论文部分内容阅读
【摘 要】本文研究了胶粉混凝土的韧性，试验选取颗粒粒径为20目的胶粉，分别按水泥质量的2%、5%、8%掺入混凝土中，通过压折比、弹性模量、弯曲韧性及冲击韧性4大指标来评价胶粉改善水泥混凝土的韧性。试验结果表明：在普通水泥混凝土中掺加一定量的胶粉，采用胶粉改性技术可使混凝土的压折比降低、弹性模量降低、提高混凝土的冲击韧性和变形能力。从而达到提高混凝土韧性的目的。
【关键词】废旧胶粉；混凝土；压折比；韧性；弹性模量
Toughness study of used improved powder concrete
Liang Shu-wei
(Shijiazhuang City Local Road Management Office Shijiazhuang Hebei 050000)
【Abstract】In this paper, the toughness of concrete powder, 20 were selected for the purpose of powder particle size, the quality of cement respectively 2%, 5%, 8% mixed concrete by pressure off ratio, elastic modulus, flexural toughness and impact toughness of four major indicators to assess the powder to improve the toughness of concrete. The results show that: in the ordinary cement concrete, adding a certain amount of powder, the use of rubber modified concrete technology can reduce the pressure off ratio, elastic modulus reduced, improving the toughness of concrete and deformation capacity, so as to achieve the purpose of improving toughness of concrete.
【Key words】Waste rubber powder;Concrete;Pressure off ratio;Toughness;Elastic modulus
水泥混凝土存在脆性大、自重大等缺陷，在能源、环境和安全等问题越来越突出的当今社会，对混凝土的使用性能有着越来越高的要求，道路水泥混凝土中存在的问题更加突出，这影响和制约了水泥混凝土路面的应用和发展。本文通过在普通水泥混凝土中掺加一定量的胶粉，采用胶粉改性技术使混凝土的韧性、抗裂性能和变形能力得到提高。以压折比、弹性模量、弯曲韧性及冲击韧性4大指标作为衡量尺度，来研究胶粉改性水泥混凝土的韧性。
1. 配合比设计
采用水泥总量为407 Kg/m3，水灰比为0.40，砂率为37%为基准配比，其他各组试件保持在基准配比不变的情况下，将胶粉按水泥质量的2%、5%、8%分别掺入。具体配合比方案见表1。
2. 胶粉水泥混凝土的压折比分析
压折比是表示混凝土柔韧性的一个重要指标，压折比越小，柔韧性越好，抗开裂的效果越好。图1为胶粉混凝土随胶粉掺量的不同，其抗压强度和抗折强度的变化图。图2为橡胶混凝土的压折比变化情况：
通过图1分析得出混凝土中加入胶粉后，其抗折强度和抗压强度均出现了降低的趋势，但由图2可以看出，加入胶粉后，胶粉混凝土的压折比降低，并随着胶粉掺量的增加压折比下降的速率加快，即抗压强度降低的幅度要远远大于抗折强度的降低幅度，胶粉掺量为8%时，与基准混凝土相比，其压折比降低了13.67%。这说明掺入胶粉/纤维后，混凝土的韧性有了较大的提高，脆性减小，柔性增加，抗变形能力得到提高。
图2 胶粉混凝土压折比与掺量的关系
3. 胶粉混凝土弹性模量分析
图3表示了混凝土弹性模量与胶粉掺量的关系。
图3 胶粉混凝土弹性模量与胶粉掺量的关系
