摘要：本文采用平板法研究了橡膠砂漿的塑性收縮開裂性能。結(jié)果表明，用橡膠顆粒等體積取代25%的砂，能有效抑制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，顯著提高砂漿抵抗塑性收縮開裂的能力。采用ACI－544推薦的落錘法，研究了橡膠混凝土的抗沖擊性能。用橡膠顆粒等體積取代25%的砂，雖然橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度較素混凝土下降了34%，但其抗沖擊次數(shù)卻提高了6.2倍；同時(shí)摻加橡膠顆粒和1kg/m3的高彈性模量PVA纖維，混凝土抗沖擊次數(shù)是素混凝土的8.3倍，是單摻橡膠的混凝土的1.3倍。研究表明，橡膠顆粒改性水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗塑性收縮開裂和抗沖擊的能力。
關(guān)鍵詞： 橡膠顆粒；平板法；混凝土；落錘法；沖擊韌性
Plastic Shrinkage Cracking and Impact Performance of Rubber Modified Cementitious Composites
Abstract：This paper investigates the early-age plastic shrinkage and cracking resistance of rubber particles modified mortar by using slab test. The experiment results demonstrate rubber particles can restrain the initiation and propagation of plastic shrinkage cracks of mortars. The influence of rubber particles on impact performance of concrete is also studied by hammer-drop test. The result shows that, the impact property is improved obviously due to the addition of rubber particles included in concrete. Rubber included concrete can resist 6.2 times higher impact attack than reference concrete although its compressive strength is 34% lower than reference concrete. Furthermore, when high elastic modulus PVA fibers are added to concrete together with rubber particles, concrete can undertake 8.3 times higher impact attack than reference concrete. It can therefore be concluded that rubber modified cementitious composites can exhibit excellent performance against plastic shrinkage cracking and impact loading comparing to ordinary cement concrete.
Key words：rubber particles；slab test；concrete；hammer-drop test；impact toughness
1 前言
混凝土結(jié)構(gòu)由于處于不同的約束狀態(tài)下因收縮引起拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度小于該拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)引起混凝土的開裂。而混凝土在早期彈性模量低，抗拉強(qiáng)度小，易于發(fā)生開裂現(xiàn)象，特別是在比表面積大的結(jié)構(gòu)中例如路面、橋面等，更加容易出現(xiàn)因早期塑性收縮引起的裂縫，所以抗塑性開裂性能成為評(píng)價(jià)混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)，如何提高混凝土的抗塑性開裂性能已經(jīng)引起了工程界的高度重視。混凝土的抗沖擊性能的高低是評(píng)價(jià)混凝土動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)重要方面。在要求振動(dòng)阻尼高的場(chǎng)所和抗沖擊抗爆炸結(jié)構(gòu)，如高抗震地區(qū)建筑的基礎(chǔ)工程、火車的路基枕木、高速公路的圍擋結(jié)構(gòu)等，對(duì)混凝土的抗沖擊性能提出了更高的要求。
