橡膠集料風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與微觀分析

王堯鴻，晁 磊，楊曉明*，李志強(qiáng)，董 偉

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；3.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，包頭 014010)

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車廢舊輪胎的處理成為了當(dāng)今社會(huì)亟待解決的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，輪胎產(chǎn)量在中國每年達(dá)到2.39×108條，并以8%～10%的速度急劇增加，到2020年末，廢舊輪胎在中國產(chǎn)量已達(dá)2 000萬t，解決廢舊輪胎的回收再利用具有重要意義[1-2]。橡膠集料混凝土指采用廢舊輪胎橡膠屑取代部分骨料組成的混凝土，其性能介于普通混凝土和瀝青混凝土之間。為了解橡膠集料混凝土的作用機(jī)理，中外學(xué)者開展了廣泛的研究。劉艷華等[3]研究表明，在混凝土中摻入橡膠對(duì)混凝土強(qiáng)度、彈性模量有不利影響；Ganjian等[4]研究認(rèn)為橡膠是一種憎水性材料，吸水性較差，表面光滑，進(jìn)而減少了與水泥間的相互作用，導(dǎo)致了混凝土強(qiáng)度的降低；劉日鑫等[5]研究表明，橡膠使混凝土強(qiáng)度降低的同時(shí)，也提高了混凝土的延性、韌性、耐久性等參數(shù)。王雅婷等[6]研究表明，橡膠混凝土中粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒具有較好的力學(xué)性能。

風(fēng)積沙是經(jīng)自然風(fēng)吹、積淀作用下形成的一種顆粒細(xì)小、均勻、成分穩(wěn)定、SiO2含量偏高[7]的硅質(zhì)材料。利用風(fēng)積沙制備混凝土不僅可以降低運(yùn)用成本，解決混凝土中河砂短缺的問題，還能夠治理沙漠化減少環(huán)境危害。中外大量研究表明，在混凝土中摻入適量的風(fēng)積沙可以改善混凝土的基本力學(xué)性能。Al-Harthy等[8]研究表明，風(fēng)積沙部分取代細(xì)集料可以提高混凝土的工作性能，但強(qiáng)度隨著取代率的增大而減少。包建強(qiáng)等[9]研究表明，風(fēng)積沙取代率為30%時(shí)和易性最好，力學(xué)性能最佳。

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，材料的單一性已經(jīng)不能滿足工程上的需求，開展復(fù)合材料研究是一種新途徑。目前，橡膠集料混凝土和風(fēng)積沙混凝土已有大量研究，而對(duì)于在風(fēng)積沙混凝土中摻入橡膠顆粒的研究尚少?；诖耍x取30%風(fēng)積沙取代河砂和粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒部分取代河砂，設(shè)計(jì)、制作一批混凝土試件，通過基本力學(xué)性能試驗(yàn)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)電鏡掃描和能量色散譜(energy dispersive spectroscopy,EDS)點(diǎn)掃，對(duì)比分析了橡膠集料和風(fēng)積沙對(duì)混凝土力學(xué)性能的作用機(jī)理，并研究了橡膠集料風(fēng)積沙混凝土和橡膠集料混凝土2種試件水泥石砂漿界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，為橡膠集料風(fēng)積沙混凝土實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥；細(xì)骨料選用中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 530 kg/m3；風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古庫布齊沙漠周邊，細(xì)度模數(shù)為0.75，表觀密度為2 520 kg/m3，堆積密度為1 510 kg/m3，化學(xué)成分如表1所示；石子粒徑為5～25 mm，表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3；橡膠集料由都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)，粒徑為3～6 mm，密度為1 141 kg/m3，表觀密度為1 052 kg/m3，外觀形態(tài)如圖1所示；粉煤灰由呼和浩特金山電廠提供，Ⅱ級(jí)粉煤灰。

圖1 3～6 mm的橡膠顆粒Fig.1 Crumb rubber with size of 3～6 mm

表1 風(fēng)積沙主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical constituents of aeolian sand

