廢棄橡膠混凝土的性能研究

張錦濤 林煒杰 余希林 黃世瑜 敖渝越

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 前言

中國汽車制造工業(yè)發(fā)展迅速，廢棄橡膠輪胎量逐年增多，每年廢棄量超過3.5億條；2018年，中國廢舊輪胎廢棄量近1500萬t[1]，大量廢舊輪胎堆積如山，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。另一方面，混凝土的構(gòu)建需要大量的砂石骨料，全世界每年土木工程材料的使用量超過40億m3，砂石骨料用量達(dá)到80億t[2]。更重要的是，隨著全球經(jīng)濟(jì)和建筑行業(yè)的發(fā)展，砂石骨料的消耗量急劇增加，導(dǎo)致山體和河流過度開采，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境[1-3]。因此，廢舊輪胎作為混凝土的粗細(xì)骨料進(jìn)行再生利用有良好的生態(tài)效益。而且橡膠顆粒具有密度輕、韌性高、延展性好等特征，使脆性混凝土更抗震、抗沖擊、抗疲勞以及防噪。

廢棄橡膠的研究及運(yùn)用，引起了土木工程材料界的關(guān)注。將廢棄的橡膠用于制造新型混凝土無疑是一種比較好的辦法，其不僅解決了廢舊橡膠的污染以及再利用問題，而且可以降低不可再生的天然材料的消耗速率。

該文采用試驗(yàn)研究方法，對不同摻量的橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等主要力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，同時對橡膠混凝土的吸水率、密度、干縮以及彈性模量等性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。希望可以為后續(xù)的相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

1.1 材料

試驗(yàn)采用的水泥為中國廣州石井水泥公司制造的P.O普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級42.5R。粗骨料為最大粒徑20mm的碎石，細(xì)骨料為普通河砂。橡膠顆粒采用密度為0.93kg/m3的天然橡膠粉。硅粉為甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的硅灰。水為普通自來水。

混凝土基準(zhǔn)組采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40級的普通混凝土，保持水灰比為0.43，砂率為32%，同時摻入5.6%的硅粉。以橡膠顆粒替代砂，替代率（體積替代）采用5%、10%、15%和30%，其他組分保持不變，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)共制備立方體試塊50個（100mm×100mm×100mm）用于橡膠混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、密度試驗(yàn)和吸水率試驗(yàn)，棱柱體試塊30個（100mm×100mm×400mm）用于橡膠混凝土力學(xué)性能、干縮性和彈性模量等試驗(yàn)。所有混凝土試塊均采用機(jī)械攪拌、振實(shí)，試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中24h后脫膜，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d。

橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行測試?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm，每組6個試件，加載速率為 0.5 MPa/s；抗折強(qiáng)度試件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm，進(jìn)行三點(diǎn)加載試驗(yàn)，每組3個試件，加載速率為 0.05 MPa/s。

橡膠混凝土的密度和吸水率如下：參照 ISO 17785-2-2018《透水混凝土試驗(yàn)方法》和 GB/T 11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

橡膠混凝土的干縮試驗(yàn)在脫模后采用以下方法進(jìn)行測試：用位移計(jì)測量其初始值，然后等時間讀取其變形數(shù)值。測試所得結(jié)果即為混凝土實(shí)際收縮量。

橡膠混凝土的彈性模量測量：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，用DT-20型動彈性模量測定儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果采用公式（1）換算成彈性模量。

式中：Ed為混凝土動彈性模量（MPa ），A為正方形截面試件的邊長（mm）， L為試件的長度（mm），W為試件的質(zhì)量（kg），精確至0.01kg， F為試件橫向振動時的基頻振動頻率（Hz）。

表1 混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓及抗折強(qiáng)度

隨著試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，混凝土的裂縫逐步變化；在臨近極限荷載前，裂紋發(fā)展迅速，破壞時有明顯的聲響發(fā)出；橡膠混凝土也呈現(xiàn)出明顯的裂縫發(fā)展現(xiàn)象，與普通混凝土相比，裂縫的數(shù)量更多，并且裂紋存在較多的中斷現(xiàn)象，隨著橡膠摻量增多，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯，試塊最后呈坍塌破壞形態(tài)，且橡膠粒摻量越多，破壞時試塊完整性越好。各組混凝土的抗壓強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖1所示。就該圖來說，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與橡膠摻量間存在線性關(guān)系，其離散系數(shù)為0.99，可基本認(rèn)為一致。平均每增加1%的橡膠摻量，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值就會降低0.5MPa左右，這與王偉南先生在《橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響》一文中提到的“每增加1%的橡膠摻量，抗壓強(qiáng)度會降低0.48MPa”[3]這一結(jié)論相吻合。導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值下降的原因如下：1）橡膠與混凝土二者間性質(zhì)差異大，導(dǎo)致弱點(diǎn)增多。2）橡膠是高彈性材料，變形大，而混凝土變形小，導(dǎo)致二者接觸界面在受到荷載時過早地出現(xiàn)裂縫。

