廢舊輪胎膠粒對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響研究

廢舊輪胎膠粒對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響研究

趙亮1，陳德鵬1, 2

(1. 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，馬鞍山 243002；2. 安徽工業(yè)大學(xué)綠色建材研究所，馬鞍山 243002)

摘要：試驗(yàn)設(shè)置膠粒摻量與膠粒粒徑兩組變量，采用平板試件，評(píng)價(jià)橡膠混凝土成型24 h后早期抗裂性能。并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析膠粒摻量與粒徑對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:膠粒摻量較小時(shí)，混凝土早期抗裂性能隨膠粒粒徑的減小而提高，但當(dāng)膠粒摻量較大時(shí)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)；膠粒粒徑較大時(shí)，混凝土早期抗裂性能隨膠粒摻量的提高而增強(qiáng)，相反，呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：橡膠混凝土；膠粒摻量；膠粒粒徑；早期抗裂性能

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.010

Abstract:Rubberized concrete crack resistance after molding 24 hours later was evaluated with plate method and two variables including size and adding amount of rubber particles. On the basis of experimental results, influence of size and adding amount of rubber particles on the rubberized concrete crack resistance at early age was analyzed. Experimental results indicated that when the adding amount of rubber particles is low, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the particle size decreases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the adding amount of rubber particles is high. In addition, when the size of rubber particles is large, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the adding amount increases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the particle size is small.

收稿日期：2015-05-11.

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201310360034)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308085QE83).

作者簡(jiǎn)介：趙亮(1993-),本科生.E-mail:zhaolianggs@hotmail.com

Influence of Waste Tire Rubber Particles on Concrete

Crack Resistance at Early Age

ZHAOLiang1,CHENDe-peng1, 2

(1.School of Civil Engineering，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China；

2. Institute of Green Building Materials，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China)

Key words:rubber concrete;adding amount of rubber particles;size of rubber particles;crack resistance at early age

廢舊輪胎成為新的環(huán)境污染問(wèn)題已是不爭(zhēng)的事實(shí)。目前，我國(guó)已成為僅次于美國(guó)的第二大廢舊輪胎產(chǎn)生國(guó)家，同時(shí)廢舊輪胎的數(shù)量也在不斷增加，2010年中國(guó)汽車(chē)廢舊輪胎已達(dá)3億條(300萬(wàn)t)以上，快速增多的廢舊輪胎已成為新的固體廢棄物污染源，加大了對(duì)資源與環(huán)境的壓力。

通常，廢舊輪胎的回收利用途徑主要有5種[1]，包括舊輪胎翻新、生產(chǎn)膠粉、生產(chǎn)再生膠、熱裂解及土法煉油，而這些方法或因面臨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的雙重制約或因嚴(yán)重污染環(huán)境而均無(wú)法得到大規(guī)模的推廣。橡膠混凝土是利用廢舊輪胎膠粒取代部分混凝土摻合料以期利用混凝土這一大宗建筑材料作為平臺(tái)拓展廢舊輪胎回收利用途徑并在此過(guò)程中改善混凝土自身性能的新型混凝土。目前，橡膠混凝土的開(kāi)發(fā)利用尚處于起步階段，并且大多數(shù)研究者僅將目光集中在橡膠混凝土的力學(xué)性能及工作性能上[2-4]，而忽視了另一能夠決定其能否被廣泛推廣的重要因素，即：橡膠混凝土的抗裂性能。雖然，一些研究者進(jìn)行了與混凝土抗裂性能相關(guān)的試驗(yàn)，得出了膠粒具有提高混凝土抗裂性能的結(jié)論[5]，并且大多在膠粒粒徑一定的前提下設(shè)置膠粒摻量變化梯度得出橡膠混凝土抗裂性能在膠粒摻量影響下的變化趨勢(shì)。而事實(shí)上，橡膠混凝土抗裂性能，尤其是早期抗裂性能，不僅受膠粒摻量的影響，同時(shí)也受膠粒粒徑的影響。因此，在橡膠混凝土抗裂性能試驗(yàn)中綜合考慮膠粒摻量與膠粒粒徑的變化，并通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果得出其中規(guī)律對(duì)橡膠混凝土的推廣有積極的指導(dǎo)意義。

1試驗(yàn)材料與方法

橡膠混凝土阻止裂縫的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法目前還不統(tǒng)一，一般采用對(duì)比試驗(yàn)的方法得出混凝土裂縫降低率。試驗(yàn)所采用的試件形式可分為兩類(lèi)，一種是平板試件，一種是圓筒試件。

平板試件是將試件四周用錨栓錨固在?？蛏?，試件底面用塑料薄膜與底模隔離，試件澆筑完畢后按規(guī)定的時(shí)間開(kāi)始進(jìn)行干燥暴露試驗(yàn)。平板試件在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量前不需要拆除周?chē)０澹僮骱?jiǎn)便，開(kāi)始干燥的試件容易控制，暴露面接受吹風(fēng)時(shí)比較均勻，量測(cè)裂縫長(zhǎng)度與寬度的操作也較為方便，所以本試驗(yàn)采用平板試件[6]。