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)設(shè)計(jì)了10組配合比混凝土，包含4組橡膠集料風(fēng)積沙混凝土試件、4組橡膠集料混凝土試件、1組風(fēng)積沙混凝土試件和1組普通混凝土試件，混凝土配合比情況如表2所示。其中風(fēng)積沙取代率均為30%，橡膠集料替代河砂的取代率分別為10%、20%、30%、40%。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行了混凝土抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，測試抗折強(qiáng)度的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體；測試抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。各試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28d。將具有代表性的試件切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，用于電鏡掃描和EDS分析。為了使橡膠集料在漿體中更為均勻，在攪拌前對(duì)橡膠集料進(jìn)行了預(yù)處理，將橡膠集料與水泥攪拌60 s，同時(shí)將細(xì)骨料和石子倒入攪拌機(jī)攪拌60 s，然后將預(yù)先拌和好的橡膠水泥拌合物倒入攪拌機(jī)中攪拌30 s，最后再加入水?dāng)嚢?20 s。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mixtureproportions of concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

圖2為橡膠取代率對(duì)試件28 d齡期的抗壓強(qiáng)度的影響曲線?？梢钥闯?，隨著橡膠取代率的增加，橡膠集料混凝土試件(R試件)和橡膠集料風(fēng)積沙混凝土試件(AR試件)的抗壓強(qiáng)度均有所降低。當(dāng)橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時(shí)，R試件的抗壓強(qiáng)度分別為37.02 MPa、31.43 MPa、24.26 MPa、22.32 MPa，較普通混凝土試件(C-0試件)分別降低了11%、24%、42%、46%。當(dāng)橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時(shí)，AR試件的抗壓強(qiáng)度為41.03、36.57、30.31、27.91 MPa，較風(fēng)積沙取代率為30%的混凝土試件(A-0試件)分別降低了9%、19%、33%、38%。圖2中AR試件的抗壓強(qiáng)度比R試件的抗壓強(qiáng)度提高了8%～25%。此外，隨著橡膠取代率的增加，橡膠集料風(fēng)積沙混凝土試件的抗壓強(qiáng)度退化速率比橡膠集料混凝土試件更為緩慢。

圖2 橡膠取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Compressive strength relationship of different rubber content

圖3為橡膠取代率對(duì)試件28 d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線?？梢钥闯?，隨著橡膠取代率的增加，R試件和AR試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均有所降低。橡膠取代率在10%、20%、30%、40%時(shí)，R試件的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為2.9、2.63、2.41、2.01 MPa，比C-0試件分別降低了15%、23%、29%、41%。當(dāng)橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時(shí)，AR試件的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.54、3.01、2.83、2.51 MPa，比A-0試件分別降低了12%、25%、30%、38%。圖3中AR試件的劈裂抗拉強(qiáng)度較R試件提高了12%～24%。

圖3 橡膠取代率對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Splitting tensile strength relationship of different rubber content

以上試驗(yàn)現(xiàn)象的原因是橡膠集料表面為非極性，而水泥漿體為極性，在張力的作用下，兩者結(jié)合不緊密，致使試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低，且隨著橡膠取代率的增加，這種現(xiàn)象更為明顯[10]。風(fēng)積沙屬于超細(xì)砂，試件加入30%取代率的風(fēng)積沙后，風(fēng)積沙可以通過加強(qiáng)橋接改善橡膠與水泥間的相互作用，使橡膠集料在混凝土中更為緊密，進(jìn)而提高了混凝土的強(qiáng)度。

圖4為立方體試件抗壓試驗(yàn)的破壞形態(tài)，取橡膠集料風(fēng)積沙混凝土AR-10、橡膠集料混凝土R-10、風(fēng)積沙混凝土A-0和普通混凝土C-0進(jìn)行比較。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)C-0試件和A-0試件在裂縫出現(xiàn)后會(huì)較快地貫通整個(gè)試件，整體破壞較為嚴(yán)重。摻入橡膠顆粒后，試件在受壓破壞時(shí)會(huì)發(fā)生較多的細(xì)小裂縫，且未發(fā)生迅速破壞，試件整體保留完整，其中R-10試件完整性最佳。這說明摻入橡膠顆粒可以改善混凝土的脆性及變形能力，使試件的韌性更好[11]。

