橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土抗彎拉強度的影響分析

李 寧， 馬 骉， 司 偉， 劉鵬偉

（長安大學 公路學院特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引 言

隨著橡膠工業(yè)和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，廢舊橡膠輪胎的處理面臨著巨大的挑戰(zhàn)，廢舊橡膠若得不到合理處置，不僅會引起環(huán)境問題，還會造成資源浪費［1－2］。因而，廢舊橡膠輪胎的處理成為國內(nèi)外諸多領域?qū)W者研究的焦點，尤其廢舊橡膠在道路工程領域的再利用備受關注［3］。將橡膠粉應用于水泥混凝土中，形成橡膠水泥混凝土，具有比普通水泥混凝土更加顯著的韌性、變形能力和抗沖擊能力，良好的收縮、抗凍、降噪、疲勞和抗高溫等性能；降低混凝土的比重和剛度；且橡膠粉水泥混凝土的施工工藝簡單，可選擇的橡膠粉顆粒粒徑范圍較大，消耗能源少，無二次污染［4－6］。雖然橡膠水泥混凝土具有諸多優(yōu)點，但是摻加橡膠粉后，會出現(xiàn)橡膠粉上浮、拌和難度大、抗彎拉強度和抗壓強度出現(xiàn)不同程度衰減等現(xiàn)象，導致水泥混凝土不滿足工程要求，限制橡膠粉水泥混凝土的推廣應用［7－8］。

強度衰減是橡膠粉水泥混凝土的必然結果之一，目前主要是通過改善橡膠粉與水泥石之間的界面黏結狀況、配置高強度的水泥混凝土等方法改善這種狀況。通過改善橡膠粉與水泥石之間的界面狀況，可使混凝土的強度得到提高，但具有局限性，難以保證混凝土的強度達到一定水平［9］；提高混凝土的配制要求，可以滿足工程強度的要求，但橡膠水泥混凝土的其他性能可能會受到影響，而且工程造價會大幅增加［10］。因此，在普通水泥混凝土中摻加橡膠粉，采用前述方法不能經(jīng)濟、合理、有效地改善橡膠水泥混凝土的強度，需要從混凝土的結構組成進行考慮。文獻［11］基于粗集料作用的考慮，綜合“水泥石”結構模型和“大中心質(zhì)”理論，提出嵌鎖密實水泥混凝土，依靠粗集料之間相互嵌入、咬合而形成的粗集料嵌鎖骨架結構；利用砂漿包裹粗集料和填充剩余空隙，使混凝土整體達到密實狀態(tài)，這種水泥混凝土屬于骨架密實型結構。相比于普通水泥混凝土，嵌鎖密實水泥混凝土具有強度高、耐磨性好、阻擋裂縫能力強、節(jié)約資源等優(yōu)點。基于嵌鎖密實水泥混凝土的結構特點，以粗集料形成骨架結構，采用橡膠粉等體積替代部分砂，由砂、橡膠粉和水泥石形成漿體，裹附和填充粗集料及其形成的空隙，并添加適宜纖維而組成的橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土（Rubber Interlocking－dense Cement Concrete，RICC），橡膠粉作為彈性材料，等體積替代部分砂，不僅降低了混凝土的剛度，增強了變形能力，而且不會破壞混凝土的嵌鎖骨架結構，對混凝土強度影響較小。這種結構不僅能夠充分發(fā)揮橡膠粉混凝土的優(yōu)點，同時解決了其強度不足的弊端。

為此，本文以橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土中橡膠粉摻量、纖維摻量、砂率和水灰比為影響因素，并考慮橡膠粉界面改性作用12－13，分析不同因素對橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土抗彎拉強度的影響，以期為橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗采用水泥為陜西生產(chǎn)的秦嶺P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥；粗集料為陜西銅川石灰?guī)r碎石；細集料為陜西灞橋河砂，細度模數(shù)2.34，為中砂；減水劑采用聚羧酸液體減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的1%；橡膠粉為40目，粒徑為0.42mm，密度為1.194g／cm3，吸水率為40%；纖維采用聚乙烯醇纖維（PVA纖維）。

