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胶粉在新型轻质建筑材料中的应用

2021-07-17

        橡胶土是一种新的轻质多孔隙建筑材料。该材料主要由碎橡胶、水泥、煤灰或粉煤灰(PFA)、橡胶粉或聚合物纤维和水制成。碎橡胶主要来自去掉钢丝的废橡胶轮胎,也可从其他回收的橡胶制品中获得。将上述原料以预定比例充分混合制浆即可浇铸成轻质多孔隙的建筑材料。同样,也可将制成的浆倒入铸模浇铸成轻质建筑块。橡胶土的特点在于密度小、强度高、透水性强、适合回填等,同时还解决了废橡胶环境污染问题。

        9.6.1原材料性质与试验方法

        9.6.1.1原材料性质

        试验所用的橡胶颗粒由废弃轮胎粉碎而成。颗粒粒径分布范围为4.3~4.8mm,平均粒径为4.5mm,相对密度(以4℃水的密度为参考密度)为1.25,形状为有棱角的不规则形状。原料土取自宁波绕城高速公路西段、深度为2~2.5m的工程弃土。水泥采用标号325普通硅酸盐水泥。

        9.6.1.2试验方法

        先烘干原料土,将混合物的各种原料按照一定配比混合均匀,之后将制备好的混合物按照分层压实的方法分3次压入直径为61.8mm、高为125mm三开模内,放入标准养护箱内养护,养护1d后,试样已经形成一定强度,拆模,再放回养护箱,继续养护至规定龄期。由于岩土微细机构光学测试系统的加载舱是半圆柱形,其制样方法与无侧限抗压强度试验的制样方法有一些区别,在拆模后需将圆柱形试样的对称面用钢丝锯在其表面切割一定深度,并用手掰成2个半圆柱形,再将分割后的试样放回养护箱,继续养护至规定龄期(28d)。

        无侧限抗压强度试验作参照GB/T50123-1999 (土工试验方法标准)进行,每0.1mm变形量读1次数据。

        9.6.2橡胶土的力学性能

        橡胶土在单轴压缩试验中表现出的应力-应变关系是其基本的力学性质之一,是研究其强度、变形、裂缝开展的依据。图9-36是橡胶士在不同灰土比ω(C)[水泥和风干原料土(简称干土)的质量比]、胶粒土比ω(R) (橡胶颗粒和干土的质量比)和水土比ω(W) (水和干土的质量比)下的应力-应变曲线。需要指出的是,这里的水土比ω(W)与通常定义的含水率ω是不同的概念,橡胶土中添加了橡胶颗粒,其含水率是水与所有固体材料质量之比。

        增加灰土比可以增加橡胶土的刚度,如图9-36(a)所示,随着灰土比的增大,应力-应变曲线的斜率和强度峰值相应增大,强度峰值对应的应变减小。灰土比为10%时,曲线形态接近于重塑土,应力峰值较不明显,延性较大;灰土比为15%时,曲线形态类似于素混凝土,试样表现出一定的脆性,在试验过程中,当应变达到2%后,试样迅速破坏。

        增加胶粒土比和水土比会降低应力-应变曲线的斜率和峰值强度,如图9-36(b)、(c) 所示。其中胶粒土比对橡胶土刚度的影响更显著,这是因为橡胶颗粒与土颗粒以及水泥胶结结构相比刚度要小得多,如果将橡胶士看作由橡胶颗粒和水泥土组成的两相体,增加胶粒土比相当于置换了同体积的水泥土,所以胶粒土比越高,橡胶土的刚度越低。由于水土比与胶粒土比相比,其变化幅度要小得多,而且水泥在成样过程中会发生水化反应,所以对刚度的影响没有胶粒土明显。

        虽然橡胶土的应力-应变曲线形态随材料配合比的改变有所变化,但其基本形态是一致的。橡胶土的应力-应变曲线为随应变软化型曲线,在曲线的初始阶段应变发展的速率比应力快,有初始反弯段;之后曲线开始呈近似线性变化;在线弹性段之后,应力-应变曲线进入塑性变形阶段,曲线的斜率开始随着应变的增加而降低,直到应力达到峰值,预示着应力增长段的结束;其次试样的承载力随着应变的增长而逐渐降低,应力进入下降阶段。图9-37是胶粒土比为60%、灰土比为13%、水土比为80%试样的应力-应变曲线(此配比具有代表性)。

