廢橡膠對再生混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

張衛(wèi)東，相 軍，王成武

(淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇淮安223001)

0 引言

目前，我國每年輪胎報(bào)廢量約360萬噸，并以每年15%的速度遞增;每年因拆遷而產(chǎn)生的廢棄混凝土總量約1 360萬噸，大部分廢舊橡膠和廢棄混凝土得不到綜合利用，成為工業(yè)垃圾，嚴(yán)重影響人類的生活環(huán)境，對廢棄橡膠及廢棄混凝土再生利用有利于節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境，具有重大意義.

近年來國內(nèi)外對再生混凝土或廢橡膠混凝土進(jìn)行了大量的研究［1-5］，所謂再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)，再加入水泥、水等配成的新混凝土.但關(guān)于兩者同時摻入時混凝土的力學(xué)性能研究較少，若廢橡膠再生混凝土相關(guān)力學(xué)性能等滿足工程要求，則會進(jìn)一步提高廢橡膠及再生混凝土的利用率.肖建莊［6］和 Ravindrarajah［7］等研究成果表明:隨著再生混凝土取代率的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度會隨之下降，最大降幅約為30%.關(guān)于廢橡膠混凝土，國外早在20世紀(jì)80年代就開始研究，而國內(nèi)此方面的研究起步較晚.劉日鑫［8］研究成果表明:廢橡膠的摻量對混凝土的強(qiáng)度影響較大，當(dāng)廢橡膠摻量達(dá)到20%時，廢橡膠顆粒混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度分別下降了59.9%和50%.鑒于此，本課題組展開了橡膠粒徑、橡膠取代率(0、5%、10%、15%)及再生混凝土取代率(20%、30%)對混凝土基本力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究，并探討了橡膠再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系.

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為宿遷淮河水泥有限公司生產(chǎn)的“猿洲”牌P.O42.5水泥;石子為粒徑5～30 mm的天然碎石，級配合格，表觀密度為2 725 kg/m3;砂為天然中粗河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 580 kg/m3.再生粗骨料由市內(nèi)老開發(fā)區(qū)住宅樓梁柱經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎而成，粒徑5～30 mm，級配良好;攪拌水為飲用自來水.

橡膠A為0.425 mm橡膠粉，表觀密度為1 035 kg/m3;橡膠B為顆粒，粒徑2～3 mm，表觀密度為1 280 kg/m3，橡膠均為宿遷市興亞橡膠有限公司生產(chǎn).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照普通 C35混凝土設(shè)計(jì)配合比，具體見表1.其中再生混凝土按照等質(zhì)量的原則替換粗骨料質(zhì)量的20%、30%，廢棄橡膠同樣按照等質(zhì)量的原則替換粗骨料的5%、10%、15%，鑒于再生混凝粗土骨料的吸水率略高于普通粗骨料的考慮，筆者以附加水對其進(jìn)行補(bǔ)償.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，澆筑試件為邊長150 mm的立方體，在振動臺上振動成型，24 h后拆模并立即搬入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù).28 d后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2002)［9］中的試驗(yàn)方法測定立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度為0.4～0.5 MPa/s，劈裂試驗(yàn)加載速度為0.04～0.05 MPa/s.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 廢橡膠取代率對抗壓、劈裂強(qiáng)度的影響

廢橡膠取代率(y)與橡膠再生混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度fcu關(guān)系曲線，與劈裂強(qiáng)度ft關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示.

由圖1、圖2可知，廢橡膠取代率對再生混凝土的強(qiáng)度影響較為顯著.再生混凝土取代率為20%，廢橡膠B取代率為5%、10%、15%時，抗壓強(qiáng)度分別為再生混凝土抗壓強(qiáng)度的86.2%、72.5%和56.9%，劈裂強(qiáng)度分別為再生混凝土劈裂強(qiáng)度的89.7%、81.2%和69.2%.此數(shù)據(jù)表明:①混凝土立方體抗壓及劈裂強(qiáng)度與廢橡膠取代率線性關(guān)系明顯;②橡膠對抗壓強(qiáng)度的不利影響程度略大;③當(dāng)廢橡膠B取代率為15%時，橡膠再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度(21.0 MPa)和劈裂強(qiáng)度(1.44 MPa)相比于再生混凝土而言均有較大幅度的下降，但其均達(dá)到普通C15混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的工程使用價(jià)值.

廢橡膠導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降的主要原因是:①橡膠為彈性材料，模量較低，其強(qiáng)度低于混凝土強(qiáng)度，從而降低了橡膠再生混凝土強(qiáng)度;②橡膠為憎水性材料，與水泥基體不能很好地結(jié)合和粘結(jié)，導(dǎo)致橡膠與混凝土之間形成孔隙，使其內(nèi)部孔隙率加大;③摻入橡膠后增加了混凝土的含氣量，進(jìn)一步降低混凝土的強(qiáng)度.隨著橡膠取代率的增大，這些不利作用會更加凸顯，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度隨橡膠取代率的增加而降低.劈裂強(qiáng)度下降幅度低于抗壓強(qiáng)度是由于橡膠的抗撕裂能力、抗拉強(qiáng)度及變形能力均高于混凝土.