為了改善橡膠粉與水泥石的界面黏結狀況，將橡膠粉進行表面處理，根據(jù)是否采用飽和NaOH 溶液對橡膠粉進行處理［12－13］，分為改性橡膠粉和未改性橡膠粉。按照橡膠粉種類的不同，分為2組測試28d齡期下混凝土的強度，橡膠粉體積摻量為0、10%、20%、30%4種，纖維體積摻量［14］為 0、0.4%、0.8%、1.2%，砂 率 為 0.28、0.30、0.32、0.34，水 灰 比 為 0.34、0.36、0.38、0.40、0.44。按照文獻［15］中水泥混凝土抗彎拉試驗要求進行試驗。

2 試驗結果分析

2.1 橡膠粉影響

以纖維摻量為0.8%、砂率為0.32和水灰比為0.38，改性橡膠粉和未改性橡膠粉的摻量分別為0、10%、20%、30%時，摻加2種橡膠粉的RICC混凝土的抗彎拉強度變化如圖1所示。

圖1 抗彎拉強度與橡膠粉摻量的關系

由圖1可知，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度隨著橡膠粉摻量增加呈拋物線形變化，橡膠粉摻量為10%附近達到最大值；未改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度隨著橡膠粉摻量的增加而減??；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度均高于未改性橡膠粉RICC混凝土。摻加10%改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度比未摻加橡膠粉混凝土的抗彎拉強度增大了2%，而未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度降低了2%；當橡膠粉的摻量達到30%時，改性橡膠粉和未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度相比于未摻加橡膠粉混凝土分別降低了4%和12%。

嵌鎖密實水泥混凝土在彎拉試驗中，粗集料骨架結構承受主要荷載，集料與水泥石之間的黏結狀況影響結構裂縫的產(chǎn)生。嵌鎖結構在荷載作用下產(chǎn)生變形，彎拉應變超過水泥石的極限應變值后，裂縫出現(xiàn)，混凝土進入破壞狀態(tài)。在嵌鎖密實水泥混凝土中摻加橡膠粉后，橡膠粉的彈性變形能力強，水泥石極限彎拉應變得到緩和，延長了混凝土應變達到極限值的作用時間，粗集料骨架結構能夠繼續(xù)承受荷載作用，從而抗彎強度提高。但是，橡膠粉與水泥石的物理性質(zhì)有較大差異，兩者之間的黏結狀況嚴重影響著抗彎拉強度。從試驗結果可知，橡膠粉經(jīng)過表面改性處理后，橡膠粉與水泥石之間的黏結狀況得到改善，承受的應力增大，改性混凝土的抗彎拉強度高于未改性橡膠粉混凝土，而未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結狀況較弱，直接影響著承受荷載的能力。橡膠粉的摻量較小時，能夠發(fā)揮橡膠粉的彈性作用，增大混凝土的彎拉應變，混凝土的抗彎拉強度提高；當橡膠粉的摻量超過一定值后，混凝土內(nèi)部的薄弱面增多，裂縫易發(fā)展貫通，抗彎拉強度降低。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉摻量及種類對混凝土抗彎拉強度影響的顯著性［16］，結果見表1所列。

表1 橡膠粉摻量及種類對抗彎拉強度影響的方差分析結果

由表1可知，橡膠粉摻量與種類對混凝土抗彎拉強度有顯著影響。在進行橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土的配合比設計時，需要以抗彎拉強度作為橡膠粉摻量選擇的主要參考指標之一。

根據(jù)圖1，改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度與橡膠粉摻量呈拋物線形變化，未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度與橡膠粉摻量則呈線性變化。采用拋物線形模型擬合改性橡膠粉混凝土、線性模型擬合未改性橡膠粉混凝土抗彎拉強度與橡膠粉摻量的關系，擬合模型為：