由试验结果分析可知，掺加胶粉后，混凝土的静弹性模量出现降低趋势。胶粉的掺入，降低了混凝土的刚性，增大了柔性，胶粉混凝土的弹性模量随胶粉掺量的增加而变小，说明掺入胶粉可以改善水泥混凝土的脆性，提高其弹性功能。当胶粉掺量在0%~5%时，混凝土的弹性模量变化速率较平缓，仅降低了3.03%，而当胶粉掺量在5%~ 8%时，弹性模量随胶粉掺量的增加其下降速率加快，迅速降低到7.15%。
4. 胶粉混凝土弯曲韧性分析
基准混凝土在荷载作用下的荷载——位移曲线如图4所示。胶粉混凝土在荷载作用下的荷载——位移曲线如图5所示。
图4 基准混凝土的荷载——位移曲线
图5 胶粉混凝土的荷载——位移曲线
由图4与图5对比分析可以得出，基准混凝土在上升段，其受弯荷载——位移曲线为近似的直线，说明试件在达到其极限荷载时随即发生破坏，产生的变形基本为弹性变形，试验时表现为脆性破坏。而胶粉混凝土试件则产生了屈服现象，通过胶粉混凝土的3条荷载——位移曲线分析，随着胶粉掺量的增加，加荷初期发生的变形越大，同时由于其抗弯拉强度的降低，导致最后破坏时总变形不大。与基准混凝土相比，掺加胶粉的混凝土曲线在图中表现出一段明显的下降阶段。说明胶粉混凝土在弯曲变形的过程中必然伴有较大的能量吸收。
5. 胶粉混凝土冲击韧性分析
表2列出了胶粉混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
通过分析上表，可知胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。当胶粉掺量为2%时，混凝土抗冲击韧性提高的优势就已经表现出来，通过冲击次数数据分析发现，基准混凝土在达到初裂次数后，仅仅经过4次锤击，就达到终裂，而胶粉混凝土的终裂次数和初裂次数的差值均达到20次以上，说明水泥混凝土在试样初裂后继续保持整体性的能力或者说继续吸收能量的能力提高了5倍。另外，其冲击韧性也有大幅提高，胶粉掺量为2%时，冲击韧性提高到普通混凝土的3.82倍，而当胶粉掺量为8%时，提高幅度达 9.14倍。
6. 极限荷载下的破坏形态
极限荷载时的破坏形态见图6、图7。
图6 基准混凝土的破坏形态图
图7 胶粉混凝土破坏形态图
由试验过程中看出，在受载过程中，临近破坏时产生纵向或斜向裂缝，而后裂缝迅速扩展并丧失承载能力，试件随之解体，一分为二，断口呈一字型，断口较为整齐。试件破坏时，试件受到剧烈冲击，产生巨大响声，呈现极明显的脆性破坏形态。见图6。
而胶粉混凝土的破坏形态明显不同于素混凝土的破坏形态，极限荷载时的破坏形态图见图7。胶粉混凝土的立方体在抗压强度测试后(承受极限抗压强度荷载之后)，试件仍保持原有形状，裂而不开，吸收冲击能量的能力强，而不像素混凝土那样立刻碎裂(甚至散裂)。试件在破坏时发出的声音比较闷，在破坏后能保持一定的完整性。因此，胶粉的加入，改善了混凝土的受压、变形和破坏特性，由脆性破坏转变成具有一定塑性的破坏形态。这是因为对于胶粉混凝土来说，当受到外力作用时，胶粉在混凝土内部能够负担并缓冲一定应力，可消除孔隙中存在的应力集中，从而使其破坏形式发生了变化，在破坏后能保持一定的完整性。从静态抗压破坏的试验现象可以看出，胶粉混凝土的抗裂性能大大提高，韧性大大增强。
7. 结论
综合以上分析，本文发现，胶粉颗粒自身弹性很好，变形能力强，在混凝土中相当于一个微小的吸收能量的“弹性体”。当胶粉与混凝土基体界而结合良好时，微裂纹遇到这些自身变形能力强的“弹性体”后，这些“弹性体”可以通过变形吸收能量，使混凝土复合材料的内部应力得到松弛，阻止了裂纹的进一步扩展。故胶粉掺入混凝土中后，可提高混凝土的延性，降低脆性，增强抗裂性，同时改善混凝土的收缩性、提高韧性，具有很好的应用前景。
参考文献
［1］ 孙家瑛,高先芳,朱武达.橡胶混凝土研制及物理力学性能研究［J］.混凝土,2001, (10): 30-32.
［2］ 何勇. 掺废橡胶颗粒的水泥稳定碎石路用性能的研究［D］,南京:南京林业大学. 2007.6
［3］ 管学茂,史新亮,李清海,余洪汇.橡胶粉改性路面水泥混凝土性能研究［J］.新型建筑材料.2008, (10): 11-14.
