橡胶混凝土性能研究

橡胶混凝土性能研究（精选8篇）

橡胶混凝土性能研究 篇1

0 引言

随着汽车工业的迅猛发展,废旧橡胶轮胎急剧增加。橡胶轮胎在自然条件下难降解,填埋和堆放的地方容易成为蚊子的孳生场所,污染环境,传染疾病,并有可能引起火灾[1]。据统计,目前我国年消耗橡胶近200万t,回收利用率不到30%。日益增加的废橡胶的处理已成为全球性环境及资源难题,其合理回收与利用,对于环保问题突出、资源相对缺乏的我国尤其具有重要意义[2]。

已有研究表明[3,4,5],将废旧橡胶掺入混凝土中是处理和利用这种固体废弃物的一种较好方法。普通混凝土的抗拉、抗冲击性能不足,而橡胶具有较好的韧性、抗渗性、抗疲劳、保温隔热、隔声等特点,将轮胎破碎成橡胶粉掺入混凝土中,能够填充空隙,约束混凝土内微裂缝的产生和发展,并形成吸收应变能的结构变形中心,以提高混凝土的抗冲击和抗震性能[6]。将废旧橡胶轮胎破碎后掺入到混凝土中,不但能增加混凝土的韧性,改善其抗冲击性和抗震性能,扩大混凝土的应用范围。同时又能解决大量废旧橡胶的回收利用问题,因此,橡胶混凝土的研究和应用正成为热点[7,8,9,10,11,12]。

1 橡胶混凝土的性能

橡胶混凝土是在混凝土基体中用橡胶取代一定体积含量的骨料组成的复合材料。目前,国内外对橡胶混凝土的研究主要集中于强度、耐久性能、动力性能、隔声性能及隔热性能等方面。其中,对粗颗粒橡胶混凝土的性能研究较多,对细颗粒橡胶混凝土的性能研究较少;对橡胶混凝土的力学性能研究较多,对耐久性研究相对较少。

在混凝土中掺入橡胶,会带来两个不同的效果。有利的方面是,橡胶颗粒可以填充混凝土中的空隙,使混凝土的密实度增加,在受到破坏作用时,混凝土的细观裂纹经过橡胶颗粒时,橡胶颗粒有较好的弹性,阻止了裂纹的进一步发展,因此橡胶混凝土具有良好的韧性。不利的方面,橡胶颗粒加入的同时,不可能按照理想的方式全部填充空隙,反而导致橡胶混凝土的抗压、抗拉强度降低。并且随着橡胶掺入量的增加,混凝土抗压、抗拉强度下降越多。在试验的过程中看出,橡胶混凝土的破坏形态明显不同于素混凝土的破坏形态,在素混凝土达到破坏极限值时,整个混凝土爆裂成很多的碎片,表现出明显的脆性。而橡胶混凝土在达到峰值应力时,随即便软塌,整个混凝土依然保持原来的形状。从静态抗压破坏的的试验现象可以看出,橡胶的掺量增加了混凝土的韧性,减少了其脆性破坏的不利因素。而且,随着橡胶掺量的增大,破坏的韧性更加明显。

1.1 强度

加入橡胶粉后,混凝土的抗压强度、抗拉强度、轴心抗压强度、弹性模量均出现了不同程度的下降,且掺量越大,上述力学性能下降的幅度越大。研究表明,橡胶混凝土强度的降低主要归因于橡胶粉与水泥浆体材料性质的差异。橡胶属于有机高分子化合物,而水泥属于无机化合物,两者的分子之间不能形成有效的粘合。为了改善胶粉与水泥浆体的界面结构提高橡胶混凝土的强度,国内外对此进行了大量研究。

土耳其Eskisehir Osmangazi大学Ilker Bekir Topcu(1995)用橡胶粉取代15%-45%集料掺到混凝土中,成型150mm×300mm的圆柱体及边长为150 mm的立方试件进行抗压实验,按ASTM C 496试验标准测定应力～应变曲线,结果表明:混凝土抗压强度降低程度达50%,拉伸强度降低程度达64%,塑性能增加,弹性能降低,说明加入橡胶粉以后,降低了混凝土的抗压、抗拉强度,增加了混凝土的变形能,提高了混凝土抗断裂的能力[13]。

美国宾夕法尼亚大学Rostami等[14]研究了橡胶粉的处理方法对橡胶混凝土强度的影响,他们分别用水、四氯化碳溶剂、胶乳清洗剂对胶粉进行清洗后,掺入到混凝土中,结果显示,用水清洗的胶粉所制的混凝土与未清洗胶粉所制的混凝土相比,抗压强度提高了16%;而当用四氯化碳溶剂处理过的胶粉掺入混凝土中抗压强度约提高57%。

黄少文等[15]用表面活性剂和树脂改性橡胶粉,实验结果表明,与未改性胶粉的混凝土相比,掺用改性胶粉的混凝土强度下降幅度显著减小。

可见,橡胶粉掺量的多少和粒径的大小对混凝土的强度影响较大;随着橡胶粉用量的增加,混凝土强度降低,韧性有所增加;通过橡胶粉颗粒表面的预处理,可以减少橡胶混凝土的强度降低程度。

1.2 动力性能

橡胶混凝土的韧性与普通混凝土相比,有了较大的提高。因此,我们有必要对它的动力性能进行研究。Topcu等[3]率先对橡胶混凝土试件进行落锤试验,研究其抗冲击性能。实验结果发现,掺橡胶有利于提高混凝土的抗冲击性能,尤其是掺入较大的橡胶颗粒,对混凝土抗冲击性能提高更多。这主要是由于掺入橡胶增加了混凝土的韧性,提高了橡胶混凝土的抗冲击能。许静等[16]的研究表明,掺入的胶粉质量为粗骨料质量的12%时,橡胶混凝土构件的阻尼比普通混凝土明显提高,他们认为胶粉的填充行为和弹性行为使混凝土的损耗模量增大,从而提高混凝土的减震(降噪)性能。袁勇和郑磊[17]采用自由振动法对橡胶混凝土简支梁进行试验,以测量小变形情况下不同橡胶掺量和橡胶粒径对橡胶混凝土阻尼比的影响。同时,他们测量了橡胶掺量和粒径对简支梁的自由振动频率的影响,用弹性波法测量了橡胶混凝土的动弹性模量,并对动弹模和静弹模的试验结果进行了比较,实验结果发现,橡胶混凝土的阻尼较之普通混凝土有显著提高,弹性模量和基频随橡胶掺量的增加而降低。

1.3 抗冲击性

橡胶混凝土的动力学性能研究主要集中于抗冲击性和阻尼性。研究表明,在混凝土中掺入橡胶以后,其抗冲击性能增加,主要原因是橡胶混凝土的韧性增加,材料吸收能量的能力提高。许多研究都报道了橡胶混凝土的抗冲击性能增加。土耳其Eskisehir Osmangazi大学Ilker BekirTopcu和N Avcular(1997)采用粒径为1.7mm和2.2mm的橡胶颗粒,取代粗集料的百分率为15%、30%和45%,制成150mm×300mm的橡胶混凝土试件,进行落锤试验,发现掺入橡胶有利于提高混凝土的抗冲击性能,尤其是掺入较大的橡胶颗粒,对混凝土抗冲击性能提高更多[8]。

2 橡胶混凝土的应用

国内外研究成果表明,橡胶混凝土的耐久性能、动力性能、隔热性能和隔声性能等方面比普通混凝土更优越,能较好适应一些特殊土木工程市场的需要。近年来,橡胶混凝土已逐渐在公路、铁路、民用建筑等中取得开拓性进展。

在公路方面,橡胶改性沥青混凝土路面材料已经应用到实际工程之中,并已取得较好成效。与普通沥青路面相比,掺人橡胶的沥青路面大大减轻了夏季粘软和反光、冬季开裂和硬化现象。同时,橡胶混凝土路面具有更好的韧性,因此大大降低了汽车行驶时的噪声。美国亚利桑那州北部2003年建造了世界第1条橡胶混凝土路面。近年来,我国也在上海市外环道路、内环线高架桥等工程中,应用了橡胶混凝土作为韧性面层材料、桥梁伸缩缝及伸缩缝开裂修复弹性材料。

在铁路方面,韩国发明了将废轮胎胶粉、砂石、水泥混合,用模具压制成铁路枕木,这种材料制作的铁路枕木具有重量轻、抗冲击和耐腐蚀等优点,还能减少火车行驶噪声和震动,已经在铁路平交道口中大量应用。实践证明,采用这种技术生产平交道口新型铺面板,能够提高道口铺面寿命,减少维修,增加道口安全性,极大地降低重载车辆对线路的冲击作用,并能减震降噪,减少火车行驶时对附近居民的干扰。

