摻橡膠粉路面混凝土配合比正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

劉巧平， 高久平， 原通鵬， 王 江

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

摻橡膠粉路面混凝土配合比正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

劉巧平， 高久平， 原通鵬， 王 江

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

通過對摻橡膠粉混凝土的抗折強(qiáng)度和彈性模量等性能研究，利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法選取了水膠比、橡膠粉摻量、減水劑摻量和橡膠粉粒徑4個(gè)因素及各因素對應(yīng)的3水平，對橡膠粉混凝土抗折強(qiáng)度和彈性模量等影響因素及最優(yōu)配合比組合進(jìn)行探討，結(jié)果表明：橡膠粉摻量和水膠比是影響混凝土性能的顯著因素。

橡膠粉混凝土； 配合比; 正交設(shè)計(jì)； 抗折強(qiáng)度； 彈性模量

0 前言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的廢舊橡膠輪胎的產(chǎn)生及堆積已構(gòu)成了嚴(yán)重的“黑色污染”。對廢舊橡膠材料加工、摻入路面混凝土中，不僅解決了廢舊橡膠對環(huán)境的污染，而且利用橡膠粉具有良好彈性這一特性將其應(yīng)用于路面混凝土中，逐漸發(fā)展成為一種新型的“橡膠粉混凝土”環(huán)保綠色材料[1]。與普通混凝土相比，摻橡膠粉混凝土具有輕質(zhì)、良好的彈性、韌性、減震性、抗沖擊性和降噪、隔音等特點(diǎn)，并被定義為“彈性混凝土”[2-6]。

混凝土中摻入橡膠粉，由于是彈性介質(zhì)，相當(dāng)于在混凝土內(nèi)部形成微小彈簧元，因此在受力破壞時(shí)能吸收更多的能量，增大了混凝土的韌性[7]。本研究運(yùn)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法對水膠比、減水劑摻量、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑大小4個(gè)因素，選取3個(gè)水平來安排正交優(yōu)選試驗(yàn)，以較少的試驗(yàn)次數(shù)來確定各影響因素的主次順序和影響程度，找到最佳的配合比設(shè)計(jì)方案[8]。

1 正交試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

配制橡膠粉路面混凝土配合比，使其在水膠比、減水劑摻量、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑大小合理的情況下，混凝土拌合物工作性、硬化混凝土抗折強(qiáng)度和彈性模量表現(xiàn)最佳。

1.2 制定因素水平表

本試驗(yàn)考察的因素及水平見表1。

表1 試驗(yàn)考察的因素和水平

1.3 選擇正交表、安排正交試驗(yàn)

本研究為4因素3水平，選用L9(34)正交表(見表2)安排試驗(yàn)。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土拌合物工作性

混凝土拌合物的工作性是混凝土的一項(xiàng)重要技術(shù)性質(zhì)，直接關(guān)系到混凝土拌合物便于現(xiàn)場施工操作，并獲得質(zhì)量均勻、密實(shí)的混凝土。本次試驗(yàn)使用坍落度方法測定了橡膠粉混凝土的流動性，并觀測了混凝土的粘聚性和保水性。

坍落度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明：

1) 由極差計(jì)算結(jié)果比較(表4)可知，影響坍落度因素的主次順序是： 減水劑摻量、水膠比、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑。

2) 減水劑摻量和水膠比變化引起混凝土坍落度變化，符合一般規(guī)律；隨橡膠粉摻量增加，坍落度變化呈現(xiàn)減小的趨勢；隨橡膠粉粒徑減小，坍落度變化呈現(xiàn)減小的趨勢，但變化趨勢不明顯。

3) 新拌混凝土的坍落度均保持在40～70 mm范圍內(nèi)，保水性和粘聚性良好，沒有離析和泌水現(xiàn)象發(fā)生，能滿足路面混凝土現(xiàn)場施工要求。

試驗(yàn)結(jié)果分析，坍落度隨橡膠粉摻量增加而呈現(xiàn)減小趨勢，其原因是由于橡膠顆粒表面粗糙不平，毛刺較多，增加了橡膠粉的表面積，橡膠粉表面吸收的水分也較多，使得混凝土中自由水減小，坍落度降低。

表3 橡膠粉混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果 mm

表4 坍落度影響因素的正交分析

2.2 混凝土拌合物表觀密度

表觀密度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明，影響表觀密度的主要因素(表6)是橡膠粉摻量，次要因素是水膠比，橡膠粉粒徑和減水劑摻量是不顯著因素，僅為主要因素的1/11～1/25，可以忽略不計(jì)。

橡膠粉混凝土拌合物表觀密度隨橡膠粉摻量增加而減小，主要原因是橡膠粉的密度在1160 kg/m3左右，遠(yuǎn)小于細(xì)集料的密度2580 kg/m3，當(dāng)橡膠粉等體積取代一部分細(xì)集料后，造成橡膠粉混凝土的表觀密度下降。

表5 橡膠粉混凝土表觀密度試驗(yàn)結(jié)果 (kg·m-3)