1.1　原材料

水泥為安徽省馬鞍山市十七冶水泥廠42.5普通硅酸鹽水泥；砂為河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；石子為花崗石碎石，最大粒徑30 mm；膠粒采用浙江省金華市華科橡膠有限公司鋼絲胎粉磨精細(xì)橡膠粉。

1.2　試驗(yàn)配合比

擬定配合比為：c∶w∶s∶g= 0.49∶1∶2.38∶1.58,膠粒等體積取代混凝土，膠粒密度按1 g/cm2計(jì)算。

試驗(yàn)分組見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)分組記錄表

1.3　試驗(yàn)方法

1)試件制作混凝土試件采用600 mm×600 mm×63 mm的片面薄板。模具邊框用63 mm×40 mm×6.3 mm的槽鋼制作，邊框內(nèi)設(shè)Φ6雙排栓釘，間距40 mm，栓釘分別按50 mm和100 mm長(zhǎng)短間隔布置，100 mm栓釘在上層，50 mm栓釘在下層。底板采用20 mm厚的密度板，在底板上鋪設(shè)聚乙烯薄膜隔離層。圖1為模板實(shí)物圖。

橡膠混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，拌合方法采用先干后濕法，即先加水泥、砂、石、膠粒干拌1～2 min，然后加水濕拌2～3 min。

試件在澆筑、振實(shí)、抹平后立即用塑料薄膜覆蓋，2 h后取下薄膜，正式開(kāi)始試驗(yàn)。用吹風(fēng)系統(tǒng)吹試件表面，風(fēng)向平行試件表面，風(fēng)速5 m/s，通過(guò)KIMO-VT100型風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)試件表面風(fēng)速，環(huán)境溫度(30±2)℃。成形后24 h，觀察所有試件裂縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度，并計(jì)算相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)。

2)裂縫測(cè)量裂縫長(zhǎng)度以肉眼可見(jiàn)裂縫為主，用鋼尺測(cè)量其長(zhǎng)度，近似取裂縫兩端直線(xiàn)距離為裂縫長(zhǎng)度，當(dāng)裂縫出現(xiàn)明顯彎折時(shí)，以折線(xiàn)長(zhǎng)度之和代表裂縫長(zhǎng)度。用DJCK-2裂縫測(cè)寬儀測(cè)讀裂縫寬度。

1.4　早期抗裂性能評(píng)價(jià)

定量分析混凝土的裂縫開(kāi)展可以通過(guò)4 個(gè)參數(shù)[7]來(lái)描述：平均開(kāi)裂面積a、總開(kāi)裂面積c、總開(kāi)裂長(zhǎng)度、總開(kāi)裂數(shù)。其中前2個(gè)參數(shù)分別按照下列方法計(jì)算

式中，Wi為第i條裂縫的最大寬度；Li為第i條裂縫的長(zhǎng)度；N為所試驗(yàn)面積內(nèi)的總開(kāi)裂條數(shù)。

c=aN

式中，a、N分別為平均開(kāi)裂面積和總開(kāi)裂條數(shù)。

2試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)既定試驗(yàn)分組和試驗(yàn)方法進(jìn)行橡膠混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.1　裂縫總數(shù)

圖3表現(xiàn)出橡膠混凝土早期裂縫總數(shù)由于膠粒摻量與粒徑的不同而發(fā)生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時(shí)，混凝土早期裂縫總數(shù)隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時(shí)，混凝土早期裂縫總數(shù)隨膠粒粒徑的減小呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；③膠粒粒徑較大時(shí)，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫數(shù)越少，但隨著粒徑的減小，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫數(shù)越多。

2.2　裂縫總長(zhǎng)

圖4表現(xiàn)出橡膠混凝土早期裂縫總長(zhǎng)由于膠粒摻量與粒徑的不同而發(fā)生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時(shí)，混凝土早期裂縫總長(zhǎng)隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時(shí)，混凝土早期裂縫總長(zhǎng)隨膠粒粒徑的減小呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；③膠粒粒徑較大時(shí)，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫總長(zhǎng)度越小，但當(dāng)膠粒粒徑較小時(shí)，混凝土早期裂縫總數(shù)隨膠粒摻量的增大呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。

2.3　裂縫平均面積

圖5表現(xiàn)出橡膠混凝土早期裂縫平均面積由于膠粒摻量與粒徑的不同而發(fā)生的變化。

可以得出：①膠粒粒徑較大時(shí)，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫平均面積越小，但當(dāng)膠粒粒徑較小時(shí)，混凝土早期裂縫平均面積隨膠粒摻量的增大呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。

