超高强度橡胶混凝土的力学特性及能量演化.pdf

第 26 卷第 6 期2023 年 6 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.6Jun.，2023超高强度橡胶混凝土的力学特性及能量演化徐颖1，2，*，刘家兴1，杨荣周1，丁进甫1，顾柯柯1（1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）摘要：通过降低水胶比，采用钢纤维和硅灰协同调控强度的方法，制备超高强度橡胶混凝土（UHSRC），并利用电液伺服万能试验机对其开展静态压缩试验.结果表明：UHSRC的抗压强度最大可达 125.7 MPa，甚至当橡胶取代率高达 30%时，抗压强度仍不低于 60.0 MPa；UHSRC的抗压强度和应力增长率表现出橡胶取代率弱化效应，然而其破坏程度和韧性指数表现出橡胶取代率增强效应和粒径弱化效应；UHSRC的输入能、弹性能，以及耗散能增长率和最大值均具有橡胶取代率弱化效应；随着橡胶取代率的增加，UHSRC的弹性能比率增大，耗散能比率减小；随着橡胶粒径的增大，UHSRC的弹性能比率先减小后增大，耗散能比率先增大后减小.关键词：超高强度橡胶混凝土；静态压缩；力学特性；破坏特征；韧性；能量演化中图分类号：TU501文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.10079629.2023.06.006Mechanical Properties and Energy Evolution of Ultra High Strength Rubber ConcreteXU Ying1，2，*，LIU Jiaxing1，YANG Rongzhou1，DING Jinfu1，GU Keke1（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technological，Huainan 232001，China；2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）Abstract:By reducing the waterbinder ratio，using the method of steel fiber and silica fume to adjust the strength，ultra high strength rubber concrete（UHSRC）was prepared，and its static compression test was carried out by electrohydraulic servo universal testing machine.The results show that the compressive strength of UHSRC can be increased to 125.7 MPa at most，and even when the rubber substitution rate is as high as 30%，the compressive strength is still not less than 60.0 MPa.The compressive strength and stress growth rate of UHSRC show the weakening effect of rubber substitution rate，while failure degree and toughness show rubber substitution rate reinforcement effect and particle size weakening effect.The growth rate and maximum value of input energy，elastic energy and dissipated energy of UHSRC all have the weakening effect of rubber substitution rate.With the increase of rubber substitution rate，the elastic energy ratio of UHSRC increases and the dissipated energy ratio decreases.With the increase of rubber particle size，the elastic energy ratio of UHSRC first decreases and then increases，and the dissipated energy ratio first increases and then decreases.Key words:ultra high strength rubber concrete（UHSRC）；static compression；mechanical property；failure characteristic；toughness；energy evolution橡胶混凝土是胶凝材料、骨料等与橡胶颗粒复合而成的一种新型混凝土材料1.其不仅具有优异的文章编号：10079629（2023）06061211收稿日期：20220731；修订日期：20220830基金项目：国家自然科学基金资助项目（52074009，52008003）；安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金资助项目（2022yjrc84）第一作者（通讯作者）：徐 颖（1965），男，安徽泗县人，安徽理工大学教授，博士生导师，博士.Email：第 6期徐颖，等：超高强度橡胶混凝土的力学特性及能量演化变形和耗能能力2，还在抗冲击3、抗疲劳4等方面表现突出.