胶粒改性陶粒混凝土力学性能试验研究

1、3胶粒改性陶粒混凝土力学性能试验研究王全凤 何 政（华侨大学土木工程学院，泉州，362021）摘要采用两种改性方案配制胶粒陶粒混凝土，试验研究规定龄期下改性陶粒混凝土的抗折、抗压和劈裂抗拉强度，并分析不同的养护环境对它的力学性能影响.试验结果表明，对胶粒进行改性处理后，能显著改善胶粒与水泥基材料的粘结性能，提高胶粒陶粒混凝土的力学性能；在不同的养护条件下，胶粒陶粒混凝土力学性能的整体变化规律是一致的，养护条件对胶粒陶粒混凝土力学性能的影响不是很大关键词制鞋业废物，胶粒陶粒混凝土 ，力学性能3建设部2004年科研攻关项目（No. 04222144）资助.0引言制鞋业废弃物大量无序堆放 、焚烧已经

2、严重恶 化了环境，急待资源化、无害化利用.利用鞋业固体 废弃物胶粒部分取代轻质陶粒 保温混凝土中的轻 砂，可以提高陶粒保温混凝土的性能，为建筑节能提供新型的保温材料.更重要的是使用的胶粒不会产 生二次污染，能最大限度地回收利用制鞋业的有机 固体废弃物.胶粒的掺入会降低混凝土的力学性能，故需对胶粒进行改性处理.为提高胶粒混凝土的力 学性能，很多学者进行了胶粒的改性研究1 4 .国内武汉工业大学5 曾对橡胶混凝土的抗冲击性能进 行过探讨，东南大学6 分析了加压成型对抗压和抗 弯性能的影响.用胶粒改性混凝土的研究始于20世纪80年代末期，均为针对某些具体问题的专题研 究，缺乏系统的理论性的研究成果，

3、未见来源于制鞋 业废弃物的报道.制鞋业废胶粒加入混凝土对其力 学性能的影响多大？本文提出的两种改性方案成型混凝土试件，通过试验分别研究其力学性能.通过现 有混凝土技术可以使其满足各种工程设计要求.如果设计得当，胶粒改性陶粒混凝土具有优越的工程 性能和经济效益1胶粒对混凝土力学性能的影响规律混凝土的力学性能主要包括抗弯强度、抗压强度、劈裂抗拉强度.其中混凝土的抗压强度最受重 视，常用来作为评定混凝土质量的指标.一般来说，混凝土可以看成是由骨料、界面过渡区和水泥石三 个重要环节组成.混凝土的强度主要取决于三方面 的强度，即骨料的强度，水泥石的强度及界面的粘结强度；而界面的粘结强度又包括三方面：即粗

4、骨料与 水泥石的粘结强度、细骨料与水泥石的粘结强度及 水泥水化产物之间的粘结强度.大量研究结果表明： 水泥石与集料的界面区域是混凝土中的薄弱区域 改善界面区域的组成、结构与性能是改善和提高混 凝土性能的重要途径7 .提高混凝土强度和性能的 方法主要是选择适宜的骨料，提高水泥石的性能以及改善界面结构.当混凝土受到外力作用或产生变 形时，界面常常处于力学上最不利的位置，从而成为混凝土中最薄弱的环节.集料和砂浆的弹性模量相 差越大，混凝土的集料破坏作用越强.本文通过测量其抗弯、抗压和劈裂抗拉强度，进一步比较确定本文 提出的两种改性方案的优劣，并分析不同的养护环境对胶粒改性陶粒保温混凝土的力学性能影响

5、.2 试验方案本文采用 100 mm X100 mm X525 mm的棱柱 体标准试件（骨料最大粒径不超过30 mm的混凝土），共4组，每组18个试件，具体配合比见表 1 .试 件带模养护1 day （简写d），拆模后放入温度为20 3 C，相对湿度为90 %以上的标准养护室养护.试件 在7 d龄期时（从搅拌加水时算起）从标准养护室取 出，并分别移至水中、室外屋顶和50 C恒温箱中，此 后分别测量28 d、90 d龄期的力学性能.试件（J Z）为基准混凝土试件，试件（2）为未改 性胶粒混凝土试件，试件（3）为用偶联剂 A +硅灰 裹浆+减水剂改性处理的胶粒混凝土试件，试件（4）为用偶联剂A +