圖4 混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of concrete specimen

2.2 抗折強(qiáng)度和折壓比

圖5為橡膠取代率與試件28d齡期抗折強(qiáng)度的關(guān)系曲線。可以看出，隨著橡膠取代率的增加，AR試件和R試件的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢。在橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時(shí)，AR試件抗折強(qiáng)度分別為3.98、3.66、3.58、3.39 MPa，較風(fēng)積沙混凝土A-0試件分別降低了4%、12%、13%、18%。在橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時(shí)，R試件抗折強(qiáng)度分別為3.67、3.33、3.1、2.94 MPa，較普通混凝土C-0試件的抗折強(qiáng)度分別降低了4%、13%、19%、23%。此外，摻入30%取代率的風(fēng)積沙后，AR試件比R試件的抗折強(qiáng)度提高了8%～16%。試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)與C-0試件和A-0試件相比，AR試件和R試件在受到極限荷載時(shí)，試件破壞時(shí)所發(fā)出的聲音較沉悶，且未發(fā)生突然破壞。與AR試件相比，R試件破壞用時(shí)較長，說明R試件具有較好的韌性。

圖5 橡膠取代率對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Flexural strength relationship of different rubber content

折壓比是衡量混凝土的脆性指標(biāo)，折壓比越大，混凝土的變形能力越大，韌性越好。圖6為橡膠取代率與試件折壓比的關(guān)系曲線。在未摻入橡膠時(shí)，A-0試件的折壓是C-0試件的109.5%。橡膠取代率為10%時(shí)，R試件的折壓比較AR試件反而提高了2.1%，且隨著橡膠取代率的增加，R試件的折壓比較AR試件的提高幅度也隨之增加。造成以上試驗(yàn)結(jié)果的原因是橡膠本身是一種彈性材料，且變形能力較好，摻入混凝土中可以抑制裂縫的擴(kuò)展，進(jìn)而增加了混凝土的韌性和變形能力[12]。雖然風(fēng)積沙的摻入對(duì)橡膠與水泥砂漿之間產(chǎn)生的裂縫起到了填充作用，但裂縫的變小阻礙了橡膠的變形能力，導(dǎo)致橡膠集料風(fēng)積沙混凝土韌性不如橡膠集料混凝土。

圖6 橡膠取代率對(duì)試件折壓比的影響Fig.6 Flexural compressive ratio relationship of different rubber content

2.3 電鏡分析和EDS分析

圖7為不同試件電鏡掃描形貌圖，從圖7(a)中觀察發(fā)現(xiàn)，普通混凝土中的水泥漿體存在一些裂縫和孔隙，內(nèi)部不夠密實(shí)。圖7(b)中風(fēng)積沙與水泥漿體間存在微小孔洞，與普通混凝土相比內(nèi)部裂縫減少，且微觀結(jié)構(gòu)較為緊密。孔洞的變小是由于混凝土中摻入風(fēng)積沙可以優(yōu)化水化產(chǎn)物的分布，使水泥石中生成了大量的C-S-H凝膠體，而這些凝膠體可以改善砂漿結(jié)構(gòu)的密度和集料與水泥漿體間的黏結(jié)強(qiáng)度，這也間接提高了混凝土的強(qiáng)度[13]。圖7(c)中橡膠顆粒與水泥漿體交界處裂縫明顯，微觀結(jié)構(gòu)不緊密，且該區(qū)域水化產(chǎn)物較少，起不到填充作用，范德瓦爾茲引力減小，進(jìn)而導(dǎo)致漿體強(qiáng)度降低[14]。圖7(d)中橡膠顆粒與風(fēng)積沙水泥漿體之間的微觀結(jié)構(gòu)較為完整、緊密。因?yàn)橄鹉z是非極性彈性材料，與水泥之間存在明顯差異，且剛度相差較大，兩者的結(jié)合較大程度影響了混凝土的強(qiáng)度，但風(fēng)積沙的摻入能夠改善兩者結(jié)合的缺陷，進(jìn)而填充了橡膠顆粒與水泥漿體界面的裂縫。

