偏高嶺土對橡膠混凝土抗壓性能影響的試驗研究與分析

張啟航 郝浩杰

摘 要：采用0～19%的橡膠粉等體積替代細骨料制備橡膠混凝土，采用0～19%摻量的偏高嶺土等質(zhì)量替代混凝土中的水泥，制備摻偏高嶺土橡膠混凝土。測試混凝土28d單軸抗壓強度，采用掃描電鏡分析混凝土微觀形貌。結果表明：摻入0～19%的橡膠粉使混凝土抗壓強度發(fā)生一定程度的下降，摻量越高，強度下降越顯著;摻入偏高嶺土可提升橡膠混凝土的抗壓強度，改善混凝土微觀結構，偏高嶺土的最佳摻量為13%左右。

關鍵詞：偏高嶺土;橡膠混凝土;單軸抗壓強度;微觀結構

中圖分類號：TU528.41? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）09-0082-04

隨著交通運輸行業(yè)的發(fā)展，我國輪胎年產(chǎn)量高達6億多條，橡膠年消耗量500萬噸左右，預計到2020年我國廢舊輪胎將達到2000萬噸[1，2]。我國是一個橡膠資源匱乏的國家，廢舊橡膠的再生利用對于節(jié)約資源、保護環(huán)境具有重要意義。

目前，許多學者開展了將橡膠粉作為混凝土細骨料的研究。大量研究表明，混凝土中摻入橡膠可以改善其韌性，提高抗裂性能等，如聞洋和劉培培[3]的研究表明，將橡膠粉摻入混凝土可以有效提高混凝土的抗沖擊性能，降低其脆性。李贊成等[4]從折壓比和韌性的評價指標得出，制備橡膠混凝土的最佳粒徑為40目，摻量應當大于10L/m3。然而，橡膠的摻入也會帶來一些不良影響，如楊若沖等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的密度、抗折、劈裂強度逐漸降低;Ayman Abdelmonem等[6]發(fā)現(xiàn)當混凝土中的橡膠以30%比例取代細骨料時，混凝土抗沖擊性能提高了83%，但其抗拉、抗壓、抗折性能都下降近50%。因此，研究如何在保證橡膠混凝土良好韌性的同時，改善其抗壓、抗拉等力學性能，具有重要意義。

方勇浩等[7]發(fā)現(xiàn)偏高嶺土（metakaolin，簡稱MK）作為一種非常有效的火山灰材料，將其加入混凝土中，火山灰反應會填充內(nèi)部孔隙，使水泥石中孔細化，并且會消耗大量Ca（OH）2，改善水泥漿體和集料界面，從而提高混凝土強度，抑制堿集料反應;劉紅彬等[8]發(fā)現(xiàn)MK的摻入能提升混凝土的抗壓、劈裂和彎折強度，當摻量在15%時各強度提升效果最佳;董偉等[9]研究表明MK對浮石輕骨料混凝土的抗壓強度有很大提高，尤其對早期強度貢獻比較大，當MK以10%質(zhì)量替代水泥時性能最優(yōu);錢曉倩等[10]發(fā)現(xiàn)摻10～15%MK的高性能混凝土的軸拉強度有較為明顯的提高;Nikhil Saboo等[11]發(fā)現(xiàn)MK可以顯著降低混凝土孔隙率，且2%的MK可使孔隙率降低10%。將MK按一定比例替代混凝土中的水泥也是另一種優(yōu)化混凝土性能的好方法，水泥用量減少可以有效降低水泥生產(chǎn)過程中二氧化碳排放量，提升材料性能的同時能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益[12，13]。

以上研究分別體現(xiàn)了橡膠粉與MK在混凝土中的應用價值，但目前罕有人研究在混凝土中同時摻入MK與橡膠粉后的力學強度變化。所以決定通過研究MK對橡膠混凝土抗壓性能和微觀結構的影響，探索同時發(fā)揮橡膠粉和MK對混凝土性能改善作用的技術途徑，為相關領域研究提供一定的參考。

