廢胎膠粉改性水泥混凝土性能研究

■林 丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

廢舊輪胎作為一種工業(yè)廢棄物，其數(shù)量呈逐年大幅增加的趨勢。 堆積如山的廢舊輪胎不僅占用土地，而且污染環(huán)境，因此廢舊輪胎的處理及再利用已成為世界各國亟需解決的問題之一。 將廢舊輪胎粉碎成橡膠塊、粉摻加到水泥混凝土中，不僅可以改善混凝土的韌性、粘聚性、耐久性及隔熱隔聲等性能，還可以減少“黑色污染”、節(jié)約能源，保護環(huán)境，促進廢物再利用。

國外對廢胎膠粉改性混凝土的研究相對較早，在20 世紀80 年代末期，對膠粉改性混凝土的研究主要集中在膠粉改性混凝土工作性能、 基本力學、膠粉與混凝土配伍性、耐久性及保溫隔熱、隔聲性能等方面[1-3]。 國內(nèi)對膠粉改性混凝土的研究較遲，一些學者應用了不同的試驗方法分別研究了橡膠混凝土工作性能、基礎力學性能及耐久性等性能[4-7]。 然而， 上述對膠粉改性混凝土的研究存在一定的局限性，且最終未能推廣應用開來，究其原因是沒有系統(tǒng)性評價膠粉改性混凝土性能，且所用膠粉種類繁雜，導致性能有所差異。 本文通過坍落度試驗、凍融循環(huán)試驗及抗壓抗折試驗探討了膠粉顆粒大小、 膠粉摻量對混凝土性能的影響， 系統(tǒng)地評價廢胎膠粉改性混凝土性能，從而獲取膠粉改性混凝土生產(chǎn)工藝。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料性能

試驗所用細集料為河沙，細度模數(shù)為2.8（II 區(qū)中砂），表觀密度為2634 kg/m3，堆積密度為1310 kg/m3；粗集料為3～25 mm 均勻級配的碎石，表觀密度為2645 kg/m3， 堆積密度為1435 kg/m3， 壓碎值為5.4%，針片狀顆粒含量為4%，含泥量忽略不計；水泥采用福建水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO32.5R型水泥，安定性及其他相關指標均合格，具體性能指標見表1；拌和用水為普通自來水，滿足規(guī)范要求。

表1 試驗用水泥技術指標

試驗所用橡膠粉選用的廢胎膠粉為陜西長大華礎工程材料科技股份有限公司生產(chǎn)的的A 級40目、60 目、80 目、100 目和120 目硫化廢胎膠粉（圖1），橡膠粉物理性能指標見表2。

圖1 廢胎膠粉外觀形態(tài)

表2 廢胎膠粉物理性能指標

1.2 試驗方案

試驗采用混凝土配合比為水∶水泥∶河沙∶碎石=192∶348∶771∶1115， 為保證混凝土具有一定工作性，混凝土中添加一定0.8%的減水劑。 為研究膠粉大小、膠粉摻量對混凝土性能的影響，本文采用5 種粒徑大小的廢胎膠粉（即40 目、60 目、80 目、100 目和120 目），研究摻量分別為0 kg/m3、20 kg/m3、40 kg/m3和60 kg/m3混凝土的工作性能、力學性能及抗裂抗凍性能。

2 膠粉改性混凝土工作性能試驗分析

塌落度是表征混凝土工作性的重要指標，試驗通過測量膠粉改性混凝土的坍落度來測定混凝土拌合物流動性，并在試驗過程中密切觀察其粘聚性和保水性。 混凝土塌落度隨膠粉大小和摻量的變化曲線如表3 和圖2 所示。

由圖2 可以看出，摻加膠粉后膠粉改性混凝土塌落度降低了，且隨著膠粉摻量的增加，混凝土塌落度在不斷衰減，摻量超過20 kg/m3 后坍落度衰減幅度增大；隨著膠粉顆粒粒徑減小，混凝土塌落度逐漸變大，工作性能得到改善。 究其原因，主要是廢胎膠粉表面比較粗糙，導致其保水性較好，混凝土的拌制過程中膠粉不斷吸水。 因此，摻入膠粉后混凝土的坍落度會降低；膠粉目數(shù)越大，膠粉越細，膠粉吸水就越多，此時膠粉在混凝土中起到了潤滑作用，塌落度就越大。