6、矿粉裹浆+减水剂改性处理的 胶粒混凝土试件.专 辑王全凤等：胶粒改性陶粒混凝土力学性能试验研究163(1)表1胶粒混凝土配合比材料 / kg m - 3J Z234水泥410410410410陶砂423.6296.5296.5296.5胶粒094 . 294.294 . 2陶粒447.6447.6447.6447.6水减水剂偶230230204.7204.7联剂A硅002 . 052.05灰000 . 470.47矿粉0018 . 84000018 . 842. 1 抗弯强度试验方法试件在试验前应先擦拭干净，测量截面尺寸并检查其外观.试件不得有明显缺损，在跨中1/ 3梁长 的受拉区内，不得有表

7、面直径超过 7 mm、深度超过 2 mm的孔洞.试件承压面和支承面的不平度不应大 于试件边长的0 . 05 % ;承压面和支撑面与相邻面的 不垂直度，不应大于1.如图1所示,将试件在试验 机的支座上放稳对中，承压面应选择试件成型的侧 面.当加压头与试件将接触时，调整加压头和支座，使接触均衡.开动试验机，每秒应力增量为0 . 0220 . 05 N/ mm ，以此速度连续而均匀地加荷，直到破坏.图1 抗弯试验图当折断面位于两个集中荷载之间时，抗弯强度按照下式计算BL2 bh 式中f z为混凝土抗弯强度（M Pa） ； p为破坏荷载 （N） ; L为跨度（mm） ; b为试件截面宽度（mm） ;

8、h为 试件截面高度（mm）.混凝土抗弯强度计算至 0 . 01 M Pa .取三个试件 测值的算术平均值作为该组试件的抗弯强度值.三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的 差值超过中间值的 15 % ,则把最大及最小值一并舍 除,取中间值作为该组的抗弯强度值.如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15 % ,则该组试验结果无效.2.2 抗压强度试验方法试件从养护地点取出后，先擦拭干净，测量尺寸,并检查其外观.试件尺寸测量，精确至1 mm ,并 据此计算试件的承压面积A .试件承压面的不平度，不应大于试件边长的 0 . 05 % ,承压面与相邻面的不 垂直度不应大于 1 .将试件直立放置在

9、试验机的下压板上，试件的轴心应与压力机上压板中心对准，如图2所示.开动试验机，连续均匀地加荷，速率取 每秒0 . 30 . 5 M Pa .当试件接近破坏而开始迅速 变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏.图2 抗压试验图混凝土立方体抗压强度计算公式Pf cu = A（2）式中f cu为混凝土轴心抗压强度 （M Pa） ; P为破坏荷 载（N） ； A为试件承压面积（mm2 ）.混凝土立方体抗压强度计算至0. 1 M Pa ,取三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度 值.数据处理同上.2.3 劈裂强度试验方法试件从养护地点取出后先擦拭干净，测量尺寸，检查外观，并在试件中部划线定出劈裂

10、面的位置.劈裂面应与试件成型时的顶面垂直.试件尺寸测量，精 确至1 mm ,并据此计算试件的劈裂面面积 A .将试 件放在压力试验机下压板的中心位置 .如图3示,在上、下压板与试件之间垫以圆弧垫条及垫层各一条 垫条方向 应与成型时的顶面垂直.以每秒0. 02 - 0 . 05 N/ mm 2的速度连续而均匀地加荷.当试件接1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 近破坏时，应停止调整油门，直至试件破坏图3 劈裂试验图混凝土的劈裂抗拉强度按下式计算f pi = 2 = 0.