我国青岛绿叶橡胶有限公司与加拿大枫叶控股集团公司合作实施橡胶混凝土轨枕生产项目。这种新型的建筑材料具有许多优越的性能。在建筑方面,橡胶混凝土具有显著的隔声、隔热性能,是一种理想的保温隔热材料,已经大量用于建筑物的外围隔墙。同时,普通混凝土楼板虽然隔空气噪声的效果较好,但隔撞击声(固体噪声)的效果却很差,而橡胶混凝土楼板却具有很好的隔撞击声效果,这对于一些特殊的建筑物,如火车站,锻造车间等,具有广泛的应用前景。

3 橡胶混凝土研究中存在的问题

现阶段,国内外关于橡胶混凝土的研究已经取得一定的成果。然而,橡胶混凝土作为一种新型的建筑材料,其工作性能并没有被人们完全了解,关于它的性能尚处于探索性研究初期,还有许多问题亟待解决。

橡胶混凝土是由水泥浆体、骨料和橡胶粉组成的多相复合材料。而复合材料各相是通过界面结合成整体。橡胶粉、骨料和水泥浆体之间的界面区是复合材料内部结构中的薄弱环节,决定着复合材料的力学性能。集料和水泥浆是无机材料,橡胶粉是有机高分子材料,两者之间表面能相差比较大,其结合面较脆弱。因此,要改善橡胶混凝土的整体性能,需要深入研究橡胶粉与水泥浆体界面力学性能。另一方面,已有文献从静力层面对橡胶混凝土研究相对较多,而从动力层面对其研究较少。要将橡胶混凝土材料广泛应用于抗冲击的结构中,必须先深入研究橡胶混凝土的动力性能,建立其本构关系模型、多轴强度理论,以及一系列的结构设计方法。

目前,橡胶混凝土还没有规范的配合比设计方法。由于橡胶粉压缩性较大,比重较轻,容易导致在振捣成型时,橡胶粉上浮,使得构件内部橡胶粉分布不均匀,故现有的普通混凝土的配合比设计方法并不完全适用于橡胶混凝土。另外,橡胶粉的粒径、种类及用量等对橡胶混凝土的和易性影响较大,其工作性能难以稳定控制。因此,需要对橡胶混凝土施工技术方面进一步研究,以便建立适合于橡胶混凝土的配合比设计方法。

摘要：为了综合利用废旧橡胶,同时减轻环境保护的压力,建议将橡胶粉掺入混凝土中制成橡胶混凝土,使废旧橡胶由环境公害的黑色废物变成土木工程领域的绿色资源。橡胶集料混凝土具有轻质、弹性减震、降噪隔音、韧性好等优点。本文综述了国内外在该领域已有的研究成果,全面介绍了这种混凝土的物理力学以及抗冲击性能,为该种材料的深入研究和应用提供了借鉴和指导意义。

关键词：废旧橡胶,橡胶混凝土,冲击,力学性能,阻尼

橡胶混凝土性能研究 篇2

关键词：沥青路面；再生沥青混合料；冻融循环；橡胶沥青；CT 扫描

中图分类号：U416.26文献标识码：A

低温条件下的沥青路面破坏往往伴随着冻融过程，从而加速了沥青路面的裂缝产生.橡胶热再生沥青混合料就是将橡胶沥青与热再生技术相结合，从而在一定程度上增强沥青混合料的低温柔韧性，减少冻融现象，并具有环保作用.黄冲1通过室内试验对胶粉热再生沥青混合料的低温性能进行评价后发现，胶粉对于热再生沥青混合料的低温性能具有促进作用.郭朝阳2在常温及低温条件下研究了废胶粉在沥青中的改性机理，其结果表明，改性沥青中未溶解的胶粉颗粒可提高其低温抗裂性能并增强沥青的弹性恢复性能.Widyatmoko3采用力学经验法对RAP掺量分别为10%， 30%及50%时6种类型再生沥青混合料进行实验评估.新沥青的针入度为60～80，并未掺加再生剂.研究结果表明：再生沥青混合料与传统新拌沥青混合料具有相当的路用性能.Jeong4采用动态剪切试验DSR与色谱凝胶分析GPC方法对7种拌合反应时间、3种拌合温度、4种胶粉掺量的橡胶粉与沥青间的相互反应进行室内试验，研究表明，反应时间与反应温度对橡胶沥青的性能影响最为显著，胶粉掺量对橡胶沥青的流变参数G*与sinδ有着显著影响.由此可见，在再生混合料中使用橡胶沥青，已经得到日益广泛地研究与应用.然而，对于经冻融过程的橡胶热再生沥青混合料低温性能的研究则鲜有报道.

湖南大学学报自然科学版2014年

第11期汪海年等：橡胶热再生混合料低温性能与细观特征研究

沥青混合料自身材料特性及其内部细观结构特征对其宏观力学行为起着关键作用，同时对沥青混合料的低温抗裂性能也有着非常重要的影响5.纵观现行的众多沥青混合料低温性能评价方法，仍多限于表象法的室内试验，同时沥青混合料内部结构特征与其宏观力学性能之间的关系也较少涉及，且缺乏沥青混合料材料性能的细观特征描述，从而导致了统计指标诸如沥青用量、空隙率等相同而各试件力学性能有较大差异的情况6.

鉴于此，本研究对冻融前后的小梁试件分别进行低温弯曲试验，研究不同胶粉掺量6.4%，9.2%和14.1%、不同胶粉细度20目，40目和80目和不同RAP掺量25%，35%和50%条件下的橡胶热再生沥青混合料的低温性能.基于工业CT无损扫描技术，对冻融前后的试件分别进行扫描，并根据处理后的扫描图像来定量描述冻融前后试件体积指标的变化，从而更好地解释了橡胶热再生沥青混合料的低温抗裂机理，促进了橡胶热再生沥青材料配合比设计方法从模糊经验到理论实际的转化.

1原材料的技术性能

1.1RAP料

本研究所采用的RAP料来自于陕西某高速公路试验段的铣刨旧料，其中铣刨深度为4 cm左右，且尽量保证所取旧料为路面的上面层7.采用离心抽提法得到的旧沥青技术性质如表1所示.

1.3橡胶沥青

本研究采用湿法工艺制备橡胶沥青，以SK90#基质沥青作为调和沥青，改性温度定在180～200 ℃之间，改性时间为60 min.不同胶粉掺量的橡胶沥青性能如表5所示.

由此可知，胶粉的加入使基质沥青的高低温性能和弹性恢复性能都有了不同程度的改善8.

2低温性能研究

2.1试验方法

本文以橡胶沥青作为热再生沥青混合料的调和沥青，采用AC16级配，以最大弯拉应变作为控制指标，采用小梁低温弯曲试验研究不同胶粉掺量6.4%，9.2%和14.1%、不同胶粉细度20目，40目和80目和不同RAP掺量25%，35%和50%条件下经冻融过程的橡胶热再生沥青混合料的低温性能，并确定最佳的RAP掺量、胶粉掺量和胶粉细度.在试验过程中，需要制备两组平行试件，其中一组为经过16 h、18 ℃控温的冻融试件，另一组为未冻融的试件.将冻融试件在常温水中保温12 h后与未冻融试件分别进行小梁低温弯曲试验，并将结果进行对比分析

2.2不同胶粉掺量的橡胶热再生沥青混合料冻融

前后对比

本文选取胶粉掺量分别为6.4%，9.2%和14.1%的橡胶热再生沥青混合料来研究不同胶粉掺量的橡胶热再生沥青混合料冻融前后的低温性能.其中，RAP掺量为25%，胶粉细度为80目.此外，本试验还增加了一组RAP掺量为25%的基质沥青热再生沥青混合料以作对比.如图1所示，横坐标胶粉掺量为0则代表RAP掺量为25%的基质沥青热再生沥青混合料.下降比率则表示冻融后的最大弯拉应变相对于冻融前的下降程度下同.由图1可知，胶粉掺量为14.1%的橡胶沥青冻融后的低温性能下降幅度最大，为32.7%；而胶粉掺量为9.2%的橡胶沥青冻融后的低温性能下降幅度最小，为10.5%；相对于基质沥青热再生混合料来说，胶粉掺量为9.2%的橡胶热再生沥青混合料具有更好的抗低温性能.因此，考虑到实际路面受低温影响时往往伴随冻融的现象，结合以上实验结果可知，胶粉掺量并不一定是越大越好.其原因是沥青中的胶粉达到饱和后，多余的橡胶粒会聚集成团状，且胶粉团的内部基本没有粘结力，胶粉团的自身溶胀能力也随着温度的降低而降低，导致橡胶沥青的延性受阻，从而会对橡胶沥青的低温性能造成不利影响10-11.这个现象也说明了橡胶沥青在某些条件下会存在一个最佳胶粉掺量的问题，如本研究中所得出的橡胶热再生沥青混合料的最佳胶粉掺量为9.2%.

