CN108439906A - 一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，采用内掺法制备，以橡胶粉掺量按照细骨料体积固定百分比的原则掺入基准混凝土中，等体积替换相应的细骨料，在橡胶混凝土构件拉应力区域配置少量的构造钢筋而形成复合增韧材料。通过构件折压比试验数据得到韧性增大系数变化规律，建立了橡胶粒径和掺量相对最优配合比，基于该设计方法得到的高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法既保证了材料具有较高的抗弯折强度又具有优良的韧性性能。应用于对抗裂韧性及耐久性能要求严格的道路与桥梁工程构造物中，可实现废旧橡胶制品的无污染消化处理，充分发挥橡胶混凝土的优良的韧性性能。且构造钢筋的使用量大大减少，从而节约能耗、降低工程成本。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种少配筋水泥基橡胶混凝土高韧性复合材料的设计方法。
背景技术
以回收橡胶颗粒或橡胶粉部分替代传统混凝土中粗、细集料制备而成的改性橡胶水泥混凝土材料，既减轻了废旧轮胎给环境带来的压力，又能够很好的改善普通混凝土的性能，是集环保与资源再利用于一体的具有前瞻性的创新。
在基准混凝土中掺入一定量的橡胶颗粒(橡胶粉)制备而成水泥基橡胶混凝土，不仅使砂浆基质的韧性得到提高，而且使钢筋与砂浆的粘结性能提高。从而有效改善了构件抗裂性能，进而可部分替代或完全替代原构件中受拉区钢筋，在对于材料抗裂韧性及耐久性要求更为严格的诸如桥面板、行车道板、人行道板以及桥面铺装整体化层等道路与桥梁工程构造物中有着广泛地应用前景。但是，既有的成果中，采用的水泥基橡胶混凝土多采用低掺量和大粒径的颗粒集料，且基准混凝土多采用较高水灰比，而对于高掺量、细粒径、低水灰比以及配筋的橡胶混凝土相关研究较少。
同时，对于少筋水泥基橡胶混凝土而言，其韧性性能的改善程度受橡胶颗粒(橡胶粉)的掺量和粒径两参数影响程度较大，目前尚缺乏专项的配合比设计优化方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于在低水灰比基准混凝土背景下，提供一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，所得材料具有高韧性及抗裂性的性能。在拉应力区域配置少量构造钢筋的水泥基橡胶混凝土，橡胶颗粒(橡胶粉)就像一个个微小弹簧分散在钢筋和砂浆基质之间，延缓了混凝土的开裂，使配筋后橡胶混凝土的弯曲韧性得到了更大的提高，显著增强了少配筋状态下橡胶水泥混凝土复合构件抗弯折性韧性性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，以橡胶粉部分替代基准混凝土中细骨料，其特征在于，所述橡胶粉的粒径和掺量通过如下方式确定：设计长方体抗折试件，尺寸为150mm×150mm×550mm，在试件截面下缘布设2根三级钢筋，间距100mm，净距20mm。基准混凝土中不掺加橡胶颗粒(橡胶粉)，在保持基准混凝土水、水泥、粗骨料及减水剂用量不变的前提下，根据应用场景不同，改变橡胶颗粒(橡胶粉)的不同粒径和掺量的组合方式。通过双支点对称加载测试试件的抗弯折强度(图1)，得到折压比参数μ与韧性增大系数K两项指标的变化规律，从而确定韧性性能最优设计组合。
基准混凝土中不掺加橡胶粉，组份配比为：细骨料757.0kg/m3；粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。以橡胶颗粒(橡胶粉)部分替代基准混凝土中细骨料，橡胶粉的粒径和掺量通过如下方式确定：基准混凝土材料中除橡胶颗粒(橡胶粉)与细骨料外，其他组份配比为：粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。橡胶颗粒(橡胶粉)掺量按照细骨料体积固定百分比的原则掺入基准混凝土中，等体积替换相应的细骨料，掺量分别为细骨料体积的10％、20％、30％，橡胶粉粒径分别为8目、20目、40目、80目。
所述通过三分点对称加载弯折试验测试件的抗弯折强度，试验基本步骤为：
1)对制备试件在标准养护条件下养护28天；
2)从养护箱内取出试件，用毛巾覆盖并及时进行试验，保持干燥状态不变，在试件中部量出其高度和宽度，精确至1mm；
3)调整两个可移动支座，将试件安装在支座上，试件侧面朝上，使支座及受压面与垫块接触面平稳、否则应垫平；
4)加荷载时应保持均匀、连续，取0.06Mpa/s的加载速度逐级加载，当试件接近破坏而开始迅速变形时，本能调整试验油门，直至试件破坏，记下弯折破坏极限荷载。
所得折压比参数μ为同等条件下混凝土抗折强度与抗压强度的比值；所得韧性增大系数K为少筋水泥基橡胶混凝土和少筋基准水泥基混凝土折压比参数μ的相对误差值。
本发明所得高韧性少筋水泥基橡胶混凝土，可应用在少配筋状态下道路与桥梁工程中，对于材料抗裂韧性及耐久性要求更为严格的诸如桥面板、行车道板、人行道板以及桥面铺装整体化层等弯曲受拉或弯折受力为主的构件中。
在同等配筋率下，本发明设计得到的少筋橡胶混凝土构件的折压比参数与韧性增大系数指标有明显提高，且增大的幅度与橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径和掺量水平密切相关。
与现有技术相比，本发明高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法在延缓混凝土塑性阶段的裂缝开展、增强变形能力等力学性能方面具有较大的优势，得到其橡胶颗粒(橡胶粉)优化参数组合对于指导实际工程中配合比设计具有相当高的理论价值。同时，将其应用于弯曲受拉或弯折受力为主且对抗裂韧性及抗渗耐久性能要求严格的道路与桥梁工程结构构造物中，不仅可实现废旧橡胶制品的无污染消化处理，解决资源短缺和环境污染两大问题，而且可以充分利用橡胶混凝土的工程性能特征，充分发挥橡胶混凝土的优良抗裂性能以及极佳的韧性，与普通钢筋混凝土工程构件相比，使得构造钢筋的使用量大大减少，达到了节约能耗、降低工程成本的目的。
附图说明
图1是本发明采用三分点对称加载弯折试验示意图。
图2是本发明少筋水泥基橡胶混凝土韧性增大系数。
