自密实橡胶混凝土的微细观结构与力学机制研究

自密实混凝土技术以及废旧橡胶颗粒改性水泥混凝土技术在近年来引起了国内外学者的广泛关注，但由于其研发历史较短及问题本身的复杂性，其中还涉及到不少应用基础问题有待深入探讨。本项目结合橡胶颗粒特性及自密实混凝土的特点，并基于最新相关研究进展，采用现代宏观微观分析测试手段，研究自密实橡胶颗粒混凝土体系的微细观结构形成机理；分析橡胶颗粒与水泥石之间界面结构特征；并通过测试分析体系典型物理性能及其在拉压、冲击荷载作用下的应力应变、冲击韧性与阻尼性能等静动力学特性，阐明水泥石与橡胶颗粒、水泥石与砂石骨料界面结构破坏模式，揭示橡胶颗粒在自密实混凝土体系中的作用效应；剖析自密实橡胶颗粒混凝土的力学机制；阐清自密实橡胶混凝土组成、微结构与物理力学参数之间的相互关系原理。本研究可先进水泥基材料的优化设计与制备提供理论支撑，解决现代高速铁路、公路等土木工程建设对高工作性、良好静动力学性能关键工程材料的重大需求。

本课题针对废弃橡胶颗粒的特性及其资源化利用问题，并结合自密实混凝土的特点，开展自密实橡胶（集料）混凝土微结构及其力学机制的相关研究，以为废弃橡胶颗粒在混凝土中的应用及先进水泥基材料研发提供支撑。依据计划研究内容，课题组联合理论分析方法和现代试验测试手段，选用常用的四种粒径橡胶颗粒及其它原材料，设计并制备了不同组成的自密实混凝土等效砂浆及自密实混凝土，测试分析了自密实橡胶混凝土拌合物性能及硬化混凝土的应力-应变、阻尼等静、动态力学性能与微结构，探讨了相应的机理，获得了以下研究成果：（1）橡胶集料显著增大新拌浆体的屈服应力，且相对于相同体积和粒径的砂，橡胶集料对浆体屈服应力的影响更大，指出橡胶集料对浆体屈服应力的增加效应和橡胶集料较小的容重是导致体系流动性降低的重要原因；（2）获得了橡胶集料对自密实混凝土抗压强度的影响效应，建立了混凝土抗压强度降低率与橡胶集料在混凝土中的体积百分数之间的经验关系式，并提出了橡胶集料在自密实混凝土中3个作用效应———疏水效应、等效孔隙效应和高变形效应；（3）探明了橡胶集料掺量对掺橡胶集料自密实混凝土（RSCC）力学性能的影响规律，建立了以橡胶掺量为变化因素的RSCC的统计损伤本构关系模型，能有效表征了RSCC在不同橡胶掺量下的脆韧性转化特征，表明橡胶掺量的增加延缓了RSCC初始损伤的发展，且损伤的发展速率随应变的增加呈现先增大后减小的规律；（4）阐明了高应变率作用下，橡胶集料自密实混凝土的破坏特性及其应变率效应，指出了自密实橡胶混凝土具有良好的动态力学性能，表现出更优异的变形能力和吸收能量的能力；（5）表明橡胶集料-水泥石之间存在明显的界面过渡区，且存在较多界面孔缝，试验验证了掺用硅灰等超细粉体可有效改善自密实橡胶混凝土中橡胶-水泥石界面区的微结构，阐释了自密实橡胶混凝土的力学机制及其性能与组成、结构之间的相互影响关系。本研究可为具有良好静动态力学特性的先进水泥基材料设计与制备提供理论和技术支撑。