橡胶混凝土现已在混凝土路面、公路防护栏等工程领域得到应用，然而鲜见其在结构方面的应用，究其本质是其强度低5.在橡胶物理或化学改性方面，李海龙等6和Gupta等7研究发现，对于橡胶掺量分别为 20%、5%的橡胶混凝土，另外掺加 10%硅灰后强度分别增至41、75 MPa；赵秋红等8和Wang等9采用氢氧化钠溶液预处理橡胶颗粒，同时优化配合比或进行 90 高温养护，成功配制出与C30和C80混凝土等强的橡胶混凝土；刘誉贵等10发现经尿素改性后的橡胶混凝土黏结强度可提升 44%，但抗压强度最大才提高至44 MPa.在纤维增强方面，Dong 等11通过优化配合比 并 添 加 钢 纤 维，成 功 配 制 出 橡 胶 替 代 率 高 达20%，抗压强度可达 4956 MPa的橡胶混凝土；贺东青等12发现短切玄武岩纤维对橡胶混凝土抗压强度提升不明显，但可提高其抗拉强度；Alshaikh等13研究表明，混掺纤维和橡胶颗粒可使普通混凝土抗压强度降低 16.7%，抗拉强度提高 4.1%.综上所述，无论是对橡胶颗粒进行物理或化学改性，还是利用纤维进行增强，不但工艺复杂，而且改性效果不佳，甚至研究结果还存在差异性.与此同时，近年来地震和泥石流冲磨等灾害频发，人防工程和桥梁墩柱等水工结构不可避免地受到冲击扰动，并随着损伤的积累而最终发生破坏.而常规人防工程和桥梁墩柱混凝土材料抗侵彻和耐磨蚀性能差，在动荷载耦合作用下出现局部剥落和裂缝.鉴于此，本文通过降低水胶比，同时采用钢纤维和硅灰协同调控强度的方法，制备超高强度橡胶混凝土（UHSRC），并对其开展静态单轴压缩试验；分析了橡胶取代率及其粒径对 UHSRC 试件强度、变形和韧性等的影响；同时结合细观断裂照片和破坏形态，明确了 UHSRC 的起裂机制和能量转化关系.1试验1.1原材料水泥为普通硅酸盐水泥 P O 52.5；硅灰，型号为Elkem940；钢纤维为端钩型钢纤维，尺寸为0.7535 mm；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率（质量分数，文中涉及的减水率、水胶比等除特别注明外均为质量分数或质量比）大于 25%；河砂，最大粒径为5 mm、细度模数为 3.11、表观密度为 2 600 kg/m3；橡胶颗粒，粒径（n）分别为 0.85、2.00、4.00 mm，四川华益有限公司产；拌和水为实验室自来水.1.2配合比鉴于目前超高强度混凝土的配合比还未形成统一标准，本文控制水胶比为 0.18，通过调控其他组分来制备 UHSRC 试件，配合比如表 1所示.表中钢纤维采用外掺方式，掺量（体积分数）为 3%；橡胶颗粒采用等体积取代河砂的方式掺加，取代率分别为0%、10%、20%和30%.1.3试件制备及试验方案参照 T/CBMF 372018 超高性能混凝土基本性能与试验方法，首先，将水泥、硅灰、河砂和橡胶颗粒倒入立式砂浆搅拌机里，边搅拌边利用灰刀沿着搅拌机壁进行辅助搅拌，使其相互包裹且更加均匀；然后，将称量好的拌和水分多次与减水剂混合后倒入搅拌机里；最后，边搅拌边均匀地撒入钢纤维，待水泥浆体与钢纤维彼此包裹良好后，即停止搅拌.表 1UHSRC试件配合比Table 1Mix proportions of UHSRC specimensSpecimen No.R0%SF0%R0%SF3%0.85R10%SF3%0.85R20%SF3%0.85R30%SF3%2R10%SF3%2R20%SF3%2R30%SF3%4R10%SF3%4R20%SF3%4R30%SF3%Mix proportion/(kg m-3)Cement1.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000Silica fume0.1520.1520.1520.1520.1520.1520.1520.1520.1520.1520.152Water0.1880.1880.1880.1880.1880.1880.1880.1880.1880.1880.188Water reducer0.0370.0370.0370.0370.0370.0370.0370.0370.0370.0370.037Steel fiber00.2100.2100.2100.2100.2100.2100.2100.2100.2100.210Sand0.9620.9620.8660.7700.6740.8660.7700.6740.8660.7700.674Rubber particle000.0420.0850.1270.0420.0850.1270.0420.0850.127n/mm0.852.004.00613建筑材料学报第 26卷参照 GB/T500812002 普通混凝土力学性能试验方法标准 开展单轴压缩试验，具体步骤如下：利用电液伺服压力试验机（CSSYAW 3 000 kN）对养护好的非标准立方体试件（100 mm100 mm 100 mm）进行静态抗压试验，采用速度控制方式，将试验速率和采样频率分别设置为 1 mm/min 和10 Hz.由于本文使用的 CSSYAW 3 000 kN 设备具有局限性，只能获得试件的立方体抗压强度，为此，参考 ASTM C469/C469M2014 Standard test method for static modulus of elasticity and poisson s ratio of concrete in compression，先浇筑高径比为 2的圆柱体试件（50100 mm），养护 28 d；再采用电液伺服压力试验机（WAW1 000 kN）对其开展静态压缩试验，采用位移控制方式，加载速率设定为0.5 mm/min.2结果与