        物体的细观特征可以用来确定材料的宏观性能。橡胶土的应力-应变曲线形态是其细观结构变化的宏观体现,试样内部孔洞、裂缝的发展变化则是其应力-应变曲线形态形成的内部原因。采用岩土微细结构光学测试系统观测橡胶土微观结构并与图9-38中相同的试样在单轴压缩条件下的细观特征图像相对照。

        


        图9-38和图9-39为试样的渐进破坏过程。图9-38是橡胶土在压密阶段,即图9-37中OA段的细观渐进变化图片组。细观试验可以揭示,在加荷初期首先发生变化的是试样内部的孔洞。如图9-38 所示,在OA段这些孔洞在外荷作用下体积逐渐变小,试样逐渐被压密,此时应变发展的速度比应力快,与应力-应变曲线压密阶段的特征相符。这些孔洞产生的主要原因有两个:虽然使用了分层压实等方法尽量减少孔洞,但是在制样过程中孔洞的产生仍无法避免;水泥的水化过程会发生收缩,这也会造成孔洞。在压密阶段试样内部孔洞逐渐变小,但不会完全闭合。



        当应力-应变关系发展到弹性阶段即图9-37中的AB段,试样的裂缝和孔洞没有发生变化,相应其微观图片停留在图9-38(d)的状态,没有明显的特征变化,此时试样内部的孔洞不再减小,同时外荷还不足以产生新的裂缝,试样表现出理想弹性性质,应力、应变之间呈线性关系。当应力-应变关系发展到塑性阶段即图9-37中的BC段,外荷造成的微裂缝开始在试样内部的孔洞及橡胶颗粒和水泥土的结合面这些薄弱部位发展,如图9-39所示。图中所示的观测点其实既是橡胶颗粒和水泥土的结合处,也是试样断面原有的较大微裂缝的部位,此橡胶颗粒和水泥之间有一较大的微裂缝,如图9-39(a) 所示。在外荷的作用下,由于该部位是试样的薄弱部位,所以会发生应力集中,当应力达到其强度极限时,产生了由外荷造成的微裂缝。随着外荷的继续增加,裂缝向次一级的薄弱部位发展,所以裂缝一般是沿着孔洞及橡胶颗粒和水泥土的结合面发展的,这一过程循环往复,裂缝沿着试样内部的薄弱部位不断发展,当外荷达到某个值时,孔洞和结合面处裂缝端部的平均应力达到该局部水泥土区域内的平均强度极限,裂縫开始向水泥土区域延伸,并不断发展。由于不可逆的裂缝已经产生,所以这个阶段的应力-应变曲线不再是直线,而是一条斜率不断减小的曲线,与应力-应变曲线塑性变形阶段的特征相符。

        当应力-应变关系发展到软化阶段即图9-37中的C点之后,试样内部开始产生局部贯通性裂缝(用现有的细观仪器还很难取得良好的成像效果),应力达到峰值,并开始下降,此阶段随着应变的增加应力不断减小,此后承载力主要来自裂缝处滑移面上的摩擦咬合作用。

        综上所述,橡胶土在受到外部载荷发生形变时,其力学特性总结如下。

        (1)橡胶土的应力-应变关系随着配合比的变化而有规律地变化,但其应力-应变曲线皆为软化型,并可以概括为4个特征阶段:压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和软化阶段。

        (2)橡胶土的应力-应变曲线形态是其细观结构变化的宏观体现。应力-应变曲线的每个特征阶段都可以通过其细观孔隙、裂隙的发展过程找到宏观现象的细观成因,宏观现象和细观变化是统一的。

        (3) 在处于加载初期的压密阶段,首先发生变形的是橡胶土内部的孔洞。在外荷的作用下,孔洞有闭合的趋势,但不会完全消失。孔洞产生的原因有两个:一是制样时无法将试样完全压实;二是水泥的水化作用。

        (4)由外荷造成的裂缝的出现标志着塑性变形阶段的开始,这些裂缝首先在橡胶颗粒和水泥土的结合面以及试样内部的孔洞处发生。随着外荷的增加,裂缝会向次一级的薄弱部位发展,这一过程循环往复,直到试样破坏。


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