11、 637 -AnA式中f pi 混凝土劈裂抗拉强度（M Pa） ; P 破坏荷载（N） ; A 试件劈裂面面积（mm2 ）混凝土劈裂抗拉强度计算至0 . 1 M Pa ,取三个试件测值的算术平均值作为该组试件的劈裂抗拉强度值.数据处理同上.3 试验结果及分析四种胶粒陶粒混凝土在不同养护条件下各龄期力学性能见表2所示:表2胶粒混凝土力学性能/ M Pa抗弯强度抗压强度龄期28d90 d28 d90 d28 d90 dJ Z （室外）2 .432.7220 . 721.21 .361.952 （室外）1 .832.36 - 0 . 132 10 . 814 .9 - 0 .295 1 .021.4

12、1 - 0 . 277 3 （室外）2 .442.88 (0.220)14 . 917.6 (0. 182)1 .872.01 (0. 426)4 （室外）J Z （50 度）1 .922.82 (0.195)14 . 615.8 (0. 060)1 .131.57 (0. 113)2 (50 度)2 .924 . 3823 . 425 . 51.62 . 383 (50 度)2 .463.05 - 0 . 304 9. 2214 .5 - 0 . 431 .141.55 - 0 . 349 4 (50 度)2 .894.00 (0.311)15 . 918.9 (0. 301)1 .982.

13、26 (0. 458)J Z （水中）2 .743.62 (0. 187 )17 . 819.0 (0. 307)1 .661.84 (0. 187)2 （水中）2 .863 . 7122 . 623.91 .191.933 （水中）2 .123.04 - 0 .1818. 7613 .6 - 0.43 0 .721 .08 - 0 . 44 4 （水中）3.33.76 (0. 237 )13 . 516 .5 (0. 213 )1 .812.14 (0. 981)2 .883.37 (0. 109 )14 . 715 .9 (0. 169 )1 .351 .61 (0.491 )劈裂强度本次

14、试验试件截面为 100 mm X100 mm的非 标准试件，各强度值均乘以尺寸换算系数0. 85.表中方括号数字为试件 对基准混凝土试件（J Z） 90d 强度的相对比值；圆括号数字分别为试件 和试 件对试件 90d强度的相对比值；“ + ”代表提高， -”代表减小.3. 1在室外屋顶上养护时，混凝土力学性能分析从表2可以看出：在室外屋顶上养护时，（1）未改性胶粒混凝土试件的90d抗弯强 度、抗压强度和劈裂抗拉强度较基准混凝土试件 （J Z）分别降低了 13.2 %、29.5 % 和 27.7 % ;（2）用偶联剂A +硅灰裹浆+减水剂改性处理的胶粒混凝土试件改性效果最好，试件的90d 抗弯强

15、度、抗压强度和劈裂抗拉强度较试件分别提高了 22 %、18.2 %和42.6 %.另外所测力学性能 中除抗压强度外，抗弯强度、劈裂抗拉强度均比JZ试件有所提咼；（3）用偶联剂A +矿粉裹浆+减水剂改性处理的胶粒混凝土试件改性效果略低于试件，其90 d抗弯强度、抗压强度和劈裂抗拉强度较试件分别提高了 19 . 5 %、6. 0 % 和 11. 3 %.3.2 在恒温50 C条件下养护，混凝土力学性能分 析从表2可以看出：在恒温50 C条件下养护时，(1) 未改性胶粒混凝土试件的90d抗弯强度、抗压强度和劈裂抗拉强度较基准混凝土试件(J Z)分别降低了 30 . 4 %、43 % 和 34. 9

16、% ;(2) 对于偶联剂A +硅灰裹浆+减水剂改性处 理的胶粒混凝土试件 ，其90 d抗弯强度、抗压强度 和劈裂抗拉强度较试件 分别提高了 31 . 1 %、30 . 1 %和45.8 % ,改性效果较好；(3) 对于偶联剂A +矿粉裹浆+减水剂改性处 理的胶粒混凝土试件 ，其90 d抗弯强度、抗压强度 和劈裂抗拉强度较试件 分别提高了 18 . 7 %、30 . 7 %和18.7 %.相对于试件 来说，抗压强度又略 有提咼.3. 3 在水中养护，混凝土的力学性能分析从表2可以看出：在水中养护时，(1) 未改性胶粒混凝土试件的90d抗弯强度、抗压强度和劈裂抗拉强度较基准混凝土试件 (J Z)分