具体实施方式
发明所述的具体实施方式并不构成对本发明范围的全部限制，凡是在本发明构思的原则和精神之内，本领域的专业人员做出的任何修改、等同替换的改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管由于橡胶颗粒(橡胶粉)的掺入对改性橡胶水泥混凝土拉应力作用下的抗裂性能具有一定程度的改善，然而，在诸如桥面板、行车道板及桥面铺装整体化层等弯曲受拉或弯折受力为主的典型土木工程构件应用中，对于材料抗裂韧性及耐久性能提出了更严格的需求。可通过在橡胶混凝土拉应力区域配置少量的构造钢筋作为辅助，以提高材料韧性及构件延性，从而得到更适用于其抗弯折受力特性的配筋橡胶混凝土新型复合增韧材料，并进行基本力学性能与耐久性的优化。
可以预见，这种少筋水泥解决橡胶混凝土复合增韧材料充分利用了橡胶混凝土具有的优良抗裂性能以及极佳的韧性，与普通钢筋混凝土土木工程构件相比，又使得构造钢筋的使用量大大减少，从而显著达到了节约能耗、降低工程成本的目的。
为此，需通过设置合理的评价指标，并通过抗弯折试验来寻求较优组合形式，本申请设计实施例如下。
实施例1
水泥基橡胶混凝土材料，以橡胶颗粒(橡胶粉)按照细骨料体积固定百分比的原则掺入基准混凝土中。掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为80目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。橡胶混凝土其他组份配比为：粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。
无筋水泥基橡胶混凝土材料的制备方法如下：称取配方量的橡胶颗粒或橡胶粉，按照细骨料体积固定百分比掺入并替换相应体积细骨料，再投入配方量的水泥、水、粗骨料、减水剂等，搅拌后得到无筋水泥基橡胶混凝土。将得到的无筋水泥基橡胶混凝土入模制作长方体抗弯折试件，尺寸为150mm×150mm×550mm。
高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，在上述无筋水泥基橡胶混凝土入模制作长方体抗弯折试件的基础上，在试件截面下缘布设HPB400型2根公称直径为三级钢筋，间距100mm，净距20mm。
分别对无筋水泥基橡胶混凝土试件(三组)及高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法试件(三组)进行长方体构件抗折强度试验，得到三组试件的平均值作为抗折强度的代表值。
试验得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为6.0MPa，折压比μ0’为0.164；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为16.1MPa，折压比μa’为0.413。
实施例2
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为80目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为6.1MPa，折压比μ0’为0.199；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为16.6MPa，折压比μa’为0.493。
实施例3
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为80目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为5.9MPa，折压比μ0’为0.182；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为11.1MPa，折压比μa’为0.324。
实施例4
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为40目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为4.4MPa，折压比μ0’为0.096；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为13.5MPa，折压比μa’为0.293。
实施例5：
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为40目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为4.7MPa，折压比μ0’为0.111；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为12.4MPa，折压比μa’为0.281。
实施例6
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为40目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为5.7MPa，折压比μ0’为0.142；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为16.1MPa，折压比μa’为0.396。
实施例7：
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为20目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为5.9MPa，折压比μ0’为0.162；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为14.9MPa，折压比μa’为0.373。
实施例8
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为20目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为4.5MPa，折压比μ0’为0.159；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为12.0MPa，折压比μa’为0.399。