Taylor等[15]通過EDS點(diǎn)掃描分析了混凝土中的水化產(chǎn)物，得出硅鈣比可以間接反映出界面過渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)的水泥水化產(chǎn)物?；诖?，對(duì)混凝土試件進(jìn)行了EDS分析，進(jìn)一步研究橡膠集料的摻入對(duì)混凝土力學(xué)性能的作用機(jī)理。

選取橡膠取代率為10%的AR-10試件、R-10試件、A-0試件和C-0試件，AR-10試件和R-10試件以橡膠到水泥漿體間的距離，A-0試件和C-0試件以石子到水泥漿體間的距離，取0、20、40、60 μm4個(gè)等分點(diǎn)作為定點(diǎn)，進(jìn)行EDS分析比較。表3為集料-水泥砂漿體界面過渡區(qū)EDS分析結(jié)果，可以看出，A-0試件和AR-10試件的Si、Ca元素界面過渡區(qū)的水化產(chǎn)物含量均高于C-0試件和R-10試件，說明風(fēng)積沙的摻入可以提高混凝土中的水化產(chǎn)物，進(jìn)而能夠提升混凝土的強(qiáng)度。

表3 集料-水泥漿體界面過渡區(qū)EDS分析Table 3 EDS analysis of aggregate and cement matrix ITZ

圖8為混凝土試件Ca/Si曲線，可得出如下結(jié)論。

圖8 混凝土試件Ca/Si曲線Fig.8 Ca/Si curve of concrete specimen

(1)普通混凝土中在石子距離水泥漿體0～60 μm時(shí)，Ca/Si值先增大后減小，再持續(xù)緩慢增加，說明C-S-H先減小再緩慢提升后最終趨于穩(wěn)定，CH含量在20 μm處較為集中，CH、AFt和AFm在整個(gè)區(qū)間內(nèi)是先增大后減小最終趨于平穩(wěn)。

(2)風(fēng)積沙混凝土中在水泥漿體距離石子0～60 μm時(shí)，鈣硅比升降趨勢與普通混凝土類似，其鈣硅比比值較普通混凝土有所減小，原因是風(fēng)積沙本身是一種Si元素含量較高的材質(zhì)，這也表明風(fēng)積沙混凝土中以C-S-H為主要的水化產(chǎn)物含量高于普通混凝土[16]。

(3)橡膠集料風(fēng)積沙混凝土和橡膠集料混凝土的Ca/Si值在0～20 μm先減小，20～40 μm再增大，40～60 μm緩慢減小，說明C-S-H含量在0～20 μm時(shí)在增大，20～60 μm先減小后緩慢增大，其界面過渡區(qū)趨于不穩(wěn)定。在整個(gè)區(qū)間AR-10試件硅鈣比比值低于R-10試件，說明前者的界面過渡區(qū)中C-S-H含量大于后者，且二者的硅鈣比比值均大于A-0試件和C-0試件。這也表明混凝土中加入橡膠顆粒，會(huì)使水化產(chǎn)物CH、AFt、AFm含量增加，C-S-H含量減少，進(jìn)而導(dǎo)致了界面過渡區(qū)不穩(wěn)定，水泥水化不充分，水泥漿體強(qiáng)度降低[17]。

3 結(jié)論

(1)橡膠集料風(fēng)積沙混凝土和橡膠集料混凝土試件的抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著橡膠取代率的增加而降低；折壓比隨橡膠取代率的增加而增加。

(2)橡膠顆粒的摻入使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在微裂縫，造成混凝土強(qiáng)度的降低；但橡膠本身又可以抑制和減緩微裂縫的延伸擴(kuò)展，使裂縫不易貫通試件，進(jìn)而提高了混凝土的韌性。

(3)在橡膠集料混凝土中摻入取代率為30%的風(fēng)積沙可以提高混凝土的受力性能。

(4)電鏡掃描和EDS分析表明，橡膠顆粒的摻入會(huì)減少界面區(qū)的水化產(chǎn)物C-S-H，導(dǎo)致界面過渡區(qū)不穩(wěn)定，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生明顯微裂縫；適量風(fēng)積沙的摻入，使界面區(qū)微裂縫寬度變小，結(jié)構(gòu)更為緊密，進(jìn)而可以適度提高混凝土的力學(xué)性能。