1 試驗規(guī)劃

1.1 試驗原料

本試驗選用淮南八公山水泥廠產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其物理參數(shù)和化學成分含量見表1;粗骨料選用5～20mm連續(xù)級配的普通碎石子，表觀密度為2650kg/m3;細骨料選用淮河中砂，細度模數(shù)2.5，表觀密度為2550kg/m3;水選用淮南市自來水;摻合料為焦作市煜坤礦業(yè)有限公司產(chǎn)的1250目活性指數(shù)≥110%的MK，其成分詳見表2;都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40目橡膠粉，表觀密度為1030kg/m3。

1.2 配合比設計

在參考文獻[1-3]中，本試驗的橡膠混凝土設計強度等級為C40，采用的水膠比為0.42，砂率為33%。將橡膠粉以0、10%、13%、16%、19%等體積替代砂子制備橡膠混凝土，對每組橡膠混凝土，分別采用MK以0、10%、13%、16%、19%等質(zhì)量替代水泥，制備摻MK的橡膠混凝土，所有配比完全正交，共制備25組混凝土。列舉其中5組混凝土的配合比，見下表3，其余組均按此規(guī)律制作。

1.3 實驗方法

先將碎石子和河砂放入攪拌機中干拌90s，然后將水泥和MK分別倒入攪拌機干拌60s，再把橡膠粉均勻倒入攪拌機中干拌60s，倒入水攪拌120s，將新拌混凝土裝進邊長為100mm的三聯(lián)立方體塑料模具中，置于振動臺上振動20～30s，最后抹平試塊上表面。制作完成后在模具上表面覆蓋一層保鮮膜，防止試塊水分蒸發(fā)，放于標準養(yǎng)護室24h后脫模，再將試塊放入室溫下的飽和Ca（OH）2溶液中水浴養(yǎng)護28d，取出用于抗壓強度試驗。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）規(guī)定，抗壓試驗每組制作三個邊長為100mm的正方體試塊，試驗機的加載速度為每秒鐘0.5～0.8MPa。強度試驗后，挑選R10M0、R10M13試塊碎片放入乙醇中浸泡24h，再置于50℃烘箱中烘烤48h取出，將樣品抽真空，然后在樣品表面噴金屬膜用以掃描電鏡測試，電鏡型號為FEI? Versa3D。

2 實驗結果

抗壓強度試驗時試件的破壞形態(tài)見圖1?？梢钥吹綄τ诓粨较鹉z粉的混凝土，裂縫數(shù)目較多且多為貫穿狀;摻加橡膠粉的混凝土試件破壞時裂縫少且沒有貫通整個截面，考慮為橡膠粉使混凝土基質(zhì)具備更好的韌性，在一定程度上阻礙受壓構件的裂縫發(fā)展。以R0M0混凝土47.5MPa的抗壓強度為基準，所有單摻MK的混凝土抗壓強度較之有顯著提升。在復摻MK和橡膠粉的混凝土中，R10M10、R10M13、R10M16、R10M19、R13M13、R13M16的抗壓強度也都高于47.5MPa。具體數(shù)值變化見下圖2。

圖2（a）中，當MK的質(zhì)量替代率保持不變時，混凝土的28d抗壓強度隨橡膠粉替代率的提升而逐漸降低，MK摻量為0時，在0～10%區(qū)間，抗壓強度下降5.1MPa，較R0M0抗壓強度下降10.7%。在10%～19%時，抗壓強度下降11.5MPa，較R0M0抗壓強度下降34.9%，下降趨勢為先慢后快，在不摻加MK時，若橡膠粉摻量≥13%，混凝土的抗壓強度不能達到C40強度等級要求;MK摻量為10%、13%、16%、19%時，抗壓強度在0～10%分別下降13.5%、15.9%、16.8%、17.6%，在10%～19%又分別下降23.1%、16.9%、15.0%、17.3%。隨著MK摻量增加，特別當MK摻量≥13%時能明顯減緩橡膠混凝土因為橡膠粉體積分數(shù)的上升導致的抗壓強度驟降，對橡膠混凝土起到一定的保護作用。

圖2（b）中，當橡膠粉的體積替代率保持不變時，隨MK摻量的上升，各組橡膠混凝土的28d抗壓強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且最高點都在區(qū)段10%～16%，當橡膠粉摻量為0、10%、13%、16%、19%時，隨著MK摻量的增加，試塊的最高抗壓強度與MK摻量為0時的試塊強度相比分別提高了32.4%、24.8%、30.4%、33.0%、36.9%。由此可見，MK的使用對于橡膠混凝土的抗壓強度具有顯著的提升作用，在配置C40強度等級的橡膠混凝土時，當采用適當摻量的MK作為摻合料，橡膠粉的替代率可達到19%。