［4］ N.Segre, I.Joekes. Use of tire rubber particles as addition to cement paste［J］. Cement and Concrete Research, 2000, 30: 1421-1425.
［文章编号］1006-7619（2011）02-17-097
【关键词】废旧胶粉；混凝土；压折比；韧性；弹性模量
Toughness study of used improved powder concrete
Liang Shu-wei
(Shijiazhuang City Local Road Management Office Shijiazhuang Hebei 050000)
【Abstract】In this paper, the toughness of concrete powder, 20 were selected for the purpose of powder particle size, the quality of cement respectively 2%, 5%, 8% mixed concrete by pressure off ratio, elastic modulus, flexural toughness and impact toughness of four major indicators to assess the powder to improve the toughness of concrete. The results show that: in the ordinary cement concrete, adding a certain amount of powder, the use of rubber modified concrete technology can reduce the pressure off ratio, elastic modulus reduced, improving the toughness of concrete and deformation capacity, so as to achieve the purpose of improving toughness of concrete.
【Key words】Waste rubber powder;Concrete;Pressure off ratio;Toughness;Elastic modulus
水泥混凝土存在脆性大、自重大等缺陷，在能源、环境和安全等问题越来越突出的当今社会，对混凝土的使用性能有着越来越高的要求，道路水泥混凝土中存在的问题更加突出，这影响和制约了水泥混凝土路面的应用和发展。本文通过在普通水泥混凝土中掺加一定量的胶粉，采用胶粉改性技术使混凝土的韧性、抗裂性能和变形能力得到提高。以压折比、弹性模量、弯曲韧性及冲击韧性4大指标作为衡量尺度，来研究胶粉改性水泥混凝土的韧性。
1. 配合比设计
采用水泥总量为407 Kg/m3，水灰比为0.40，砂率为37%为基准配比，其他各组试件保持在基准配比不变的情况下，将胶粉按水泥质量的2%、5%、8%分别掺入。具体配合比方案见表1。
2. 胶粉水泥混凝土的压折比分析
压折比是表示混凝土柔韧性的一个重要指标，压折比越小，柔韧性越好，抗开裂的效果越好。图1为胶粉混凝土随胶粉掺量的不同，其抗压强度和抗折强度的变化图。图2为橡胶混凝土的压折比变化情况：
通过图1分析得出混凝土中加入胶粉后，其抗折强度和抗压强度均出现了降低的趋势，但由图2可以看出，加入胶粉后，胶粉混凝土的压折比降低，并随着胶粉掺量的增加压折比下降的速率加快，即抗压强度降低的幅度要远远大于抗折强度的降低幅度，胶粉掺量为8%时，与基准混凝土相比，其压折比降低了13.67%。这说明掺入胶粉/纤维后，混凝土的韧性有了较大的提高，脆性减小，柔性增加，抗变形能力得到提高。
图2 胶粉混凝土压折比与掺量的关系
3. 胶粉混凝土弹性模量分析
图3表示了混凝土弹性模量与胶粉掺量的关系。
图3 胶粉混凝土弹性模量与胶粉掺量的关系