胶粉掺量%

2.3不同胶粉细度的橡胶热再生沥青混合料冻融

前后对比

本文选取胶粉细度分别为20目，40目和80目的橡胶热再生沥青混合料来研究不同胶粉细度的橡胶热再生沥青混合料冻融前后的低温性能.其中，RAP掺量为25%，胶粉掺量为9.2%.同样，本试验增加了一组RAP掺量为25%的基质沥青热再生沥青混合料以作对比.结果如图2所示，横坐标胶粉细度为0则代表RAP掺量为25%的基质沥青热再生混合料.由图2可知，掺40目胶粉的橡胶沥青冻融后的低温性能下降幅度最大，为18.7%；而掺80目胶粉的橡胶沥青冻融后的低温性能下降幅度最小，为10.4%；相对于基质沥青热再生混合料来说，掺80目胶粉的橡胶热再生沥青混合料具有更好的抗低温性能.

胶粉细度目

2.4不同RAP掺量的橡胶热再生沥青混合料冻融

前后对比

本文选取RAP掺量分别为25%，35%和50%的橡胶热再生沥青混合料来研究不同RAP掺量的橡胶热再生沥青混合料冻融前后的低温性能.其中，胶粉细度为80目，胶粉掺量为9.2%.此外，本试验以同样RAP掺量的基质沥青热再生混合料和橡胶热再生沥青混合料作对比试验.结果如图3和图4所示.

在图3中，横坐标RAP掺量为0%代表的是无RAP料的采用新集料基质沥青混合料.由图3可知，随着RAP掺量的增大，基质沥青热再生混合料冻融后的抗低温性能下降幅度逐渐增大.在图4中，横坐标RAP掺量为0%代表的是无RAP料的采用新集料橡胶沥青混合料.由图4可知，当RAP掺量为35%时，橡胶热再生沥青混合料冻融后的抗低温性能下降比率最大.

为了作一个定量的对比，将不同RAP掺量的基质沥青热再生混合料和橡胶热再生沥青混合料冻融后的抗低温性能下降比率进行汇总，如图5所示.

由图5可知，橡胶沥青热再生混合料相对基质沥青热再生沥青混合料有更优越的抗低温性能.尤其考虑到路面经受低温影响时往往伴随着冻融的现象，橡胶沥青热再生混合料经冻融后的低温性能下降较小，且相对基质沥青热再生混合料来说具有更好的耐久性及抗低温性能11.

RAP掺量%

3细观特征研究

基于工业CT无损扫描技术，对冻融前后的试件分别进行扫描，并以闭口空隙为控制指标来定量描述冻融前后试件的细观结构特征，从而更好地表征橡胶热再生沥青混合料的低温性能12.

3.1实验条件

根据以上的低温弯曲试验结果，确定最佳RAP掺量为25%，胶粉细度80目，胶粉掺量为9.2%，并在室内成型标准马歇尔试件，相关材料技术指标同上.采用YXLON Compact225型工业CT对成型后的标准马歇尔试件进行扫描，其中：扫描电压为200 kV，扫描电流为0.6 mA，投影数为1 080，积分时间为700 ms，扫描时间为16 min.

3.2结果分析

对比冻融前后的截面图，可发现冻融后的空隙率明显变大.为了做一个定量分析，本文采用该工业CT的专用图像分析软件VG Studio MAX以下简称VG对其闭口空隙率进行计算.由于VG软件包含CT扫描的所有原始数据，故其对闭口空隙率的计算并不影响其最终结果.以每25 mm3为一个体积区间，对VG软件的空隙率计算结果进行统计分析，可得冻融前后试件空隙体积范围分布如图7所示.由图7可知，冻融前的试件空隙主要分布在0～75 mm3范围内，采用VG软件计算其闭口空隙率为2.9%；冻融后的试件空隙体积也主要分布在0～75 mm3范围内，但是相对于冻融前的空隙分布，在0～25 mm3体积范围内的空隙数量减少了13.8%，而在25～50 mm3体积范围内的空隙数量则增加了62.9%. 再对冻融后的试件进行闭口空隙率计算，得其空隙率为3.49%，比冻融前增大了20.3%.

4结论

1 相对于基质沥青热再生混合料来说，胶粉掺量为9.2%，胶粉细度为80目，RAP掺量为25%的橡胶热再生沥青混合料具有更好地抗低温性能.尤其考虑到路面经受低温影响时往往伴随着冻融的现象，橡胶热再生沥青混合料经过冻融后的低温性能下降较小，相对基质沥青热再生混合料有更好地耐久性与低温抗裂性能.

2 基于工业CT无损扫描技术，分别对橡胶热再生沥青混合料冻融前后的试件进行了扫描，通过对比发现，冻融后试件的闭口空隙率增大了20.3%，且在0～25 mm3体积范围内的空隙数量减少了13.8%，在25～50 mm3体积范围内的空隙数量则增加了62.9%.

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橡胶混凝土性能研究 篇3

1 废橡胶粉活化与活化沥青制备

1.1 常规橡胶沥青的制备

首先,把用于改性的基质沥青放到加热容器里加热,使其温度达到180℃备用;然后,把规定质量加热后的基质沥青投放到拌合容器中;并将设计比例的磨细橡胶粉分批次缓慢倒入搅拌容器内,并缓慢搅拌,其中橡胶粉添加比例为基质沥青的18%;待所有橡胶粉都混合到拌合容器后,将容器置于能够自动控温的加热设备上,然后采用能够高速剪切分散沥青的FM300型号的乳化机器进行拌合,拌合过程严格控制温度和旋转速度,温度设定在180℃左右,搅拌旋转速度设置为2000r/min,搅拌时间为60min。另外,调制好的沥青现配现用,不放置[2,3]。

1.2 利用活化工法制取橡胶沥青

首先,把用于改性的基质沥青放到加热容器中加热,使其温度达到170℃备用;然后,把规定质量加热后的基质沥青投放到拌合容器中;并将设计比例的磨细橡胶粉和活化辅助剂B分批次缓慢倒入到搅拌容器内,并缓慢搅拌,防止沥青飞溅,其中橡胶粉添加比例为基质沥青的18%,活化剂质量为橡胶粉质量的4.5%;等到所有的橡胶粉都混合到拌合容器后,将容器放到能够自动控制温度的加热设备上,然后采用能够高速剪切分散沥青的FM300型号的乳化机器进行拌合,拌合过程严格控制温度和旋转速度,温度设定在170℃(±3℃),搅拌旋转速度设置为500r/min,搅拌时间为60min。另外,调制好的沥青现配现用,不储存放置。

2 试验结果分析

采用各种工法制作的橡胶沥青,其各项指标如表3.3所示:

2.1 高温性能分析

(1)表3.3的数据显示,加入橡胶粉以后,能够有效改善基质沥青的软化特性,提升基质沥青软化点和当量软化点,其中将沥青软化点温度升高15℃以上,当量软化点升高10℃以上。结果表明,橡胶沥青在较高温度下具有较好的高温稳定性;将活化后的橡胶改性沥青与普通橡胶沥青的试验指标进行对比研究,得出活化橡胶沥青的各项指标比改性前均略有提高,但都处于同一量级内,即两种沥青在高温下的稳定性基本相同,具有良好的抗车辙性能。

(2)从表3.3试验结果能够得出,沥青材料的粘性主要是通过沥青材料颗粒之间的分子引力形成的,温度对橡胶沥青的粘性有一定影响,且温度越高,橡胶沥青的粘性会很大程度的降低,随着温度的增加分子比较活跃,运动加快,分子间距离增加,导致分子引力减小,从而使得粘度降低。当试验温度为180℃时,活化后的橡胶沥青布氏旋转黏度为1.559Pa·S,位于1.0~4.0Pa.s的区间内,完全达到国家乃至国际中关于橡胶改性后的沥青的技术要求,活化后的沥青在高温和低温条件下都具有较好的稳定性,即布氏旋转黏度值既不会因太低而影响胶结料的高温性能,又不会因太高而影响施工的和易性。从布氏旋转黏度指标上来看,活化后的沥青混合料比未活化前稍大,这表明了活化后的橡胶沥青材料具有更好的高温稳定性。

2.2 低温性能

对于低温下沥青混合料的特性评价指标国内外都未达成一致的意见。在我国,通常选用两个参数评价沥青混合料的低温性能,一是5℃时,标准试件拉伸至断裂时的长度;其二是当量脆点T12来衡量在低温条件下沥青结合料抵抗开裂的能力。然而,我国的许多学者不同意采用用第一个指标来评沥青的低温特性。因此,本文利用当量脆点T12来评价橡胶沥青材料的低温特性。脆点是在特定的试验条件下,沥青发生断裂时的温度。通常情况下,随着当量脆点的降低,沥青在低温下抵抗开裂的特性会逐渐变好。没有活化的橡胶沥青在针入度为1.2时的温度能够降低到-19.4℃,比基质沥青下降了2.6℃,结果表明,未经活化处理的橡胶沥青在较低的温度下,产生裂缝的概率比基质沥青小;而经过活化后的橡胶沥青,其针入度为1.2时的温度却降低至-21.1℃,比基质沥青下降了4.3℃,减小的比例大于25%,这比未经活化的橡胶沥青还要小1.7℃,这说明普通的橡胶沥青经过活化处理后,可以大大提高在低温条件下的抗开裂性能。