3 作用機理分析

橡膠粉作為一種憎水性有機材料，難以與作為無機材料的水泥和石子產(chǎn)生強烈的相互作用[15]，與混凝土基質(zhì)的粘結程度遠小于砂子與混凝土基質(zhì)的粘結程度;其次橡膠粉強度遠遠小于混凝土，導致?lián)接邢鹉z粉的混凝土在受力變形過程中，軟弱點增多，實際承載面積縮小[16]。所以當橡膠粉摻入混凝土后，抗壓強度出現(xiàn)下降的趨勢。

MK的摻入之所以能提高混凝土的抗壓強度，其一是因為它的顆粒小，摻入混凝土中能充分發(fā)揮填充效果，起到粉體顆粒密實堆積作用，填充混凝土內(nèi)部孔隙，增加混凝土結構密實性;其二是因為MK具有超高火山灰活性，當它處于堿性環(huán)境時，內(nèi)部會溶出大量的活性SiO2、Al2O3，這些活性物質(zhì)會與水泥水化析出的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應，從而促進水化產(chǎn)物中C-S-H和C-A-S-H凝膠的生成，詳見下圖3a、b（R10M13試樣SEM成像），使水化凝膠的結構更加致密，從而增強混凝土的抗壓能力。此外，混凝土中骨料和漿體之間的界面過渡區(qū)（ITZ）對混凝土的力學性能有著重要影響，界面過渡區(qū)的多孔、大尺寸Ca（OH）2晶體定向生長等特征會對混凝土的抗壓強度帶來不利影響。對于橡膠混凝土，橡膠粉與水泥漿體之間的結合狀態(tài)通常比普通細骨料混凝土更差。因此，改善橡膠混凝土力學性能的關鍵之一就是改善其ITZ的性能。圖3（c）所示，摻13%MK的混凝土骨料與漿體界面區(qū)微觀形貌，可以看出，該混凝土的ITZ內(nèi)未見大尺寸孔隙或Ca（OH）2晶體定向生長，界面處漿體結構較為密實，與圖3（d）中R10M0混凝土的ITZ相比，很明顯加入MK能有效改善混凝土的ITZ性能，優(yōu)化骨料和漿體之間的結合狀態(tài)，從而提高混凝土的抗壓性能。

隨著MK摻量逐漸增加，混凝土中水泥質(zhì)量逐漸減少，水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2減少，影響了MK火山灰反應的進行，而MK本身并不具備膠凝性能，因此當MK摻量過高時，造成混凝土抗壓強度的下降。故MK只有在適當?shù)谋壤秶鷥?nèi)替代水泥才能發(fā)揮其促強作用，本試驗得出在不摻加額外物質(zhì)（如激發(fā)劑、減水劑等）時，宜選用13%為最優(yōu)MK摻量。

3 結論

（1）采用橡膠粉取代混凝土中的天然河砂時，混凝土的28d抗壓強度下降，且隨摻量提高，強度下降更加明顯;MK能明顯減緩橡膠混凝土因為橡膠粉體積分數(shù)的上升導致的抗壓強度驟降，在橡膠混凝土中摻入MK，其28d抗壓強度都有明顯提升，且隨MK摻量的增加，促強效果先增強后減弱。（2）MK對橡膠混凝土抗壓強度的促進作用與其良好的填充效應、火山灰效應及ITZ改善效果有關。其表現(xiàn)為MK的摻入能減少橡膠混凝土內(nèi)部孔隙，促進具有正向作用的C-S-H和C-A-S-H凝膠生成，抑制不良Ca（OH）2晶體的定向發(fā)展?？紤]抗壓強度的提升作用，本試驗得出MK的最優(yōu)摻量為13%，其對橡膠混凝土的抗壓強度提升效果最大可達36.9%。（3）綜合考慮混凝土的抗壓強度、MK的制作成本以及橡膠粉的再生利用，在制備C40強度等級的橡膠混凝土時，可考慮采用R19M13的摻配方式。

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