表6 表觀密度影響因素的正交分析

2.3 橡膠粉混凝土抗折強(qiáng)度

橡膠粉混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，結(jié)果表明，影響抗折強(qiáng)度因素(表8)的主要因素是： 水膠比，次要因素是橡膠粉摻量，不顯著因素是橡膠粉粒徑和減水劑摻量。

路面混凝土抗折強(qiáng)度是混凝土路面的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，其大小是否滿足設(shè)計(jì)要求，直接影響到路面的整體質(zhì)量及使用壽命[9]。橡膠粉作為具有良好變形性能的高分子材料，以細(xì)集料的形式摻入路面混凝土中，一方面能有效改善路面混凝土的脆性特點(diǎn)，使抗折強(qiáng)度相對增大；另一方面作為有機(jī)高分子材料，與水泥漿體之間的黏結(jié)力較弱，橡膠粉的摻量越多，這種薄弱接觸面積就越大[10]，從而導(dǎo)致混凝土抗折強(qiáng)度降低。

表7 橡膠粉混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表8 抗折強(qiáng)度影響因素的正交分析

2.4 橡膠粉混凝土彈性模量

橡膠粉混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，結(jié)果表明：

1) 由極差計(jì)算結(jié)果比較(表10)可知，影響橡膠粉混凝土彈性模量的主要因素是橡膠粉摻量，次要因素是水膠比，橡膠粉粒徑和減水劑摻量是不顯著因素。

2) 橡膠粉混凝土的彈性模量隨橡膠粉摻量的增加而降低，降低幅度明顯。當(dāng)橡膠粉摻量為6%時(shí)，彈性模量降低12%左右；當(dāng)橡膠粉摻量為12%時(shí)，彈性模量降低24%左右。

3) 橡膠粉混凝土的彈性模量隨橡膠粉粒徑的減小而降低，降低幅度不顯著，當(dāng)橡膠粉粒徑從20～30目變化至60～80目時(shí)，彈性模量降低3%左右。

表9 橡膠粉混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果 GPa

表10 彈性模量影響因素的正交分析

結(jié)果分析，水泥混凝土是一種剛性材料，橡膠粉是有機(jī)高彈性材料，彈性模量遠(yuǎn)小于細(xì)集料，約為7.8 MPa，具有優(yōu)越的抗拉強(qiáng)度及高變形能力。橡膠粉等體積取代細(xì)集料后，使得混凝土中分布大量的微小彈性體，從而有效改善混凝土的彈性變形性能，顯著降低混凝土的彈性模量，提高了混凝土的韌性。

3 結(jié)語

1) 對于考慮多因素影響的摻橡膠粉混凝土來說，采用正交試驗(yàn)法能科學(xué)地設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得盡量多的試驗(yàn)信息，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀和極差分析，獲得各因素的不同水平對混凝土相關(guān)性能的影響程度，從而得到較佳的配合比設(shè)計(jì)方案。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，坍落度的影響因素主次順序是：減水劑摻量、水膠比、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑，最優(yōu)組合為第7試驗(yàn)號，較優(yōu)組合為第5試驗(yàn)號，但第7試驗(yàn)號橡膠粉摻量為0，所以實(shí)際可采納的最優(yōu)組合為第5試驗(yàn)號。

3) 橡膠粉摻入路面混凝土中，一方面能有效改善混凝土的脆性特點(diǎn)，使抗折強(qiáng)度相對提高；另一方面作為有機(jī)高分子材料與水泥漿體之間的黏結(jié)力較弱，導(dǎo)致混凝土抗折強(qiáng)度降低。在橡膠粉適量摻量的情況下，相對于水膠比來說，為影響混凝土抗折強(qiáng)度的次要因素。

4) 在路面混凝土中摻入橡膠粉能有效降低混凝土的彈性模量，提高混凝土的變形能力，應(yīng)用于混凝土路面中能夠解決路面斷板和裂縫通病，在受彎拉作用時(shí)能產(chǎn)生較大變形而不破壞。

[1] 彭光達(dá). 橡膠粉對水泥混凝土性能的影響[D].天津: 河北工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 黃瓊念. 橡膠粉水泥混凝土路用性能及機(jī)理分析研究[J]. 人民長江，2009(8)：58-62.

[3] 馬凌云. 橡膠混凝土材料性能的試驗(yàn)研究[D]. 鄭州:華北水利水電學(xué)院,2012.

[4] 吳章濤. 橡膠水泥混凝土物理力學(xué)性能研究[D]. 長沙:長沙理工大學(xué),2011.

[5] 江永奇. 碾壓橡膠混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[D]. 天津:天津大學(xué),2007.

[6] 劉春生.橡膠集料混凝土的研究及應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[7] 朱涵.新型彈性混凝土的研究綜述[J].天津建設(shè)科技，2004(2)：35-37.

[8] 蔡正詠. 路面混凝土配合比正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技，1993(1)：1-11.

[9] 金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[10] 楊若沖，談至明，黃曉明，等.硅灰改性橡膠混凝土路用性能研究[J].公路交通科技，2010,27(10)：6-10.

2017-05-11

湖南省交通科技項(xiàng)目(201210)

劉巧平(1974-)，女，實(shí)驗(yàn)師，從事公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測工作。

1008-844X(2017)02-0001-03

U 414

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