2.3 弹性恢复性能

《北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南》对卸去作用力后的沥青恢复变形的特性做出了界定,其弹性恢复概率应当超过55%。从相关试验研究结论能够得出,没有经过活化的橡胶沥青,卸载后弹性变形回复率为65%,这一数据显示了其优良的弹性变形能力。能够很好地抵抗疲劳和开裂;活化后的橡胶沥青发生弹性变形的概率为68%,高于普通的橡胶沥青,表征活化工法配制的橡胶沥青具有极强的弹性变形能力,因此,相比基质沥青和未经活化处理的橡胶沥青,活化后的橡胶沥青在抗疲劳性能和防止反射裂缝形成方面具有很大优势。

2.4 抗老化性能

本文针对活化工法配制的橡胶沥青、未经活化的普通橡胶沥青和基质沥青做了RTFOT试验(旋转薄膜烘箱试验)。表3.3中数据显示,3种不同的沥青经过老化试验后,质量有着不同程度的减小,它们的重量分别减小了0.05、0.06与0.05,三者非常的接近;从25℃条件下的针入度比和5℃时的延度比,试件断裂时被拉伸的长度来看,橡胶沥青的抗老化性在一定程度上有所改善,从改性沥青的改性机理角度分析:磨细后的橡胶粉末在与加热后的沥青混合时,橡胶粉末状颗粒将会与沥青产生离子交换,形成新的产物,而且橡胶粉中的S、C、SiO2、Fe2O3元素和化合物与橡胶中添加的预防老化的外加剂都会进入到沥青胶体中,在一定程度上能够缓解沥青老化问题。对于活化后的橡胶沥青,与普通的橡胶沥青具有相似的抵抗老化的能力。

3 结语

本文采用工法制备橡胶沥青混凝土,研究橡胶沥青的各种性能,结果表明:(1)工法橡胶沥青混凝土在试验温度为180℃时,活化后的橡胶沥青布氏旋转黏度为1.559Pa·S,表明活化后的橡胶沥青材料具有更好的高温稳定性。(2)在低温条件下,活化处理后的橡胶沥青同针入度温度更低,表明普通橡胶沥青经活化处理后,可以大大提高在低温条件下的抗开裂性能。(3)分别对活化工法橡胶沥青、普通橡胶沥青和基质沥青做了RTFOT试验,结果表明其质量损失比为0.05、0.06与0.05,表明活化橡胶沥青与普通橡胶沥青具有相似的抗老化能力。

摘要：随着高等级路面的不断使用,对沥青路面性能的要求也越来越高。本文通过活化工法制取橡胶沥青的试验,研究橡胶沥青混凝土的性能。研究结果表明,橡胶沥青混合料与普通沥青混凝土相比,具有较好的高温稳定性、弹性回复性、抗老化性和存储稳定性。

关键词：道路工程,橡胶沥青,性能研究

参考文献

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橡胶混凝土性能研究 篇4

废旧轮胎打碎成橡胶粉代替部分骨料制备成的橡胶混凝土,从质量、韧性、变形等方面可大大改善普通混凝土的性能。 针对橡胶混凝土性能已进行了大量的研究,其中,耐久性更是得到国内外学者的广泛关注。 耐久性的研究主要集中在橡胶混凝土的抗冻、抗渗、抗磨及抗疲劳性能等方面,但对其作用机理的研究较少,且结论不统一。 陈波等[1]发现, 橡胶粉掺量为水泥质量的10%以下时,随着橡胶粉掺量的增大,混凝土的抗渗性能提高;橡胶粉掺量超过水泥质量的10%后, 随着橡胶粉掺量的增大, 混凝土的抗渗性能降低;胶粉的粒径对混凝土抗渗性能影响不大。 A. Benazzouk等[2]研究发现,橡胶颗粒的憎水性能够减少水压力的扩散,并认为橡胶集料可以提高混凝土的耐久性。 李光宇[3]通过试验发现,橡胶粉粒径越大、掺量越多,抗渗性能越好。 而另一些研究成果认为,60目以上的精细橡胶粉在提高混凝土耐久性方面的效果比较明显[4,5,6,7]。 由于市场价格太高,限制了橡胶粉在水泥混凝土材料方面的广泛应用,更多地用于再生胶、橡胶制品、汽车轮胎等。 8目以下的粗橡胶颗粒与水泥基体的相容性较差,主要用于塑胶跑道、草坪、橡胶砖等。 因此,8~40目之间的橡胶粉在改性混凝土方面有较广的空间。 本文主要选用16~40目橡胶粉,进行4种掺量的配比设计,开展橡胶混凝土的抗渗试验研究。

1试验原材料

水泥:徐州市某公司产P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其化学组成及物理力学性能见表1和表2。

%

细集料:普通河砂,Ⅱ区中砂,具体性能指标见表3。

粗集料:5~20mm连续级配石灰质碎石,各项指标符合标准要求,具体性能指标见表4。

水:普通饮用自来水。

外加剂:徐州产MN高效减水剂,外观为黄褐色固态粉末,溶于水使用,减水率15%~25%。

橡胶粉: 西安产精细胶粉, 细度分别为16目、 20目、40目;表观密度1.03g/cm3,各项性能见表5。

为保证胶粉取代集料后混凝土体积的稳定,试验采用绝对体积法进行配合比设计,掺入的废旧轮胎橡胶粉以RC16、RC20、RC40表示,掺入方法为四种掺合物分别以50L,75L,100L,125L等体积取代砂和石子,被取代的砂和石子保持原砂石体积比1: 1.97。 试验以C30混凝土为基准。

基准混凝土配合比: C0∶S0∶G0∶W0=400∶594∶1206∶ 200=1∶1.56∶3.33∶0.50。 以此为基础,考虑胶粉可能对混凝土产生的影响、胶粉改性混凝土的经济性及众多文献关于橡胶混凝土的探索,并经过3d和7d龄期的强度检验,确定各组混凝土配合比如表6。

2橡胶混凝土抗渗试验

2.1试验方法与步骤

采用JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[8]规定的水泥混凝土渗水高度试验方法进行橡胶混凝土的抗渗性试验。 试验设备使用HP-40型混凝土渗透仪,见图1。

注: 表中 RC0 表示参照组基准混凝土,RCX1-X2-X3 中: X1 表示掺入胶粉的粒径大小 ,分别为 16 目 、20 目 、40 目 ; X2 表示等体积取代混凝土中相应成分 ,GS 表示按砂石比;X3 表示胶粉取代集料的体积,分别 50、75、100 和 125L。

本试验主要目的是考察制备的橡胶混凝土的渗透性能相比于基准混凝土的变化情况。 试验水压控制在(0.8±0.05)MPa,同时开始记录时间(精确到分钟),24h后停止试验,取出试件。 试验过程中,水出现在试件顶部,渗水高度即为试件高度,同时立即停止试验,记录试验时间;如果水从试件周围渗出,说明密封不好,要重新密封。 当混凝土较为密实时,压力可改为1.0MPa或1.2MPa。

将顶部渗水的试件用压力机沿纵断面裂成两半,水痕清晰后(约过2~3min)用水笔描出,要求笔迹不宜太粗,该线就是试件的渗水轮廓;然后在劈裂面上覆玻璃板, 量测10条渗水高度线, 精确到1mm,以10个测点处渗水高度的算术平均值作为该试件的渗水高度;计算出同组所有6个试件的渗水高度,再取平均值作为该组试件的渗水高度。 如果同组中3个试件的最大渗水高度减去最小渗水高度的值不大于这3个数均值的30%,此时试件渗水高度均匀,允许先试验该3个试件,渗水高度是这3个试件的平均值。

根据试验所得的渗水高度大小,分析橡胶混凝土的抗渗性,并计算相对渗透系数。

式中:Sk为相对渗透系数,cm/h;Dm为平均渗水高度,cm;H为水压力,以水柱高度表示,cm;T为试验经历的时间,h;m为混凝土吸水率,取0.03。

2.2试验结果及分析

试件劈开后的渗水高度情况见图2。 试件的平均渗水高度见表7。

由图2可见,掺入橡胶粉,混凝土的抗渗性明显提高,掺入的橡胶粉粒径不同,劈开后截面水线的形状有所不同。 掺16目胶粉混凝土的截面水线呈凹形弧状,而基准混凝土、掺20、40目橡胶粉混凝土的截面水线的凹形弧状特征不明显。 另外,掺16目橡胶粉混凝土截面水线的凹形弧状特征随橡胶粉掺量的增加越来越不明显,而掺20目和40目橡胶粉混凝土截面水线的特征受掺量影响较小。