由试验结果分析可知，掺加胶粉后，混凝土的静弹性模量出现降低趋势。胶粉的掺入，降低了混凝土的刚性，增大了柔性，胶粉混凝土的弹性模量随胶粉掺量的增加而变小，说明掺入胶粉可以改善水泥混凝土的脆性，提高其弹性功能。当胶粉掺量在0%~5%时，混凝土的弹性模量变化速率较平缓，仅降低了3.03%，而当胶粉掺量在5%~ 8%时，弹性模量随胶粉掺量的增加其下降速率加快，迅速降低到7.15%。
4. 胶粉混凝土弯曲韧性分析
基准混凝土在荷载作用下的荷载——位移曲线如图4所示。胶粉混凝土在荷载作用下的荷载——位移曲线如图5所示。
图4 基准混凝土的荷载——位移曲线
图5 胶粉混凝土的荷载——位移曲线
由图4与图5对比分析可以得出，基准混凝土在上升段，其受弯荷载——位移曲线为近似的直线，说明试件在达到其极限荷载时随即发生破坏，产生的变形基本为弹性变形，试验时表现为脆性破坏。而胶粉混凝土试件则产生了屈服现象，通过胶粉混凝土的3条荷载——位移曲线分析，随着胶粉掺量的增加，加荷初期发生的变形越大，同时由于其抗弯拉强度的降低，导致最后破坏时总变形不大。与基准混凝土相比，掺加胶粉的混凝土曲线在图中表现出一段明显的下降阶段。说明胶粉混凝土在弯曲变形的过程中必然伴有较大的能量吸收。
5. 胶粉混凝土冲击韧性分析
表2列出了胶粉混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
通过分析上表，可知胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。当胶粉掺量为2%时，混凝土抗冲击韧性提高的优势就已经表现出来，通过冲击次数数据分析发现，基准混凝土在达到初裂次数后，仅仅经过4次锤击，就达到终裂，而胶粉混凝土的终裂次数和初裂次数的差值均达到20次以上，说明水泥混凝土在试样初裂后继续保持整体性的能力或者说继续吸收能量的能力提高了5倍。另外，其冲击韧性也有大幅提高，胶粉掺量为2%时，冲击韧性提高到普通混凝土的3.82倍，而当胶粉掺量为8%时，提高幅度达 9.14倍。
6. 极限荷载下的破坏形态
极限荷载时的破坏形态见图6、图7。
图6 基准混凝土的破坏形态图
图7 胶粉混凝土破坏形态图
由试验过程中看出，在受载过程中，临近破坏时产生纵向或斜向裂缝，而后裂缝迅速扩展并丧失承载能力，试件随之解体，一分为二，断口呈一字型，断口较为整齐。试件破坏时，试件受到剧烈冲击，产生巨大响声，呈现极明显的脆性破坏形态。见图6。
而胶粉混凝土的破坏形态明显不同于素混凝土的破坏形态，极限荷载时的破坏形态图见图7。胶粉混凝土的立方体在抗压强度测试后(承受极限抗压强度荷载之后)，试件仍保持原有形状，裂而不开，吸收冲击能量的能力强，而不像素混凝土那样立刻碎裂(甚至散裂)。试件在破坏时发出的声音比较闷，在破坏后能保持一定的完整性。因此，胶粉的加入，改善了混凝土的受压、变形和破坏特性，由脆性破坏转变成具有一定塑性的破坏形态。这是因为对于胶粉混凝土来说，当受到外力作用时，胶粉在混凝土内部能够负担并缓冲一定应力，可消除孔隙中存在的应力集中，从而使其破坏形式发生了变化，在破坏后能保持一定的完整性。从静态抗压破坏的试验现象可以看出，胶粉混凝土的抗裂性能大大提高，韧性大大增强。
7. 结论
综合以上分析，本文发现，胶粉颗粒自身弹性很好，变形能力强，在混凝土中相当于一个微小的吸收能量的“弹性体”。当胶粉与混凝土基体界而结合良好时，微裂纹遇到这些自身变形能力强的“弹性体”后，这些“弹性体”可以通过变形吸收能量，使混凝土复合材料的内部应力得到松弛，阻止了裂纹的进一步扩展。故胶粉掺入混凝土中后，可提高混凝土的延性，降低脆性，增强抗裂性，同时改善混凝土的收缩性、提高韧性，具有很好的应用前景。
参考文献
［1］ 孙家瑛,高先芳,朱武达.橡胶混凝土研制及物理力学性能研究［J］.混凝土,2001, (10): 30-32.
［2］ 何勇. 掺废橡胶颗粒的水泥稳定碎石路用性能的研究［D］,南京:南京林业大学. 2007.6
［3］ 管学茂,史新亮,李清海,余洪汇.橡胶粉改性路面水泥混凝土性能研究［J］.新型建筑材料.2008, (10): 11-14.
［4］ N.Segre, I.Joekes. Use of tire rubber particles as addition to cement paste［J］. Cement and Concrete Research, 2000, 30: 1421-1425.
［文章编号］1006-7619（2011）02-17-097