其中，Rf為抗彎拉強度；C為橡膠粉體積摻量，C取0～30。

（1）式中不同類型橡膠粉與抗彎拉強度的擬合模型與實際值具有良好的相關性，精確度高，計算方便?？衫迷撃Ｐ驮谙鹉z粉摻量范圍內(nèi)進行計算和預測橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度。

2.2 纖維影響

以橡膠粉摻量為15%、砂率為0.32和水灰比為0.38，纖維的摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%時，2種橡膠粉的RICC混凝土的抗彎拉強度變化如圖2所示。

圖2 抗彎拉強度與纖維摻量的關系

從圖2可知，隨著纖維摻量增加，RICC混凝土的抗彎拉強度呈拋物線形變化，纖維摻量為0.4%是拋物線的峰值點，抗彎拉強度達到最大值；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度高于未改性橡膠粉RICC混凝土，前者隨纖維摻量增加，抗彎拉強度變化速率較小，而后者的變化速率較大。在纖維摻量為0.4%時，相比于未摻加纖維混凝土，改性橡膠粉RICC混凝土和未改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度分別增加了4%和11.4%，改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強度比未改性橡膠粉RICC混凝土提高了6.1%。纖維摻量在0.4%和0.8%時，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度降低速率比未改性橡膠粉RICC混凝土大；纖維在0.8%和1.2%摻量變化范圍時，未改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強度顯著降低，而改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度降低速率基本不變。

纖維的亂向分布和“加筋”作用能夠增強混凝土的變形能力，提高彎拉應變，抗彎拉強度增大。在嵌鎖密實水泥混凝土中，纖維的作用效果不如在普通混凝土中明顯。對比改性橡膠粉和未改性橡膠粉RICC混凝土隨纖維摻量增加的變化速率可知，纖維與未改性橡膠粉對RICC混凝土產(chǎn)生較強的交互作用，纖維可以增強未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結，混凝土的抗彎拉強度顯著提高，當纖維摻量超過0.8%后，抗彎拉強度迅速下降，纖維增多，水泥石被纖維分割，而纖維與水泥石之間的黏結強度弱于水泥石之間的黏結，而未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結進一步限制了纖維的增強作用。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析纖維摻量對RICC混凝土抗彎拉強度影響的顯著性，結果見表2所列。

表2 纖維摻量對抗彎拉強度影響的方差分析結果

由表2可知，纖維摻量對混凝土抗彎拉強度有顯著影響，橡膠粉種類對混凝土抗彎拉強度的影響不顯著。

抗彎拉強度與纖維摻量呈拋物線形變化趨勢，可采用拋物線性模型對改性橡膠粉混凝土和未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強度進行擬合，擬合模型為：

其中，F(xiàn)為纖維體積摻量，F(xiàn)取0～1.2%。

利用（2）式中不同類型橡膠粉混凝土抗彎拉強度的擬合模型，可在纖維摻量范圍內(nèi)進行計算和預測混凝土的抗彎拉強度。

2.3 砂率影響

以橡膠粉摻量為15%、纖維摻量為0.8%和水灰比為 0.38，砂率分別為 0.28、0.30、0.32、0.34時，2種橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度變化如圖4所示。

圖3 抗彎拉強度與砂率的關系

由圖3可知，隨著砂率增大，2種橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度均呈拋物線形變化，在砂率為0.32時達到最大值；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度大于未改性橡膠粉RICC混凝土；改性橡膠粉RICC混凝土在砂率小于0.32時，抗彎拉強度的變化速率較小，當砂率大于0.32后，抗彎拉強度的變化速率較大；而未改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強度隨砂率的增大和減小速率基本相同。

