鑒定加固具有重要意義。本文將橡膠粉改性高強混凝土立方體試塊在高溫后的抗壓強度fcuT 與常溫下的抗壓強度fcu 進行了比較, 如圖7 所示。
由圖5、7 可知, 經(jīng)500~600℃高溫作用后, 當混凝土表面不發(fā)生爆裂、外觀完整時, 混凝土強度下降低于5%。而橡膠粉改性高強混凝土的強度沒有下降反而有一定的上升, 強度增加了4%~15%, 已有文獻未曾發(fā)現(xiàn)有此現(xiàn)象報導。而當混凝土試件發(fā)生爆裂時, 其強度下降明顯, 最大損失超過25%, 甚至失去持荷能力。
3.5 高溫后結果探討
本文所研究的橡膠改性高強混凝土, 其28d 強度均超過80MPa, 屬高強混凝土。部分配比的試件在高溫下發(fā)生爆裂, 其結果與文獻[11~13]的試驗結果一致, 高強混凝土在快速升溫超過400℃時, 大部分試件將發(fā)生爆裂。
高強混凝土高溫爆裂機理目前尚未有一致的解釋, 但蒸汽壓機理( the vapor pressure build up mechanism) 是目前比較一致的解釋[12, 14]。蒸汽壓機理是指致密的硬化水泥漿在高溫下阻止水蒸氣的逸出, 從而產(chǎn)生了內(nèi)部蒸汽壓, 當蒸汽壓達到一定數(shù)值時, 即引發(fā)混凝土高溫爆裂。本研究的外摻材料是不同粒徑的精細橡膠粉, 它在200℃左右發(fā)生融解, 并隨著溫度的上升而汽化, 由于固氣相的體積膨脹, 攜同混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水蒸氣,
在快速升溫的情況下, 無法逃逸密實性非常高的混凝土結構,所以引發(fā)爆裂, 比較圖5 可知, 爆裂的發(fā)生與橡膠粉的粒徑、摻量明顯相關, 隨著粒徑的細化與摻量的增多, 爆裂危險增加, 如RPC80-4。而當粒徑增大為40 目, 當摻量低至16.2kg/m3 時, 則爆裂現(xiàn)象大為改善。其主要原因是因為40 目橡膠粉粒徑大, 其連通的空間也大, 在高溫作用下, 橡膠粉的融解, 如同打通了原本封閉的區(qū)域, 疏緩了混凝土內(nèi)部高溫蒸汽壓, 所以抑制了爆裂的發(fā)生, 但隨著摻量的增大, 其本身汽化產(chǎn)生的蒸汽壓, 以及因其摻和而弱化的混凝土內(nèi)部結構, 導致了爆裂的發(fā)生。比較圖5 與圖7, 經(jīng)高溫作用后, 橡膠粉混凝土試件在不發(fā)生破壞性爆裂時, 所測得的抗壓強度不但沒有下降反而上升,這主要是由于本研究所采用的高強混凝土水膠比很低, 而橡膠粉表面凹凸不平, 并且非極性, 所以在攪拌時, 被它裹藏、吸附了一定水分, 其第一表現(xiàn)為新拌混合物坍落度的損失, 緊接著影響水化物的成長, 表現(xiàn)在隨著橡膠粉摻量的增加, 后期強度增加更為緩慢。而在高溫作用時, 橡膠粉融解, 釋放其包藏的水分, 并在一定區(qū)域連通了混凝土內(nèi)部空間, 使這一空間內(nèi), 如同高溫蒸汽養(yǎng)護, 促進了水泥進一步水化反應, 并激發(fā)了摻合料的火山灰效應及增強效應, 從而強化了該區(qū)域空間內(nèi)的混凝土強度, 由于橡膠粉在攪拌后均勻的分布在混凝土里面, 所以使得高溫后整體混凝土強度提高。
4 結論
通過試驗研究我們得出如下結論:
(1) 外摻低用量橡膠粉高強混凝土, 對拌合物工作性影響不大, 隨著摻量從5.4kg/m3 增加到21.6kg/m3, 坍落度先增后減,并且粒徑小的橡膠粉對混凝土拌合物的影響優(yōu)于粒徑大的橡膠粉;
(2) 當利用橡膠粉外摻高強混凝土時, 橡膠粉的粒徑對混凝土表觀密度的影響較明顯, 且隨著摻量的增加, 表觀密度迅速下降。在本文所采用的三個不同粒徑的橡膠粉中, 60 目橡膠粉對混凝土密實性的影響要優(yōu)于40 目與80 目橡膠粉;
(3) 橡膠粉改性高強混凝土抗壓強度的發(fā)展規(guī)律與普通高強混凝土的一致, 前期發(fā)展較快, 后期較慢。橡膠粉粒徑對抗壓強度影響較弱。隨著橡膠粉摻量的增加, 混凝土強度急劇下降,而當外摻量不超過10.8kg/m3 時, 混凝土強度下降可控制在10%以內(nèi);
(4) 經(jīng)500~600℃高溫作用后, 普通高強混凝土與橡膠粉改性高強混凝土都有爆裂發(fā)生, 隨著橡膠粉粒徑細度的增加, 爆裂現(xiàn)象加重。當外摻40 目的精細橡膠粉, 且摻量低于16.2kg/m3 時, 試件均保持外觀完整;
(5) 剔除因表面發(fā)生爆裂造成的混凝土質(zhì)量損失, 試驗結果表明: 高強混凝土與橡膠粉改性高強混凝土經(jīng)500~600℃高溫作用后, 質(zhì)量損失不大于5%;
(6) 經(jīng)高溫作用后, 表面不發(fā)生爆裂的橡膠粉混凝土, 強度增長4%~15%, 其增強機理有待進一步研究。
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