胶粉对混凝土渗水高度的影响见图3, 橡胶混凝土相对渗透系数情况见图4。

由图3和表7可以看出, 掺16目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量的增加呈先减小再增大最后又减小的趋势, 在橡胶粉掺量为75L、125L时得到渗水高度最大值和最小值, 分别为102mm、31mm。 掺20目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量增加先减小再略有增大而后逐渐减小,并在掺量为50L、75L时得到渗水高度最小值和最大值,分别为15mm、34mm。当掺量小于50L时,掺40目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量的逐渐增加迅速减小,并在掺量50L时得到最小值24mm, 而后随着掺量的增加略有增加,但变化不明显。 当混凝土中掺入的橡胶粉量相同时,掺入胶粉颗粒的粒径越小,渗水高度越低,表明混凝土内部结构越紧密,孔隙度越小,抗渗性能越好,但当掺入的橡胶粉量到125L时, 不同粒径胶粉制备的混凝土的渗水高度差别较小,表明橡胶粉的粒径影响渗水高度的效果不再明显。

由图4可见,掺16目橡胶粉的混凝土,掺量小于50L时,随橡胶粉掺量的减少,混凝土渗透系数逐渐降低;橡胶粉掺量大于50L后,随掺量的增加, 混凝土相对渗透系数逐渐降低。 掺20目和40目橡胶粉混凝土的相对渗透系数随橡胶粉掺量变化的波动不明显,且两种胶粉制备的混凝土相对渗透系数差别较小,最大相差不超过0.5×10-6cm/h。 若考虑基准混凝土情况,即不掺加橡胶粉的情况,橡胶混凝土的相对渗透系数将会出现大的变化。 掺16目橡胶粉时,渗透系数先降低后升高,再降低,掺20目和40目橡胶粉时,相对渗透系数先快速降低,而后随胶粉掺量的增加,相对渗透系数趋于平缓。 三种橡胶粉制备的混凝土,掺量达到125L时,相对渗透系数趋于一致。 但无论掺量多少,掺入胶粉的混凝土相对渗透系数都小于基准混凝土。

本试验还测定了28d抗压强度fRcu值, 为进一步分析与相对渗透系数的关系,根据表7中的数据对二者进行了回归分析,n=12,r>0.632,得到:

式(2)表明,对于制备的三种橡胶混凝土 ,其28d抗压强度与相对渗透系数呈负相关关系 , 即随着抗压强度的逐渐减小, 相对渗透系数逐渐增大。 因此, 橡胶粉的掺量应控制在100L以内, 掺量过多,会因水泥石与胶粉黏结薄弱增多而引起相对渗透系数的明显增大,造成抗渗性的降低。

3橡胶粉影响混凝土抗渗的机理研究

Nyame和Mehta[9,10]的研究结果表明 ,混凝土的渗透性与内部孔径分布有关,并很大程度上取决于混凝土内部孔径超过132nm的大孔。 因此,降低混凝土基体中大毛细管孔隙的体积可降低渗透性。

橡胶粉不参与混凝土的水化反应,主要以物理作用填充于混凝土内部[11]。 当橡胶粉掺量较少时,掺入的橡胶粉可以填充混凝土内部的有害孔隙,使混凝土更加密实,从而可以提高抗渗性。 混凝土中的橡胶粉是一种憎水性的高分子细骨料,混凝土内部的橡胶粉表面会形成一层憎水膜,从而加大水在混凝土内部的渗流阻力,大量存在于内部的胶粉还增加了孔隙间的曲折度, 阻止内部毛细孔形成连续、 贯通的网状结构体系,降低了渗透性的作用。 因此, 掺入16目、20目、40目橡胶粉可降低混凝土的渗水高度,提高抗渗性,且掺入的胶粉粒径越小,填充效果越好。 但随橡胶粉掺量的增加,橡胶混凝土抗压强度有明显下降,且橡胶粉掺量越多,混凝土内分布的软点也越多,胶粉与水泥石的包裹界面面积也越多,当界面孔隙遭到水压渗透时,可能导致橡胶混凝土相对渗透系数的激增。 因此,从抗渗角度考虑,胶粉掺量不易过多,宜控制在100L以内。

骨料的粒径及相互的级配关系影响着混凝土内部界面过渡区,从而决定着混凝土拌合物的泌水性。 橡胶粉粒径较大时,橡胶粉形状便不宜按球状考虑,大粒径胶粉表面存在平滑现象,影响水泥浆与胶粉的黏接效果,加上水化早期由于干缩、热收缩和外部荷载使水泥浆体和骨料之间产生应变而易于开裂。 尽管界面过渡区的裂缝非常小,无法用肉眼观测,但比水泥浆体基体的毛细管孔隙大。 所以,对于粒径相对较大的16目橡胶混凝土,内部颗粒的状态、分布都会影响混凝土的抗渗性能,这也是该混凝土渗透性能波动较大的原因之一。

4结论

(1)普通混凝土中掺入废橡胶颗粒可改善其渗透性。 胶粉粒径与掺量对橡胶混凝土渗水高度和相对渗透系数有影响, 胶粉掺量小于125L时,16目、 20目 、40目橡胶混凝的相对渗透系数都低于基准混凝土,但当橡胶颗粒掺量在125L或以上时,所有混凝土的相对渗透系数趋于一致。

(2)由于橡胶混凝土28d抗压强度随着橡胶粉掺量的增加而逐渐减小,胶粉掺量过多,会因水泥石与胶粉黏结薄弱增多问题引起相对渗透系数的明显增大,造成抗渗性的降低,因此,橡胶粉的掺量应控制在100L以内。

橡胶混凝土性能研究 篇5

建筑物一旦发生火灾,其材料性能会严重劣化,结构性能会削弱,导致结构不同程度的损伤,继而使承载力下降。研究表明,混凝土中使用的再生骨料超过50%时强度下降明显,实用性不大,在使用时采用30% 和50% 的再生骨料替代率时性价比较高。因此,笔者采用30%的再生骨料替代率作为基准配合比,0%、3%和5%的橡胶颗粒替代率配制混凝土进行试验,为橡胶颗粒再生混凝土梁耐火性能研究提供依据。

1试验概况

混凝土梁设计和加载方案如图1所示。为得到混凝土梁实际火灾下的力学性能,试验采用恒载升温的方法进行仿真模拟加热,混凝土梁失稳后停止加热,规定混凝土梁在试验中发生倒塌或挠度超过限值(L/20mm)即处于失稳状态。其中,试验中主要测量混凝土梁的跨中挠度和截面温度场,混凝土梁的相关参数见表1。

2加载装置

采用200kN电液伺服万能试验机,采用钢梁在混凝土梁1/3和2/3处施加荷载,试验装置如图2所示。

3试验加热系统

混凝土梁加热方法参照ISO834建议的建筑构件火灾试验曲线进行,温度-时间函数见式(1):

式中:T0为试验炉内初始温度,℃;T为燃烧后试验炉内空气的平均温度,℃;t为燃烧时间,min。

混凝土梁在火灾实验室采用火灾水平炉进行试验,其中混凝土梁顶和梁底周边砌筑防火墙以免位移计烧坏。

4试验结果分析

4.1火灾下梁的温度场分析

混凝土梁 钢筋绑扎 完毕浇筑 前在钢筋 上布置热 电偶,电偶分布如图3所示。

图3中跨中截面电偶测点为1~5号,角部钢筋测点为6号电偶,1/4跨截面电偶布置为7~11号,角部钢筋测点为12号。试验过程中使用计算机对测点温度数据进行采集,测点温度和时间关系曲线,见图4~6所示。

从图中可以看出,不同橡胶颗粒掺量的混凝土梁温度和时间曲线趋势基本相同,温度都是随着时间的增长呈非线性阶梯状增长,当初始温度在50℃左右时温度变化不明显,而在50~120℃时温度增长较快,最后当温度超过120℃时由于混凝土内部水分基本完全蒸发使得混凝土比热容变大,最终温度变化趋于稳定。由于在混凝土梁加热过程中水分蒸发,导致混凝土内温度明显不降低,而处于加热面最近的5号测点经过一小段平稳阶段后温度继续升高,其他测点保持温度平稳最终随着结构破坏而结束。

混凝土梁内的温度梯度和加热器与混凝土的距离有关,距离越近温度梯度越大,距离越远温度梯度越小。从试验数据中可知,混凝土与加热器距离相同时,跨中温度比1/4跨高,这是由于跨中裂缝较多,因此传热性能好。同样,随着再生混凝土内橡胶颗粒掺量增加,测点升温速度加快,这是由于橡胶颗粒掺量的增加,梁内产生的裂缝更多,传热更快。