RICC混凝土在彎拉試驗中，粗集料骨架結構承擔著主要作用，由于摻加了纖維和橡膠粉，砂率較小時，混凝土中的粗集料雖然能夠形成良好的骨架結構，但混凝土中的空隙較多，微裂縫產(chǎn)生的概率增大，此時混凝土破壞仍以水泥石與集料的界面結合破壞為主，抗彎拉強度較??；隨著砂率增大，混凝土結構達到密實狀態(tài)，橡膠粉與纖維的作用得以體現(xiàn)，使粗集料骨架結構充分發(fā)揮作用，混凝土抗彎拉強度增大；但砂率超過一定界限值后，粗集料骨架結構被撐開，降低了骨架結構的作用，而橡膠粉、纖維與水泥石的界面結合相對較弱，混凝土的抗彎拉強度明顯減小。

利用方差分析在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉種類及砂率對混凝土抗彎拉強度影響的顯著性，結果見表3所列。

由表3可知，橡膠粉種類與砂率對RICC混凝土抗彎拉強度的影響不顯著。結合上述分析，在砂率的變化范圍不大時，砂率對混凝土的抗彎拉強度影響不大，橡膠粉種類對其影響也不大，可知RICC混凝土的抗彎拉強度主要與粗集料骨架結構有關。

表3 砂率對抗彎拉強度影響的方差分析結果

2.4 水灰比影響

以橡膠粉摻量為15%、纖維摻量為0.8%和砂率為 0.32，水灰比分別為 034、0.36、0.38、0.40、0.44時，2種橡膠粉 RICC混凝土的抗彎拉強度變化如圖4所示。

圖4 抗彎拉強度與水灰比的關系

圖4表明，隨著水灰比增大，RICC混凝土的抗彎拉強度呈遞減變化趨勢，抗彎拉強度與水灰比具有良好的線性關系；改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強度大于未改性橡膠粉RICC混凝土，兩者隨水灰比變化的速率基本相同。

水灰比對RICC混凝土抗彎拉強度的影響與普通水泥混凝土相似，均隨著水灰比的增大，混凝土的抗彎拉強度降低。由嵌鎖密實水泥混凝土的強度特點可知，其粗集料骨架結構承受主要荷載作用，摻加橡膠粉和纖維后，水灰比增大時，降低了其與水泥石之間的界面結合作用。在保證工作性的前提下，水灰比越小，水泥石與橡膠粉及纖維之間的黏結越緊密，則混凝土抗拉強度越高。而未改性橡膠粉與水泥石之間的界面結合狀況比改性橡膠粉與水泥石弱，改性橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度高于未改性橡膠粉嵌鎖密實水泥混凝土。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉種類及水灰比對混凝土抗彎拉強度影響的顯著性，結果見表4所列。

由表4可知，橡膠粉種類與水灰比對混凝土抗彎拉強度的影響顯著，在以抗彎拉強度作為RICC混凝土主要設計指標時，需要慎重考慮水灰比的選擇。

表4 水灰比對抗彎拉強度影響的方差分析結果

根據(jù)圖4，采用線性模型擬合抗彎拉強度與水灰比的關系，擬合模型為：

其中，Rf為抗彎拉強度；W為水灰比，W取0.34～0.40。

利用（3）式中不同類型橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強度的擬合模型，可在水灰比變化范圍內(nèi)進行計算和預測混凝土的抗彎拉強度。

3 結 論

（1）通過不同因素對RICC混凝土的抗彎拉強度的影響可知，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強度大于未改性橡膠粉RICC混凝土；但與不同因素綜合作用時，橡膠粉類別對RICC混凝土抗彎拉強度顯著性影響不同。

（2）橡膠粉摻量和種類、纖維摻量和水灰比對RICC混凝土抗彎拉強度具有顯著性影響；而砂率對RICC混凝土抗彎拉強度的影響不顯著。

（3）可采用拋物線形模型擬合RICC混凝土抗彎拉強度隨改性橡膠粉和纖維的變化關系；采用線性模型擬合RICC混凝土抗彎拉強度與未改性橡膠粉和水灰比的變化關系，且拋物線形和線性模型具有良好的相關性。

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