廢舊橡膠輪胎屬于固體廢棄物的一種。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)汽車工業(yè)迅速發(fā)展，2005年我國(guó)輪胎消耗量居世界第二位，達(dá)到了1.6億條，并且預(yù)計(jì)2005~2010年間的年均增長(zhǎng)速度為7.8％[]1，根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2006年輪胎總產(chǎn)量達(dá)到2.8億條，2007年1~3月中國(guó)共生產(chǎn)輪胎1.1億條，同比增長(zhǎng)19.1%。同時(shí)，國(guó)內(nèi)每年也要產(chǎn)生廢舊輪胎1億條以上。廢輪胎在土壤中不易降解，有關(guān)數(shù)據(jù)表明輪胎100年后才能被分解，而且對(duì)土壤污染很大；輪胎焚燒發(fā)電會(huì)帶來大氣污染，并且對(duì)寶貴的橡膠資源是一種浪費(fèi)[]2。國(guó)內(nèi)產(chǎn)生的巨大數(shù)量的廢舊輪胎，目前已造成很大的環(huán)境壓力和負(fù)面影響。如何處理日益增加的廢棄輪胎已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題，能否正確合理的處理廢棄輪胎，關(guān)系到國(guó)家和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問題。
將廢棄輪胎加工成橡膠顆粒和精細(xì)膠粉是一種比較合理的輪胎再生處理方式。處理過的廢棄輪胎橡膠顆?？梢杂糜谙鹉z制品的再生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的耐磨性能。將精細(xì)膠粉摻加到瀝青混凝土中已經(jīng)取得了相當(dāng)數(shù)量的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究和實(shí)踐都表明膠粉的加入提高了瀝青混凝土的抗老化性能，使路面具有抗車轍、高防滑性能和低噪聲等[]3。在韓國(guó)，橡膠顆粒加入混凝土中做成軌枕使用后發(fā)現(xiàn)減震效果很好[]4。在美國(guó)，橡膠混凝土應(yīng)用到了網(wǎng)球場(chǎng)、停車場(chǎng)和道路的建設(shè)，性能表現(xiàn)良好。各國(guó)學(xué)者研究顯示雖然橡膠混凝土和普通混凝土相比抗壓和抗折強(qiáng)度相對(duì)較低，但是橡膠混凝土的破壞形態(tài)不同于普通混凝土的脆性斷裂，而是呈塑性屈服破壞形態(tài)，極限拉壓應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土。研究結(jié)果表明混凝土中加入一定數(shù)量的橡膠顆粒后，延性和韌性得到了提高，變形能力得到增大，彈性模量得到了有效的降低。橡膠混凝土的工程性能介于普通混凝土（剛性）和瀝青混凝土（柔性）之間，兼有橡膠和混凝土的特點(diǎn)，用在路面使行車更加舒適[,,,,,]5678910。張亞梅等研究了橡膠混凝土的抗凍融性能和抗?jié)B性。結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)摻加橡膠顆粒對(duì)混凝土的抗凍融性能和抗?jié)B性的提高有所幫助。而長(zhǎng)期浸泡在水中或Na2SO4和NaCl的復(fù)合鹽溶液中的橡膠水泥混凝土其力學(xué)性能變化及氯離子滲透性與對(duì)比混凝土相當(dāng)[]11。但是在浸－烘循環(huán)作用下橡膠水泥混凝土性能劣化加劇[]12。橡膠混凝土阻尼比比普通混凝土有明顯提高，能有效地吸收振動(dòng)能，具有減振降噪的功能。研究和實(shí)踐都表明了橡膠混凝土具備許多水泥混凝土不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，例如輕質(zhì)、彈性減震、降噪隔音、透氣透水、延性和韌性好等。本文研究了摻橡膠顆粒的砂漿的早期塑性收縮開裂和混凝土抗沖擊性能。
2 試驗(yàn)原料與方法
2.1 試驗(yàn)原料
南京江南水泥廠生產(chǎn)的“金寧羊”牌P•Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥；粒徑5~25mm連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石；細(xì)度模數(shù)2.6的中砂；江蘇省建科院生產(chǎn)的JM-PCA型高效聚羧酸減水劑；直徑為8目（2~3mm）的橡膠顆粒；進(jìn)口聚乙烯醇（PVA）纖維（纖維直徑18~22μm、長(zhǎng)度6~9mm、抗拉強(qiáng)度1300~1400MPa、楊氏模量35~40GPa、斷裂伸長(zhǎng)率6%~8%）。
2.2 橡膠砂漿平板開裂
砂漿平板試驗(yàn)采用笠井芳夫提出的試驗(yàn)方法，選用不同配合比的橡膠砂漿來進(jìn)行塑性開裂對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。 
所用試件的尺寸為600mm×600mm×63mm的平面薄板，邊框內(nèi)設(shè)Φ6、間距60mm的雙排栓釘，長(zhǎng)度分別為50mm和100mm的兩種栓釘間隔分布（見圖1）。模具底板采用厚度為15mm的復(fù)合板，并在底板上鋪一層聚乙烯薄膜，防止試件水分從底面蒸發(fā)損失。