2.4　裂縫總面積

圖6表明橡膠混凝土早期裂縫總面積由于膠粒摻量與粒徑的不同而發(fā)生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時(shí)，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時(shí)，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒粒徑的減小呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；③膠粒粒徑較大時(shí)，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫總面積越小，但當(dāng)膠粒粒徑較小時(shí)，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒摻量的增大呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。

3廢舊輪胎膠粒混凝土早期抗裂性原因分析

在試驗(yàn)論證的基礎(chǔ)上，廢舊輪胎膠粒對(duì)混凝土早期抗裂性能的提高毋庸置疑，而其影響混凝土早期變形行為的原因亦是多方面的，具體包括：

1)廢舊輪胎膠粒作為低彈性模量材料能夠?yàn)榘ㄋ苄允湛s、干縮和徐變、碳化收縮、自收縮等在內(nèi)的混凝土收縮變形行為提供變形空間，并緩沖由上述變形行為產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，消除空隙中的應(yīng)力集中，這一結(jié)論可以從彈性廢橡膠細(xì)顆粒混凝土收縮過(guò)程中有應(yīng)力松弛作用和橡膠混凝土具有明顯能量耗散功能[8]的相關(guān)研究中得到驗(yàn)證[9]。

2)橡膠集料作為分布在混凝土內(nèi)部的微小伸縮粒子群，會(huì)截住混凝土內(nèi)的微觀裂紋，從而減慢或阻止微觀裂紋擴(kuò)展為宏觀裂紋[10]。

3)橡膠顆粒表面粗糙、不透水且富有彈性，與水泥漿體的粘結(jié)形態(tài)要比聚丙纖維等其他混凝土抗裂增韌材料要好[11]，能夠在混凝土內(nèi)部形成分布較為均勻的可伸縮粒子群，顯著降低混凝土的彈性模量并提高其韌性。

4)由熵變引起的橡膠形變熱效應(yīng)(拉伸放熱、回縮吸熱)有助于膠粒在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中降低由水泥水化熱引起的絕熱溫升，從而減小與之相關(guān)的混凝土溫度變形。

5)橡膠顆粒本身不吸水，但保水性良好，摻加到混凝土中，可幫助混凝土降低游離水分的蒸發(fā)，從而減少了與失水有關(guān)的混凝土收縮及與之相關(guān)的收縮應(yīng)力。

6)橡膠顆粒的摻入，改變了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，減少了混凝土中的連通孔，阻斷了滲水通道，進(jìn)而降低了混凝土中水分的蒸發(fā)和干燥收縮值[12,13]。

已有研究表明：橡膠粉(顆粒)的摻量在10%以下時(shí)，可以改善混凝土抗?jié)B性能，摻量超過(guò)10%時(shí)，抗?jié)B性能就出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[14]；當(dāng)橡膠顆粒摻量在50 kg/cm3以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土的抗?jié)B性隨膠粒摻量的增多而增強(qiáng)，當(dāng)膠粒摻量大于50 kg/cm3時(shí)，混凝土的抗?jié)B性隨膠粒摻量的增多而減弱[15]；摻入橡膠粉(顆粒)提高了混凝土的抗凍性，在小于15%摻量下，隨著橡膠粉(顆粒)摻量增多，混凝土的質(zhì)量損失越小[16]；將廢舊橡膠顆粒摻入混凝土中，可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，廢舊橡膠顆粒的最佳摻量為2%～5%[17]。混凝土早期裂縫促使包括水、硫酸鹽、氯酸化物、以亞碳酸形式存在的二氧化碳、陰極氧氣等侵蝕性因子的快速滲入是導(dǎo)致混凝土劣化的主要原因之一。因此，摻入廢舊輪胎膠粒對(duì)混凝土早期抗裂性能的改善應(yīng)與其耐久性提升密切相關(guān)，并具有相似的影響趨勢(shì)，這亦為本試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論的正確性提供了佐證。

4結(jié)論

試驗(yàn)利用平板試件，測(cè)量評(píng)價(jià)混凝土早期抗裂性能的相關(guān)參數(shù)，可以得出以下結(jié)論：

a.膠粒摻量為5%時(shí)，混凝土早期抗裂性能隨膠粒粒徑的減小而提高，當(dāng)膠粒摻量提高至大于10%后，呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)。

b.橡膠混凝土所摻膠粒粒徑較大時(shí)，混凝土早期抗裂性能隨膠粒摻量的提高而增強(qiáng)，而當(dāng)橡膠混凝土所摻膠粒粒徑較小時(shí)，呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)。

c.綜合橡膠混凝土早期抗裂性能隨粒徑梯度與摻量梯度變化的趨勢(shì)，大粒徑膠粒(10目)更適合以較大摻量摻入混凝土中用以改善混凝土早期抗裂性能。

d.尚需進(jìn)一步開(kāi)展經(jīng)表面處理膠粒與基體間界面的微觀分析和基于細(xì)觀力學(xué)的廢舊輪胎膠?；炷猎缙诳沽鸭白冃螜C(jī)理研究。

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