4.2梁耐火时间分析

表2为不同橡胶颗粒掺量的混凝土梁耐火时间。从表2中可知,混凝土梁由于荷载比越大耐火时间越小,并且耐火时间随着保护层厚度的增大而增大。同样,从图7也可得到,混凝土梁的保护层厚度越大,钢筋温度增长越慢,混凝土梁耐火时间更长。通过对上述三根混凝土梁的耐火试验可知,在具有相同的荷载比时,尽管基准混凝土的保护层厚度大于掺有橡胶颗粒的再生混凝土,但耐火性却低于橡胶颗粒再生混凝土,分析其原因可能是由于橡胶颗粒混凝土中孔隙率较大,使得混凝土的导热系数降低,温度增长较慢。

4.3梁的挠度分析

火灾后混凝土梁受力状态下的挠度主要由两部分组成:初始荷载挠度、高温后附加挠度。两部分挠度值都可通过位移计测得,不同类型混凝土的高温附加挠度和时间关系,见图8所示。

从图8可知,高温后混凝土梁附加挠度随着时间的推移而持续增长,前40min挠度增长缓慢,之后则迅 速增长,最终导致混凝土梁挠度超限而破坏。

5梁耐火极限理论计算方法

“防火规范”中规定工业和民用建筑应在确定结构耐火等级后,根据耐火试验方能确定结构耐火极限,使混凝土结构的耐火等级不小于设计等级,从而保证结构具有足够的安全耐火级别。但是,所有构件若都通过实际试验确定,不仅代价较高而且离散性较大。因此,若采用一种有效的理论设计分析方法,则可弥补上述试验的不足。

5.1现有梁耐火极限理论计算方法

过镇海通过研究表明:通过确定梁截面温度场绘出300℃和800℃等温线后,根据等温线面积相等原则将其转换成矩形,根据两者台阶强度和温度关系确定T型截面的钢筋温度等效于同位置混凝土温度,同时采用钢筋的屈服强度和温 度之间的 关系确定 钢筋理论 屈服强度,最终确定理论计算公式。

通过对本次试验数据的计算,并且考虑到橡胶颗粒再生混凝土的热工性能并不明确,因而只对再生混凝土梁进行计算,计算所使用的等温线如图9和图10所示。计算结果见表3所示。

从表3中可知,现有理论计算和实际试验值差距较大,并且理论计算值偏小,使用时会存在较大偏差。

5.2钢筋混凝土热本构关系

根据上述分析可知,混凝土具有热惰性,高温下混凝土内部存在不均匀的温度场,导致混凝土内各点内力均不同。并且在高温下混凝土和钢筋的力学性能也具有耦合性,即所谓的应力-应变-温度-时间耦合效应,其中相对于材料而言,温度和时间关系对材料影响较大,并且由于应力和应变的不同,得到的裂缝分布也不同,还有可能影响截面温度的发展,因此产生应力-应变-温度时间耦合效应。

5.3橡胶颗粒再生混凝土梁耐火极限计算探讨

(1)本试验所使用的耐火极限试验方法参照常温下的极限荷载方法,与实际高温下的混凝土有较大出入,钢筋混凝土材料在高温下不仅会有强度损失而且弹性模量变化也较大,因此高温下钢筋混凝土在没有达到极限承载力之前由于挠度变化较大而使结构或构件达到破坏。常温下,混凝土结构挠度变化较小,破坏时会有预兆,而在高温下,由于挠度增长较快,破坏时并没有明显预兆。因此,设计时需要考虑高温下弹性模量对橡胶颗粒再生混凝土的影响。如现有结构的门窗等逃生通道往往位于梁下,发生火灾时由于挠度增长较快可能使得门窗等通道不能顺利打开而造成人员伤亡,后果不堪设想。

(2)钢筋混凝土结构的高温和力耦合本构关系与常温下的应力和应变关系完全不同,因此在设计时不能套用常温下的理论计算方法,为在实际应用和理论分析中得到更准确的温度和力耦合本构关系,应首先采用有限元模拟软件进行模拟分析和试验进行确定。

(3)根据文献[7]的试验成果,在高温环境下混凝土内钢筋的应力较高,因此应变值也增长较快,从而使得混凝土结构或构件毫无征兆的破坏,这对火灾下人员逃生和工程紧急加固相当不利。并且现有理论研究中关于这方面的研究较少,因此为确定更加准确的混凝土耐火极限计算方法,将钢筋在高温下的徐变变形和混凝土高温下的弹性模量考虑在内,将使试验结果更为准确,保证橡胶颗粒再生混凝土乃至混凝土结构的应用更加安全。

6结论

(1)所有类型混凝土梁的截面温度上升曲线具有相同趋势,即上升、平稳、急剧上升。并且温度梯度场和结构构件受热部位有关,距离越近温度梯度越大,距离越远温度梯度越小。

(2)混凝土的极限耐火时间随着荷载比的增大而减小,并且和普通混凝土一样,随着保护层厚度的增大,耐火性也增大。

(3)现有的再生混凝土耐火极限计算公式不能满足橡胶颗粒再生混凝土,并且不能满足实际工程要求。在实际应用中不能将常温状态下的梁承载力计算应用到火灾情况下,火灾下梁承载力应考虑混凝土和钢筋的弹性模量和徐变等影响。

摘要：采用30%的再生骨料替代率作为基准配合比,0%、3%和5%的橡胶颗粒替代率配制混凝土进行高温下抗弯试验,得到梁高温下的截面温度分布场、跨中挠度和极限耐火时间,将普通混凝土梁与其进行对比分析,得到通过温度场理论计算橡胶颗粒再生混凝土梁耐火极限的理论分析方法。结果表明,所有类型混凝土梁的截面温度上升曲线具有相同趋势,即上升、平稳、急剧上升,并且温度梯度场和结构构件受热部位有关,距离越近温度梯度越大,距离越远温度梯度越小;混凝土的极限耐火时间随着荷载比的增大而减小,同普通混凝土一样,随着保护层厚度的增大,耐火性也增大。

橡胶混凝土性能研究 篇6

1 国内研究现状

我国对橡胶粉掺入到水泥混凝土的研究起步较晚, 很多的成果都是在90年代后发表的, 以下四个方面是我国研究方面的重点:一是硬化橡胶改性水泥混凝土的变形性能和强度研究, 二是新拌橡胶改性水泥混凝土的工作性能研究, 三是橡胶改性水泥混凝土的耐久性能研究, 四是橡胶改性水泥混凝土的其他性能研究。这几项研究主要的代表人物有张平祖、张亚梅、李悦、亢景付, 通过上述的研究确定了我国橡胶改性水泥混凝土的研究方向和研究内容, 如橡胶改性水泥混凝土的应用研究、数值模拟、耐久性研究、韧性研究等[1]。

2 橡胶水泥混凝土的力学性能试验

2.1 原材料的选择和研究的内容

本文研究主要选择了30目橡胶粉, 分别以10%、20%、30%的掺入量进行配置, 分别对制成的样品进行立方体抗压、劈裂抗压、轴心抗压, 通过试验研究橡胶粉的掺量和力学之间的影响。试验中, 水泥选择等级为普通的硅酸盐水泥, 水位普通自来水、石子为普通碎石、砂为普通的河砂、橡胶粉30目的橡胶粉。

2.2 抗折强度试验分析

试验步骤先将试件培养到规定时间后取出立即投入到试验中, 从混凝土的中部量出试件的高度、宽度, 然后将试件安装的在试验移动支座上, 对中并保持试验时间侧面朝上, 最后以0.05MPa/s~0.08MPa/s加荷速率加压, 当试件开始出现较大的变形时停止加压, 直到试件被破坏, 记录出试件被破坏的极限压力。利用ff=FL/bh2公式计算出抗折强度[3]。

2.3 劈裂强度试验分析

先将试件取出并用铅笔划出劈裂面位置线, 然后将试件放在球座上, 并将垫条设置好, 和试件的顶面垂直, 最后以0.05MPa/s~0.08MPa/s加荷速率加压, 直到试件被破坏, 记录出极限荷载。采用fts=2F/πA=0.637F/A公式计算出混凝土试件的劈裂抗拉强度[4]。

通过上述的试验可看出, 随着橡胶胶粉的掺入量增加, 水泥混凝土的强度降低的越大, 但是抗折和抗拉强度影响不大, 但是混凝土的弹性逐渐的增加, 这些特点能够很好的路面基层工作进行协调, 出现反射裂缝的几率较小, 和沥青混凝土路面结合使用不容易使路面损坏。

3 橡胶水泥混合土的ANSYS数值模拟分析

3.1 前处理

对于橡胶混凝土进行模拟数据分析的时候, 需要进行有限元次研究, 根据单元类型选择, 常常设置实常数, 按照材料属性的定义以及有限元建立起相应的网络划分模型。所有的数据分析均在ANSYS数值处理器中完成, 并且按照相应的步骤进行详细介绍。选取SOLID65单元模型, 其模拟混凝土结构设计, 且每个SOLID65的节点存在着三个方向上的自由度, 其中八个节点组成一个SOLID65单元, 并由其组成了组合式钢筋和水泥混合土材料参数模式。选用SOLID65单元具以下优点, 其中当混凝土和钢筋材料的总和不大于四种时, SOLID65可以完成有效分析, 此时不仅能够分别水泥混凝土处理后所发生的塑性和徐变效应。还能计算过程中可以实现对数据的准确计算, 塑性和徐变需在钢筋单元中进行考虑, 若钢筋单元只有单向的刚度, 则需要通过指定角度来完成计算[5]。