試件澆注后立即用塑料薄膜覆蓋，保持環(huán)境溫度為30℃，相對(duì)濕度為60%，2h后將塑料薄膜取下，用電風(fēng)扇吹表面，風(fēng)速8m/s；記錄試件開裂時(shí)間、裂縫數(shù)量、裂縫長(zhǎng)度和寬度，從澆注起，記錄至24小時(shí)。根據(jù)24小時(shí)開裂情況，計(jì)算下列三個(gè)參數(shù):（1）裂縫的平均開裂面積、（2）單位面積的開裂裂縫數(shù)目、（3）單位面積上的總裂開面積。橡膠砂漿配合比如表1所示。 
2.3 落錘沖擊試驗(yàn)
材料所承受的沖擊荷載分爆破沖擊和機(jī)械沖擊兩種，材料抗機(jī)械沖擊的性能是在反復(fù)沖擊荷載作用下，材料吸收動(dòng)能的能力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土的沖擊試驗(yàn)尚無統(tǒng)一的方法，在沖擊荷載的施加方式上有落球（錘）試驗(yàn)和擺錘試驗(yàn)等，而在試件的受力形式上，一般有壓縮和彎曲兩種試件。本試驗(yàn)采用ACI-544推薦的沖壓沖擊試驗(yàn)方法，即用落錘沖擊圓板試驗(yàn)。落錘質(zhì)量為4.5Kg，自由下落高度為457mm。試件厚度為60mm，直徑為150mm，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表征方法：一、經(jīng)過落錘沖擊，當(dāng)試驗(yàn)板出現(xiàn)第一條裂縫的沖擊次數(shù)；二、破壞時(shí)沖擊次數(shù)（當(dāng)試件膨脹，與儀器中四塊擋板的任意三塊接觸時(shí)的沖擊次數(shù)）；三、破壞與初裂時(shí)沖擊次數(shù)的差值和沖擊耗能。沖擊耗能按下式計(jì)算： 
3 平板開裂試驗(yàn)結(jié)果與分析
用4個(gè)參數(shù)來定量分析混凝土的開裂情況：平均開裂面積、總開裂面積、總開裂長(zhǎng)度、總裂縫數(shù)。 
橡膠改性砂漿塑性收縮開裂試驗(yàn)測(cè)量的初裂時(shí)間、總的裂縫數(shù)目（N）、平均開裂面積（a）、單位面積裂縫數(shù)（b）、單位面積上的總開裂面積（c） 和抗裂等級(jí)評(píng)價(jià)如表3所示?？沽训燃?jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用笠井芳夫提出的評(píng)價(jià)方法。
從表3中可以看到：對(duì)比砂漿的初裂時(shí)間最短，3h就出現(xiàn)第一條裂縫，摻15％橡膠顆粒的砂漿4.5h出現(xiàn)第一條裂縫，而摻25%橡膠顆粒的砂漿24小時(shí)內(nèi)未開裂。24小時(shí)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)比砂漿共出現(xiàn)了8條裂縫，其中1~2mm的裂縫3條，0.5~1mm裂縫2條，小于0.5mm裂縫3條。摻15％橡膠顆粒的砂漿共出現(xiàn)了5條裂縫，其中0.5~1mm裂縫2條，小于0.5mm裂縫3條。 
對(duì)比砂漿抗塑性開裂性能最差，摻25%橡膠顆粒的砂漿抗塑性開裂性能最好，24小時(shí)沒有出現(xiàn)任何細(xì)小裂縫。從表3中可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，初裂時(shí)間明顯延長(zhǎng)，裂縫數(shù)目明顯減少，裂縫寬度也減小。
平板開裂試驗(yàn)表明，橡膠對(duì)阻止砂漿的塑性開裂有顯著的效果，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，抗開裂效果越明顯。主要原因分析如下：
（1）橡膠顆粒彈性模量小，根據(jù)輪胎來源不同其數(shù)值在20~40MPa之間，加入砂漿后橡膠砂漿早期彈性模量降低，從而在收縮受約束時(shí)引發(fā)的彈性拉應(yīng)力較低。
（2）橡膠顆粒在混凝土收縮過程中有應(yīng)力松弛作用，在水泥砂漿硬化過程中，彈性模量增大，產(chǎn)生逐漸增大的拉應(yīng)力，橡膠顆粒在其中可以松弛這些拉應(yīng)力。而且均勻分布的橡膠顆粒使拉應(yīng)力不會(huì)過于集中在某一局部。
（3）橡膠顆粒具有較大的變形性能，增加橡膠砂漿的極限拉伸率。
（4）混凝土發(fā)生早期塑性收縮時(shí)，橡膠顆粒大量分布在砂漿漿體中，將連通孔阻斷，阻止了毛細(xì)孔中水份的散失，使橡膠砂漿的表面水份散失達(dá)到最小，從而減小橡膠砂漿塑性收縮的發(fā)展速率。對(duì)比砂漿上表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充，這時(shí)對(duì)比砂漿尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，對(duì)比砂漿的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，對(duì)比砂漿體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快，于是裂縫迅速擴(kuò)展。由于對(duì)比砂漿結(jié)構(gòu)內(nèi)部“缺水”，孔液面飽和蒸汽壓降低，相對(duì)濕度降低，產(chǎn)生的收縮應(yīng)力變大，加速開裂。