表3 膠粉改性混凝土塌落度試驗結果

圖2 不同膠粉改性混凝土得坍落度變化曲線

3 膠粉改性混凝土力學性能分析

3.1 抗壓試驗分析

依據(jù)上述膠粉改性混凝土工作試驗，分別選取3 種40 目、80 目、120 目 的 膠 粉 對 混 凝 土 進 行 改性，研究3 種粒徑大小的膠粉在其摻量為0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3時，膠 粉 改 性混凝土7 d 和28 d 抗壓強度的變化規(guī)律，探究膠粉粒徑及其摻量對膠粉改性混凝土抗壓強度的影響。

圖3 膠粉改性混凝土抗壓強度隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖3 不難看出， 摻加廢胎膠粉后混凝土7 d和28 d 抗壓強度均有不同程度減小， 其中28 d 抗壓強度減小幅度相對較大；隨著膠粉摻量的逐漸增加，其7 d 和28 d 抗壓強度均呈不斷衰減，但摻量超過30 kg/m3后混凝土抗壓強度衰減幅度明顯增大，120 目、80 目和40 目的膠粉改性混合料7 d 抗壓強度分別衰減了19.7%、28.5%和32.7%，28 d 抗壓強度分別衰減了18.8%、28.0%和35.2%；此外，隨著膠粉顆粒目數(shù)減小，混凝土抗壓強度增大，且當摻量達到40 kg/m3后，120 目膠粉改性混凝土7 d和28 d 抗壓強度分別是80 目和40 目膠粉改性混凝土的1.12 倍、1.19 倍（7 d）和1.13 倍、1.25 倍（28 d），因此膠粉摻量不宜超過30 kg/m3。

3.2 抗折試驗分析

試驗分別將不同粒徑（即40 目、80 目、120目）、不 同 摻 量（0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3）的膠粉摻入混凝土中，研究膠粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折強度及折壓比（即混凝土抗折強度與抗壓強度之比）的變化規(guī)律，探究膠粉粒徑及其摻量對膠粉改性混凝土抗折性能的影響。 實驗結果如圖4～5 所示。

圖4 膠粉改性混凝土抗壓強度隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖4 可知，加入廢胎膠粉后混凝土7 d 和28 d抗折強度均有不同程度的減小，且隨膠粉摻量的增加而不斷衰減；當膠粉摻量超過30 kg/m3后混凝土抗折強度衰減幅度增大，120 目、80 目和40 目的膠粉改性混合料7 d 抗折強度分別衰減了28.6%、40.5%和45.2%，28 d 抗折強度分別衰減了39.6%、56.6%和58.5%； 膠粉改性混凝土抗折強度隨膠粉顆粒粒徑增大而減小， 且當摻量達到40 kg/m3后，120 目膠粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折強度分別是80 目和40 目膠粉改性混凝土的1.20 倍、1.30 倍（7 d）和1.39 倍、1.45 倍（28 d）。

圖5 膠粉改性混凝土折壓比隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖5 可知，摻加膠粉后混凝土7 d 和28 d 強度折壓比均在不斷減小， 混凝土韌性不斷衰減；當膠粉摻量超過20 kg/m3后混凝土強度7 d 折壓比基本趨于穩(wěn)定，說明膠粉摻量對混凝土早期韌性影響較小。 此外，膠粉細度越細，膠粉改性混凝土折壓比越大，表明韌性越大。 綜上所述，膠粉宜選120 目的廢胎膠粉。