3.2 后处理

采用ANSYS进行分析的时候, 程序需根据确认的收敛准则来进行反复的平衡迭代, 直到满足收敛准则之后才能够停止。确定收敛准则之后, ANSYS需要选择一套计算检查方案执行, 直到满足相应的收敛准则之后停止。通常情况下收敛的绝对量度则是通过基础收敛准则来实现, 若收敛准则是以位移的形式提出来的, 则只能够提供其收敛的相对度量, 目前很大部分的收敛准则是用力的基础, 可在检查计算之后以位移作为收敛准则作为条件和基础, 这种收敛方式仅仅用于检查使用, 通常不单独使用, 按照相应的先后关系对于非线性选项完成设置之后, 则开始求解。计算求解过程中需根据试件的应力条件来完成应力分布云图, 通过应力分布可以直观有效的表示出水泥混凝土试件在试验过程中的一种受力状态。而ANSYS则可以对位移情况进行立方抗压处理、劈裂强度处理、抗折强度试验处理等[6]。

4 结束语

本文主要分析了不同橡胶粉掺入到普通水泥混凝土中引起的性能变化, 根据这些变化在以后的施工中就可以根据实际的施工情况来制作出更切合实际施工情况的改性橡胶混凝土, 以有助于施工顺利进行。

参考文献

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[4]管学茂, 史新亮, 李清海等.橡胶粉改性路面水泥混凝土性能研究[J].新型建筑材料, 2008, 35 (10) :11-14.

橡胶混凝土工作性及力学性能研究 篇7

据世界环境卫生组织统计,世界废旧轮胎积存量已达30亿条,并以每年约10 亿条的惊人数字增长。随着我国人民生活水平的提高和经济建设的发展,汽车工业正在飞速发展,汽车保有量逐年递增,废旧轮胎也以每年平均两位数的增幅快速增长,在如此巨大的数量和增幅面前,作为“黑色污染”的废旧轮胎又被人们称作“黑色金矿”。因此,大力开展废旧轮胎综合利用,发展橡胶工业循环经济,不仅可缓解我国橡胶资源短缺局面,减少对进口橡胶资源的依赖,而且也是促进我国橡胶工业节能减排的重要举措,具有重要的战略和现实意义[1]。目前我国废旧轮胎综合利用的途径主要有以下五种:(1)原形改造废旧轮胎;(2)热分解;(3)翻新旧轮胎;(4)利用废轮胎生产再生橡胶;(5)利用废轮胎生产硫化橡胶粉[2]。

20 世纪80 年代末期,美国北卡罗莱纳州立大学首次将橡胶引入混凝土中,制备了橡胶混凝土,为废旧轮胎的综合利用提供了新的思路。目前橡胶混凝土在我国仅是处于开发阶段,我国橡胶混凝土的研究任重而道远。

本实验研究的目的是将改性与未改性的橡胶颗粒,以不同的掺量,分别等体积代替砂子,进行混凝土成型,并通过与基准配合比的比较,确定其对混凝土工作性及物理力学性能的影响程度。

1 原材料和试验设计方案

1.1 原材料

本文采用南京江南水泥厂生产的“金宁羊”牌P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥,其组成及物理性能见表1。砂是普通黄砂,最大粒径5mm, 连续级配,细度模数2.3,堆积密度为1.45g/cm3。石子是粒径5~16mm连续级配的石灰石,压碎指标值为8.3%。减水剂为福建科之杰新材料生产的Point-S聚羧酸系高性能减水剂。偶联剂是南京曙光公司生产的SG-Si900 型硅烷偶联剂。普通自来水。橡胶颗粒采用南通新升橡胶制品科技有限公司生产的8 目橡胶颗粒,生产方法为常温粉碎法,其密度为1.1g/cm3,平均粒径为2~3mm。

1.2 试验设计方案

本试验主要通过调整橡胶颗粒的掺量以及橡胶颗粒是否改性这两个参数来研究橡胶混凝土的工作性能和力学性能。

其中水胶比为0.36、砂率为31.4%,KB表示基准试样,RX表示橡胶以X%掺量等体积取代砂。为了改善混凝土流动性,加入了占水泥质量1.0%的JM-PCA减水剂,并且掺入占橡胶颗粒质量2%的硅烷偶联剂对橡胶颗粒进行预处理,用以改善橡胶颗粒与水泥浆、集料间的界面粘结性。配合比设计见表2。

2 试验方法

按照 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2002 测试新拌混凝土塌落度,钢模成型,机械振捣,标准养护,按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002 测试硬化混凝土的抗压强度,静力受压弹性模量。抗压试件尺寸为100mm×100mm×100mm。静力受压弹性模量试件尺寸为100mm×100mm×300mm,试验图片见图1。

3 试验结果及分析

3.1 橡胶的掺入对新拌混凝土工作性能的影响

新拌混凝土坍落度见表3,可以看出,随着橡胶颗粒的加入,混凝土坍落度减小,而且随着掺量的增加减小。改性的橡胶颗粒相比于未改性的橡胶颗粒,对新拌混凝土坍落度的影响要小得多。一方面,是由于橡胶颗粒乱向分布,抑制了混凝土颗粒的沉降,从而影响了颗粒的分散性能和流动性;另一方面,是由于橡胶颗粒具有一定的吸水率,在混凝土搅拌过程中,直接吸走部分拌和用水,从而使得混凝土拌合物的工作性变差[3]。通过硅烷偶联剂处理橡胶颗粒表面,改善了橡胶颗粒和水泥浆、集料间的界面粘结性能,从而抑制了上述两个影响因素,改善了橡胶混凝土的工作性。

3.2 橡胶的掺入对混凝土抗压强度的影响

混凝土抗压强度试验结果见图2。混凝土抗压强度随着橡胶颗粒掺量的增加而减小,改性橡胶混凝土相比未改性橡胶混凝土的抗压强度优势,随着橡胶颗粒掺量的增加而减少。观察压碎后试块的破坏形态,见图3、图4,橡胶颗粒掺量增加,试块脆性降低,韧性有明显的改善。由于橡胶颗粒是弹性体,在抗压过程中几乎不承担压力,减少了集料的受压面积,造成抗压强度的明显降低,而韧性却得到明显的改善。

3.3 橡胶的掺入对混凝土变形能力的影响

静力受压弹性模量试验结果见表4。可以看出,加入橡胶颗粒后,混凝土弹性模量随着掺量的增加而降低,降低趋势明显。改性后的橡胶混凝土与未改性的橡胶混凝土相比,弹性模量降低地尤为明显。橡胶混凝土的弹性模量降低后,其抵抗变形的能力增强,且能够约束微裂缝的产生和发展,并形成能够吸收应变能的结构变形中心,从而吸收震动能,明显改善混凝土的抗冲击性,提高混凝土的抗震性能[4]。

4 结论

综上所述,初步研究了橡胶颗粒在掺量不同和是否改性等因素影响下下,对橡胶混凝土工作性能和力学性能的影响。综合数据及图形分析,得出以下结论:

(1)随着橡胶颗粒掺量的提高,混凝土工作性能的劣化及强度的降低较为明显;但橡胶颗粒经过改性处理后,混凝土的工作性能劣化及强度降低等不良因素能得到有效的缓解;

(2)随着橡胶颗粒掺量的提高,橡胶混凝土的韧性及抗变形能力都有不同程度的提高;

(3)使用硅烷偶联剂对橡胶颗粒进行改性,改进了橡胶颗粒和水泥、集料间的界面粘结性能,有效抑制了橡胶颗粒对橡胶混凝土工作性能的不良影响。

摘要：主要研究将改性与未改性的橡胶颗粒以不同掺量分别等体积代替砂子成型混凝土,测试其对混凝土工作性及物理力学性能的影响。

关键词：橡胶混凝土,橡胶颗粒,偶联剂,工作性,力学性能

参考文献

[1]中华人民共和国工业和信息化部公告,废旧轮胎综合利用指导意见.工产业政策〔2010〕第4号.

[2]姜治云.我国废旧轮胎资源循环利用的现状及其发展前景[J].中国轮胎资源综合利用,2005,6(6):6~8.

[3]刘爱军,朱寒.橡胶微粒对混凝土可泵性的影响[J].济南大学学报,2007.21(7):31-33.