实施例9
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为20目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为4.9MPa，折压比μ0’为0.150；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为13.6MPa，折压比μa’为0.406。
实施例10
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为8目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为6.8MPa，折压比μ0’为0.133；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为17.4MPa，折压比μa’为0.286。
实施例11
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为8目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为6.7MPa，折压比μ0’为0.138；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为16.8MPa，折压比μa’为0.271。
实施例12
一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶颗粒(橡胶粉)的粒径大小为8目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋水泥基橡胶混凝土抗折强度为4.2MPa，折压比μ0’为0.140；高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法抗折强度为11.6MPa，折压比μa’为0.367。
对比例1
一种基准水泥基混凝土材料，与实施例1采用相同的水灰比和配筋率，不同之处在于，不掺加橡胶颗粒(橡胶粉)，细骨料757.0kg/m3。
参照实施例1进行长方体构件抗折强度试验，得到无筋基准水泥基混凝土抗折强度为7.6MPa，折压比μ0为0.129；少筋基准水泥基混凝土抗折强度为17.5MPa，折压比μa为0.286。
定义韧性增大系数K，用来表征橡胶颗粒对混凝土韧性增大的程度，可由式(1)求得：
式中，Ka和K0分别为少筋和无筋的橡胶混凝土的韧性增大系数；μa’和μa分别为少筋水泥基橡胶混凝土和少筋基准水泥基橡胶混凝土的折压比；μ0’和μ0分别为无筋的水泥基橡胶混凝土和无筋基准水泥基混凝土的折压比。
对上述实施例1～实施例12计算韧性增大系数，得到其变化规律如图2所示。少筋水泥基橡胶混凝土韧性性能明显提高，且小粒径的橡胶颗粒对配筋混凝土韧性的增大效果更为明显。
综合分析橡胶颗粒(橡胶粉)粒径和掺量对抗折强度与折压比的影响，粒径取80目、掺量为10％的配合比为推荐的相对最优配合比，基于此制备而成的高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法既能保证有较高的抗弯折强度又能有较好的韧性，可用于指导同类型材料配合比优化设计。
Claims (5)
1.一种高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，以橡胶粉部分替代基准混凝土中细骨料，其特征在于，所述橡胶粉的粒径和掺量通过如下方式确定：设计长方体抗折试件，采用的构件尺寸为150mm×150mm×550mm，在试件截面下缘布设2根三级钢筋，间距100mm，净距20mm，在保持基准混凝土水、水泥、粗骨料及减水剂用量不变的前提下，根据应用场景不同，改变橡胶粉的不同粒径和掺量的组合方式，通过双支点对称加载测试试件的抗弯折强度，得到折压比参数μ与韧性增大系数K两项指标的变化规律，从而确定韧性性能最优设计组合。
2.根据权利要求1所述高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，其特征在于，橡胶粉掺量按照细骨料体积固定百分比的原则掺入基准混凝土中，等体积替换相应的细骨料，掺量分别为细骨料体积的10％、20％、30％，橡胶粉粒径分别为8目、20目、40目、80目。
3.根据权利要求1所述高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，其特征在于，橡胶混凝土材料中除橡胶粉与细骨料外，其他组份配比为：粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32；基准混凝土中不掺加橡胶粉，组份配比为：细骨料757.0kg/m3；粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。
4.根据权利要求1所述高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，其特征在于，通过三分点对称加载弯折试验测试件的抗弯折强度，试验基本步骤为：
1)对制备试件在标准养护条件下养护28天；
2)从养护箱内取出试件，用毛巾覆盖并及时进行试验，保持干燥状态不变，在试件中部量出其高度和宽度，精确至1mm；
3)调整两个可移动支座，将试件安装在支座上，试件侧面朝上，使支座及受压面与垫块接触面平稳、否则应垫平；
4)加荷载时应保持均匀、连续，取0.06Mpa/s的加载速度逐级加载，当试件接近破坏而开始迅速变形时，本能调整试验油门，直至试件破坏，记下弯折破坏极限荷载。
5.根据权利要求4所述高韧性少筋水泥基橡胶混凝土的设计方法，其特征在于，所得折压比参数μ为同等条件下混凝土抗折强度与抗压强度的比值；所得韧性增大系数K为少筋水泥基橡胶混凝土和少筋基准水泥基混凝土折压比参数μ的相对误差值。
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