3.3 抗凍試驗分析

混凝土的抗凍性是指混凝土抵抗凍融循環(huán)的能力，是評價嚴寒地區(qū)混凝土及鋼筋混凝土結構耐久性的重要指標之一。 混凝土結構在浸水條件下處于吸水飽和狀態(tài)時，導致內(nèi)部空隙中的水會結成冰而發(fā)生膨脹，產(chǎn)生凍脹力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微損傷，這種微損傷長此以往積累擴展，最終就會導致混凝土發(fā)生松散開裂，體積膨脹破壞。

試驗依照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T 50082-2009）中混凝土快凍試驗方法進行凍融循環(huán)操作，試件尺寸為（100×100×400）mm，標準養(yǎng)護28 d 后方可進行快速凍融試驗[8]。 大量研究表明質量損失能準確反映混凝土試件表面剝落破壞的情況[9-10]。 因此，本文用質量損失率指標來表征膠粉改性混凝土的表面損傷程度，研究膠粉改性混凝土的耐久性。 混凝土試件質量損失率計算公式如下：

式中，ΔWn為試件經(jīng)過n 次凍融循環(huán)后的質量損失率；G0為試件凍融前的質量；為Gn為試件經(jīng)過n 次凍融循環(huán)后的質量。

由圖6 可知，隨著膠粉摻量的增加，混凝土質量損失率在不斷減??；凍融循環(huán)200 次后，基準混凝土質量損失率是10 kg/m3膠粉改性混凝土的1.16 倍，膠粉摻量從10 kg/m3增加到20 kg/m3，膠粉改性混凝土折壓比衰減了27.9%，而摻量從20 kg/m3增加到30 kg/m3、 從30 kg/m3增加到40 kg/m3時膠粉改性混凝土折壓比分別僅衰減了11.4%和10.3%，也即當膠粉摻量超過20 kg/m3后混凝土質量損失率衰減幅度大幅降低。 從圖7 中可以明顯看出， 膠粉顆粒的大小對膠粉改性混凝土的質量損失率影響不明顯， 即對膠粉改性混凝土耐久性影響不大。

圖6 不同膠粉摻量的混凝土質量損失率變化曲線

圖7 不同顆粒大小的膠粉改性混凝土質量損失率變化曲線

根據(jù)圖6～7 可知，膠粉改性混凝土質量損失率均隨凍融循環(huán)次數(shù)以指數(shù)形式不斷增大，損傷程度不斷加重； 摻加膠粉后混凝土質量損失率大幅減小，說明膠粉可有效改善混凝土抗凍性能；主要原因是廢胎膠粉的加入有效緩解了凍融前后膠粉改性混凝土內(nèi)部的溫度應力，從而阻止且緩解了膠粉改性混凝土受凍時微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減小了混凝土由于過大的應力而產(chǎn)生的內(nèi)部破壞；且隨著混凝土中膠粉粒子的增多，對受凍融的膠粉改性混凝土內(nèi)部損傷的緩解程度就越大[11]。

4 結論

本文通過混凝土膠粉改性混凝土坍落度試驗、抗壓、抗折強度試驗及抗凍試驗研究了膠粉改性混凝土工作性能和力學性能及耐久性能，最終得出了如下結論：

（1）摻入膠粉后混凝土的坍落度會降低，且膠粉顆粒越細，膠粉吸水越多，塌落度就越大，工作性就越好。

（2）膠粉的加入降低了混凝土抗壓強度，且膠粉顆粒越細，混凝土內(nèi)部空隙就越容易被膠粉所填充，空隙率就越少，抗壓強度就越高；膠粉摻量越大，混凝土抗壓強度越小，膠粉摻量不宜超過30 kg/m3。

（3）膠粉的加入降低了混凝土抗折強度，且膠粉顆粒越細，混凝土抗壓強度就越高。

（4）廢胎膠粉的加入有效緩解了凍融前后膠粉改性混凝土內(nèi)部的溫度應力，改善了混凝土抗凍性能；膠粉摻量越大，膠粉顆粒越細，混凝土抗凍性能越大。

（5）膠粉宜選取120 目的廢胎膠粉，膠粉摻量宜為20～30 kg/m3。