橡胶混凝土性能研究 篇8

随着汽车工业的迅猛发展, 世界废旧轮胎积存量已达3×109条, 并以每年约1×109条令人惊诧的数字增长[1], 废旧轮胎的回收再利用成为各个国家急需解决的难题。目前, 作为废旧轮胎的回收再利用的有效途径之一就是将废旧的橡胶轮胎及其它橡胶制品破碎成具有一定形状和粒径的颗粒——再生橡胶微粒 (以下简称“橡胶微粒”) , 用来代替部分集料配置铺筑路面的混凝土, 且此方面的研究方兴未艾。在路面混凝土中掺入适量的橡胶微粒, 不仅能改善路面混凝土的脆性大、噪音大、防滑差的缺点, 而且能够大量消耗废旧轮胎, 解决环境污染问题[2,3,4,5,6]。而力学性能是混凝土性能评价的最基本指标, 同时也是混凝土其它性能指标的重要影响因素, 因此有必要就橡胶微粒对混凝土力学性能的影响进行专门研究。

本文在路面混凝土中加入不同掺量、且由不同工艺加工的橡胶微粒, 就其对混凝土各强度的影响进行了初步研究, 用来考察混凝土强度与橡胶微粒掺量、加工工艺之间的关系变化。在实验基础上, 建立两者间的数学模型, 为实际应用提供理论依据。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

橡胶颗粒:选用北京泛洋华腾科技有限公司摩擦法生产的1～3mm橡胶颗粒, 北京中体亚兴科贸有限公司常温切削法生产的1～3mm橡胶微粒, 其形状为多棱不规则形状。图1为切削法生产橡胶微粒表面形貌, 图2为摩擦法生产橡胶微粒表面形貌。

水泥:河北省冀东水泥集团有限责任公司生产的P·O42.5R普通硅酸盐水泥。

石子:碎石, 连续级配, 最大公称粒径为19mm。

砂:中砂, 细度模数为2.5, 含泥量为1.8%。

1.2 试验方法

实验以配合比C:W:G:S=1:0.45:2.96:1.53为基础, 采用切削法和摩擦法生产的1～3mm胶粒, 以等体积取代细集料 (砂) 的形式掺入路面混凝土中, 其掺量为0～40%, 成型100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm试块。脱模后标养至28d, 分别测试试样的抗压、劈裂抗拉和弯拉强度。测试方法主要依据《公路工程水泥及水泥混凝土实验规范》 (JTG E30-2005) 进行。

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

图3是混凝土抗压强度随橡胶微粒掺量的变化曲线。由图可见, 两种工艺下, 橡胶混凝土的抗压强度均随着橡胶微粒掺量的升高而降低, 呈线性下降趋势。两种工艺生产的橡胶微粒相同掺量时, 橡胶混凝土的抗压强度有一定的差距, 最大差距约3MPa。

图4是混凝土劈裂抗拉强度随橡胶微粒掺量的变化曲线。由图可见, 两种工艺下, 混凝土劈裂抗拉强度均随橡胶微粒掺量的增加而减小;摩擦法生产的橡胶微粒配制的混凝土劈裂抗拉强度高于切削法者, 并且随着掺量的增加, 生产工艺对混凝土劈裂抗拉强度的影响逐渐增大, 混凝土的劈裂抗拉强度差距逐渐拉大。切削法生产的橡胶微粒掺量达到40%时, 混凝土的劈裂抗拉强度下降了大约50%, 而摩擦法生产的橡胶微粒掺量达到40%时, 混凝土的劈裂抗拉强度下降了大约40%。

图5是混凝土弯拉强度随橡胶微粒掺量变化曲线。由图可见, 对于两种工艺下生产的橡胶微粒, 随着橡胶微粒在混凝土中的掺量增加, 混凝土的弯拉强度均呈直线下降;摩擦法生产的橡胶微粒配制的混凝土弯拉强度高于切削法者, 并且随着掺量的增加, 两者间的差别有进一步扩大的趋势, 40%掺量时混凝土的弯拉强度相差最大 (0.34MPa) 。

2.2 结果分析

两种工艺下, 混凝土强度随橡胶微粒掺量增加而减小, 这是由于 (1) 橡胶微粒是由废旧轮胎粉碎而得到的有机弹性材料, 本身强度远小于砂, 变形性能优越, 将其以集料的形式等体积取代砂掺入混凝土后, 橡胶微粒在混凝土中并不能起到支撑作用, 在各骨料处于机械啮合作用中是严重的薄弱环节, 导致混凝土强度降低。 (2) 橡胶微粒作为有机材料, 与无机材料水泥石间的粘结强度远小于砂与水泥石间的粘结强度, 在部分砂由橡胶微粒取代后, 引入了大量的不牢固粘结界面, 导致混凝土强度降低。 (3) 橡胶微粒掺入混凝土后, 引入大量气泡, 使混凝土含气量增加, 进一步导致混凝土强度的下降。随着橡胶微粒掺量的增加, 上述三种作用逐渐增强, 导致混凝土强度随橡胶微粒掺量的增加而显著降低。

混凝土中掺入橡胶微粒后, 摩擦法生产的橡胶微粒混凝土劈裂抗拉和弯拉强度高于切削法者, 这主要是由于摩擦法生产的橡胶微粒相对切削法而言, 形状更不规则, 表面凹凸不平, 表面粗糙, 且橡胶微粒边缘存在有大量毛刺, 使得橡胶微粒与水泥石间的粘结性能比切削法橡胶微粒与水泥石间的粘结性能更好, 表现在摩擦法橡胶微粒混凝土劈裂破坏和弯拉破坏时较切削法者有较好的阻止裂纹扩展的能力, 且随橡胶微粒掺量的增加表现更加明显。

3 数学模型

通过实验得出橡胶微粒混凝土抗压、劈裂抗拉和弯拉强度随橡胶微粒掺量的增加而减小的规律。通过具体实验数据, 对两者间的关系进行了曲线拟合, 从而找出橡胶微粒混凝土各强度损失与橡胶微粒掺量间的关系 (图6, 7, 8) 。

通过曲线拟合得出下面公式。

切削法生产1～3mm橡胶微粒掺量与混凝土抗压强度损失间的关系如下。

Y=1.24+1.23X。

摩擦法生产1～3mm橡胶微粒掺量与混凝土抗压强度损失间的关系如下。

Y=2.96+1.09X。

通过曲线拟合得出混凝土劈裂强度损失与切削法生产1～3mm橡胶微粒掺量间的关系如下。

Y=0.99+2.64×X-6.94×10-2×X2+8.49×10-4×X3。

混凝土劈裂强度损失与摩擦法生产1～3mm橡胶微粒掺量间的关系如下。

Y=0.80+2.71×X-8.62×10-2×X2+1.04×10-3×X3。

通过曲线拟合得出切削法生产1～3mm橡胶微粒掺量与混凝土弯拉强度损失关系如下。

Y=0.62×X。

摩擦法生产1～3mm橡胶微粒掺量与混凝土弯拉强度损失关系为:

Y=0.4+0.44×X。

通过曲线的拟合可以直接得出橡胶微粒混凝土各强度损失与橡胶微粒掺量间的函数关系式, 为以后实验或实际应用中, 提供有利的测算依据。

4 结论

(1) 混凝土抗压、劈裂抗拉和弯拉强度随橡胶微粒掺量的增加而减小, 这是由于橡胶微粒引入薄弱环节、不牢固粘结界面和大量气泡三者的共同作用造成的。

(2) 用摩擦法生产的橡胶微粒配制的混凝土劈裂抗拉和弯拉强度高于切削法者, 这主要是由于前者中橡胶微粒与水泥石间的粘结性能优于后者所致。

(3) 建立了道路混凝土抗压、劈裂抗拉和弯拉强度损失与橡胶微粒掺量间的数学模型, 为工程应用提供测算依据。

摘要：针对再生橡胶微粒在道路混凝土工程中的应用进行探索, 对不同工艺、不同橡胶微粒掺量下混凝土的力学性能 (抗压、劈裂抗拉和弯拉强度) 进行了实验研究, 实验结果表明:混凝土强度随橡胶微粒掺量的增加而减小;摩擦法生产的橡胶微粒混凝土劈裂抗拉和弯拉强度高于切削法者。并在实验基础上, 探索了橡胶微粒掺量与各强度损失间的数学模型。

关键词：再生,橡胶微粒,强度,数学模型,掺量

参考文献

[1]李如林.我国废旧轮胎回收利用行业的现状及发展对策[J].中国资源综合利用, 2003, 3:3-6.

[2]李悦, 王玲.橡胶集料混凝土研究进展综述[J].混凝土, 2006, (4) :91-95.

[3]田微, 郑磊, 袁勇.橡胶混凝土脆性的实验研究[J].混凝土, 2007, 2:37-40.

[4]RAFAT S, TARUN R N.Properties of concrete containing scrap-tire rubber-an overview[J].Waste Management, 2004, 24 (3) :563-569.

[5]陈振富, 柯国军, 胡绍全.橡胶混凝土小变形阻尼研究[J].噪声与振动控制, 2004, (3) :32-34.