4 落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果與分析
本研究沖擊試驗(yàn)按照ACI－544建議的纖維混凝土抗沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)配合比見表2。成型后的試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（養(yǎng)護(hù)溫度為20±3℃，濕度大于95%）養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)過程和結(jié)果見圖4所示的照片。
從圖4中可以看到，素混凝土在破壞時(shí)，試件表面在鐵球沖擊處出現(xiàn)一個(gè)約3~4mm深的淺坑；而橡膠混凝土在沖擊500次后未破壞，觀察試件表面發(fā)現(xiàn)，在落球部位有一個(gè)明顯深坑，在沖擊916次后破壞時(shí)，坑深約10mm，明顯深于素混凝土；加入PVA纖維的橡膠混凝土抗沖擊性能得到進(jìn)一步提高，試件在沖擊1306次后才破壞，沖擊留下的坑深為15mm。與橡膠混凝土和素混凝土不同的是，摻PVA纖維的橡膠混凝土試件出現(xiàn)的第一條裂縫細(xì)小，裂縫出現(xiàn)后試件兩部分依然“橋接”在一起，保持著整體性，而橡膠混凝土和素混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，裂縫粗大，試件一分為二，失去了整體性。
沖擊試驗(yàn)測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。 
從表中可以看出：摻入62kg/m3橡膠顆粒后，混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低，下降了34%；但混凝土出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的沖擊次數(shù)明顯提高，為素混凝土的6.2倍；當(dāng)在橡膠混凝土中再加入1kg/m3的PVA纖維后，初裂沖擊次數(shù)為素混凝土的8.3倍，為橡膠混凝土的1.3倍。
素混凝土的破壞與初裂沖擊次數(shù)差值為3次，素混凝土在出現(xiàn)第一條裂縫后裂縫迅速貫穿試件整個(gè)斷面，破壞時(shí)的沖擊次數(shù)與出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的沖擊次數(shù)（△N）相差不大，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。加入橡膠顆粒后△N為11；同時(shí)加入橡膠顆粒和PVA纖維時(shí)，△N為18，相比素混凝土有很大提高，混凝土在第一條裂縫出現(xiàn)后仍能夠繼續(xù)承受相當(dāng)數(shù)量的沖擊，表現(xiàn)出較好的延性。
沖擊荷載是瞬時(shí)荷載，其特點(diǎn)在于作用時(shí)間短而能量高。橡膠顆粒彈性模量低，有較大的變形能力，混凝土中加入橡膠顆粒后，受到?jīng)_擊作用時(shí)，能夠產(chǎn)生較大的變形，耗散部分能量。此外，在混凝土內(nèi)部微裂紋的發(fā)展階段，當(dāng)微裂縫尖端擴(kuò)展到橡膠顆粒附近時(shí)，橡膠顆粒能夠產(chǎn)生較大的變形，裂縫尖端的應(yīng)力得到緩解，從而抑制裂縫的擴(kuò)展。
本文采用的PVA纖維是高彈性模量聚乙烯醇纖維，彈性模量為35GPa，與混凝土相當(dāng)；極限抗拉強(qiáng)度約1300MPa，極限伸長(zhǎng)率約6%。沖擊荷載作用下，由于水泥基體的抗拉強(qiáng)度低，所以，首先發(fā)生開裂的是水泥基體，當(dāng)水泥基體中產(chǎn)生微裂紋后，原先由水泥基體承受的荷載立即傳遞給橋接在裂紋處的PVA纖維，PVA纖維很快承力并抑制裂紋的擴(kuò)展（RF25試件出現(xiàn)裂縫后仍保持相對(duì)完整性正說明了這一點(diǎn)）。隨著沖擊次數(shù)的增多，水泥基體中的裂紋增多，損傷增加，PVA纖維承受的荷載也相應(yīng)增加，纖維變形增大，直至被拔出或拉斷。在纖維被拉長(zhǎng)及被拔出的過程中將消耗大量的沖擊能量。
當(dāng)橡膠顆粒和PVA纖維混摻到混凝土中后，不僅橡膠顆粒因其優(yōu)異的變形能力可以耗散大量的沖擊能，同時(shí)，高彈性模量PVA纖維的高抗拉強(qiáng)度和高極限伸長(zhǎng)率可進(jìn)一步抑制裂紋的發(fā)展，并通過纖維自身的變形和拔出耗散沖擊能。因此，通過摻加橡膠顆粒和PVA纖維共同改性的混凝土具有最佳的抗沖擊性能。
5 結(jié)論
（1）砂漿中加入橡膠顆粒能夠有效的抑制砂漿的塑性收縮開裂，橡膠取代砂體積25%的砂漿在24小時(shí)內(nèi)沒有發(fā)生塑性收縮開裂。
（2）在混凝土中摻入橡膠顆粒可以顯著提高混凝土的抗沖擊性能，摻25%（代砂體積率）橡膠顆粒的混凝土的沖擊能為素混凝土的6.2倍。
（3）橡膠顆粒和纖維混摻時(shí)，混凝土抗沖擊性能優(yōu)于單摻橡膠顆粒?；鞊较鹉z顆粒和纖維混凝土的沖擊能是素混凝土的8.3倍，橡膠混凝土的1.3倍。纖維在混凝土沖擊破壞過程中發(fā)揮了阻裂、耗能的作用；橡膠顆粒在沖擊破壞過程中既緩解了裂紋尖端的應(yīng)力集中，又發(fā)揮了耗能的作用。