17、别降低了 18 . 1 %、43 % 和 44 % ；(2) 对于偶联剂A +硅灰裹浆+减水剂改性处 理的胶粒混凝土试件 ，其90 d抗弯强度、抗压强度 和劈裂抗拉强度较试件 分别提高了 23 . 7 %、21 .3 % 和 98.1 % ;(3) 对于偶联剂A +矿粉裹浆+减水剂改性处 理的胶粒混凝土试件 ，其90 d抗弯强度、抗压强度 和劈裂抗拉强度较试件 分别提高了 10 . 9 %、16 .9 % 和 49.1 %.3. 4试验分析(1) 胶粒未改性时，胶粒与水泥基材料的界面区域仅靠分子间的范德华力作用，一直未形成有效的粘结力.同时，胶粒为弹性体材料,其强度远低于 水泥石强度.因此，随

18、着胶粒的掺入，混凝土中软弱 点增加，故力学性能也减小.(2) 胶粒改性后，由于偶联剂、矿物外加剂的作用，使胶粒与水泥基材料界面区域有了很大的改善，其作用的机理为：1)聚合物的空间三维连续网状结构相当于“微纤维”，从而增强水泥浆体基体的抗折 强度，抵抗了裂纹扩展；2)聚合物中大量的表面活 性物质增强了胶粒砂浆中胶粒表面的湿润作用，而这种湿润作用让形成的聚合物膜较好地粘附在胶粒 表面，改善了胶粒与水泥基体之间的粘结能力，从而有效地防止了微裂缝的起裂与扩展聚合物与水泥发生一定程度的化学反应，增强了聚合物与水泥之间的结合，从而提高了抗折强度.故试件 、的 抗弯、抗压、劈裂抗拉强度较试件均有所提高.同时

19、，由于胶粒这种弹性体的存在，故改性后的试件、抗压强度依然低于试件JZ ,但抗弯、劈裂抗拉强度在不同的养护条件下较试件J Z有不同的趋势,这也从另一方面说明了外加剂对胶粒与水泥基材料 界面的改性作用.(3) 虽然养护条件的不同，但是胶粒混凝土力学性能的整体变化规律是一致的.另外，对不同养护条件下、同种试件、同一龄期、同种强度的数值进行 比较可以看出：在90d内，强度值总体规律是在恒温 50 C条件下养护 在水中养护 在室外屋顶养护，但是相差不大.这也说明了养护条件对胶粒混凝 土力学性能的影响不是很大.4 结论(1) 对胶粒进行改性处理后，能显著改善胶粒 与水泥基材料的粘结性能，提高胶粒陶粒混凝土

20、的 力学性能，其中偶联剂A +硅灰裹浆+减水剂改性 处理的方案较优.(2) 在不同的养护条件下，胶粒陶粒混凝土力学性能的整体变化规律是一致的，养护条件对胶粒陶粒混凝土力学性能的影响不是很大.参考文献1 Eldi n N N , Seno uci A B . Rubber 2tire p articles a s co n2crete aggregate s. A SC E Jour nal of Material s in Civil Engineering , 1993,5 (4): 478 4962 Fat t uhi N I , Clar k N A . Cemen2based mate

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23、NCRETE MOD IFIED B Y RUBBERPA RTICL E COM E F ROM SHO E WASTESWa ng Qua nf eng He Zheng(Colle ge of Ci vi l En g ineeri n g , H uaqi ao U ni versit y , Q ua nz hou , 362021 )Abstract The ce ramsit e co ncret e mo dified by r ub ber p article wa s co mpo unde d acco rdi ng to t wo mo di2 ficatio n met hods , t he speci mens of t he concret e were t est ed fo r f l ex ural st re ngt h , co mp re ssive st re ngt h and sp