2.2 廢棄橡膠粒徑對抗壓、劈裂強(qiáng)度的影響

圖3、圖4為廢橡膠粒徑與抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的關(guān)系.由圖3、圖4可見，再生混凝土取代率為30%，廢橡膠取代率為5%、10%、15%時，廢橡膠A再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為廢橡膠B再生混凝土抗壓強(qiáng)度的97.5%、99.5%和99.0%，劈裂強(qiáng)度分別為95.8%、98.7%和99.3%.此數(shù)據(jù)表明再生混凝土和廢橡膠取代率相同的情況下，廢橡膠粒徑越大混凝土強(qiáng)度越大，但是影響程度均不是很顯著.究其原因可能是在相同質(zhì)量取代率的前提下，廢橡膠B雖單個體積較大，但是總表面積沒有廢橡膠A大，導(dǎo)致廢橡膠A與混凝土的接觸面較大，形成更多的孔隙，導(dǎo)致廢橡膠A再生混凝土的強(qiáng)度略低，再者由于橡膠顆粒越大則混凝土中含氣量越大，廢橡膠取代率越大該效應(yīng)越明顯，進(jìn)而使混凝土強(qiáng)度降低，由于兩者的共同影響，故橡膠粒徑對混凝土強(qiáng)度的影響程度不顯著.

2.3 再生混凝土取代率對抗壓、劈裂強(qiáng)度的影響

圖5、圖6為混凝土取代率與抗壓強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度的關(guān)系.由圖5、圖6可見，再生混凝土取代率對橡膠混凝土的強(qiáng)度影響比較明顯.當(dāng)橡膠種類或橡膠取代率相同時，隨著再生混凝土取代率的提高，橡膠再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均下降，抗壓強(qiáng)度最多下降約6%，劈裂強(qiáng)度約4.5%.原因主要有兩點(diǎn):①摻入的骨料通過破碎得到，導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部存在微裂縫，從而降低骨料強(qiáng)度;②再生混凝土外圍被舊砂漿包裹，從而會減弱再生混凝土與水泥砂漿之間的粘結(jié)力.隨著再生混凝土取代率的增高，兩者的不利作用更為明顯，進(jìn)而降低混凝土強(qiáng)度.

2.4 抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

普通混凝土規(guī)范［10］給出了立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度關(guān)系的公式

式中:fts為劈裂強(qiáng)度;fcu為立方體抗壓強(qiáng)度.

由圖7可知，實(shí)測的橡膠再生混凝土劈裂強(qiáng)度比按照公式(1)計(jì)算的劈裂強(qiáng)度低，約降低25.4%，故普通混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系不再適用于橡膠再生混凝土，需要進(jìn)行相應(yīng)的修正.在公式(1)的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過回歸修正后的橡膠再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間關(guān)系曲線如圖7所示，具體關(guān)系式為

公式(2)的回歸系數(shù)R2=0.992 8，表明兩者相關(guān)性很好，式中別表示橡膠再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度.

圖7 fcu-ft關(guān)系曲線Fig.7 Curve relationship of fcu-ft

3 結(jié)論

(1)摻入廢橡膠的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均低于再生混凝土，且有隨著橡膠取代率增加而強(qiáng)度下降的趨勢，其中對抗壓強(qiáng)度的影響程度略大.

(2)廢橡膠粒徑對橡膠再生混凝土的強(qiáng)度影響不是非常顯著，但顯示出廢橡膠粒徑越大橡膠再生混凝土的強(qiáng)度略大的趨勢.

(3)再生混凝土取代率對橡膠混凝土的強(qiáng)度影響比較明顯，且有隨著再生混凝土取代率增加而強(qiáng)度下降的趨勢.

(4)通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)回歸，得出了橡膠再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間關(guān)系的推薦公式，為橡膠再生混凝土的研究提供參考.

［1］劉長.中國輪胎資源循環(huán)利用行業(yè)發(fā)展及政策導(dǎo)向［J］.橡膠技術(shù)與裝備，2008，34(3):5-15.

［2］TOUTAN TOUTANJI H A.The use of rubber tire particle in concrete to replace mineral aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，1996，18(2):135-139.

［3］BENAZZOUK A，MEZREB K，DOYEN G，et al.Effct to robber aggregates of physico-mechanical behaviour of cement-rubber composites-influence of the alveolar texture of rubber aggregates ［J］.Cement＆Concrete Composites，2003，25(7):711-720.

［4］王占鋒，王社良，翁光遠(yuǎn).不同粗骨料取代率再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2012，33(4):32-35.

［5］亢景付，任海波，張平祖.橡膠混凝土的抗裂性能和彎曲變形性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006，23(6):158-162.

［6］肖建莊，李佳彬，孫振平，等.再生混凝土的抗壓強(qiáng)度研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，32(12):1558-1561.

［7］RAVINDRARAJAH R，TAM C T.Recycled concrete as fine and coarse aggregate in concrete［J］.Magazine of Concrete Research，1987，39(141):214-220.

［8］劉日鑫，侯文順，徐永紅，等.廢橡膠顆粒對混凝土力學(xué)性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2009(3):341-344.

［9］GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［10］GB/T 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.