圖1 28d橡膠混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，所受荷載臨近極限破壞荷載時，裂縫在中間位置迅速沿縱向發(fā)展，試塊裂開；在對試塊進(jìn)行斷裂面分析時，可以明顯看出普通混凝土的斷裂面要更加平整，且斷開線較豎直；橡膠混凝土斷裂面上存在較明顯的橡膠撕裂現(xiàn)象?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，混凝土抗折強(qiáng)度在橡膠摻量較小時隨著含量增加會有小幅度增強(qiáng)，然后，隨著橡膠摻量的繼續(xù)增加，抗折強(qiáng)度將會持續(xù)地下降。

2.2 密度及吸水率

各組混凝土的密度如圖2所示?；炷恋拿芏入S著橡膠含量的增加大體呈下降趨勢，摻加橡膠顆粒后混凝土密度降低主要有2個方面的原因：1）橡膠顆粒使混凝土內(nèi)的孔隙增多，導(dǎo)致密度降低[4]。2）橡膠顆粒的密度降低，使試件的密度也降低；而在30%摻量時密度有所回升，極有可能是因?yàn)橄鹉z摻量過多導(dǎo)致混凝土試件內(nèi)部的空隙減少所致。

各組混凝土的吸水率測試結(jié)果如圖2所示。吸水率隨著橡膠摻量的增加而增加，其原因是隨著橡膠顆粒含量的增加，孔隙率持續(xù)增大，而橡膠顆粒周圍存在裂縫和空隙，為水的入滲提供了傳輸?shù)目臻g，橡膠顆粒含量越大，裂縫數(shù)量和孔隙率越大，繼而提高吸水率。而隨著橡膠摻量的增多，混凝土內(nèi)部將密實(shí)，空隙率的增加速度將會有所減緩，這也導(dǎo)致了吸水率的上升速度減緩。而這一組中，10%、15%摻量的橡膠混凝土試件的吸水率有所下降可能是因?yàn)橄鹉z顆粒在靜置過程中存在沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致橡膠分布不均。

2.3 干縮性能

各組橡膠混凝土的干縮試驗(yàn)測試結(jié)果如圖3所示。就結(jié)果來看，摻入橡膠，使混凝土的干縮性增強(qiáng)，這是由于部分細(xì)骨料被替換為橡膠，而橡膠的彈性模量遠(yuǎn)小于砂，導(dǎo)致其約束收縮變形的能力減弱，繼而導(dǎo)致橡膠混凝土的收縮量要比普通混凝土大[5]。但是，當(dāng)橡膠含量超過15%時，隨著橡膠含量的增加，干縮性卻有所降低，該文認(rèn)為可能的原因如下：在橡膠摻量過大時，橡膠顆粒作為彈性材料可以有效地減緩其收縮拉力，且顯著降低混凝土硬化后的彈性模量，有效抑制橡膠混凝土的干縮。

圖2 橡膠混凝土表觀密度及吸水率變

2.4 彈性模量

各組混凝土的彈性模量如圖4所示。由結(jié)果可以看出：橡膠混凝土的彈性模量有明顯的非線性下降。

機(jī)理分析：與普通混凝土相比，橡膠混凝土的彈性模量呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢，這是因?yàn)橄鹉z的彈性模量遠(yuǎn)小于其他骨料，在摻入橡膠后，混凝土的彈性模量會不可避免地降低。但是，其下降過程并非隨著橡膠摻量上升呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，由結(jié)果圖可以看出，二者間存在拋物線函數(shù)關(guān)系，其離散系數(shù)達(dá)0.98，基本可認(rèn)為一致。該文認(rèn)為導(dǎo)致這種情況的原因與砂的級配有關(guān)?；炷恋膹椥阅Ａ颗c砂率以及砂的級配良好程度存在一定聯(lián)系， 并存在一個最佳砂率和級配，大于或者小于都會使混凝土的彈性模量減少。在合適的級配下， 骨料會堆積成一個具有合適孔隙的骨架，在該條件下，混凝土的彈性模量將達(dá)到最佳值[6]。由上述因素，不難推出在合適的橡膠摻量下，各骨料（砂、石子、橡膠）堆積的骨架有合適的孔隙率，并且彈性模量與橡膠摻量的關(guān)系為非線性相關(guān)。

圖3 28d橡膠混凝土干縮變化規(guī)律

圖4 28d橡膠混凝土彈性模量變化規(guī)律

3 結(jié)論

該文結(jié)論如下。1）與普通混凝土相比，橡膠混凝土破壞時延性較好，破壞前變形要大于普通混凝土。2）橡膠混凝土的力學(xué)性能比普通混凝土要差， 含量不同的橡膠混凝土的力學(xué)性能下降的幅度不一樣。隨著橡膠顆粒含量的增加，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都逐漸降低，這是由于橡膠顆粒和普通混凝土的彈性模量相差較大以及橡膠顆粒和水泥漿間的黏結(jié)性能較弱，橡膠顆粒含量越大，混凝土內(nèi)部缺陷越多，導(dǎo)致在加載時試塊破壞迅速，強(qiáng)度有所降低。3）橡膠顆粒的密度小，橡膠混凝土的質(zhì)量較普通混凝土也有所減少。當(dāng)橡膠的摻量進(jìn)一步提升時，則可以有效地降低混凝土的自重，而強(qiáng)度的下降則可以通過摻加外加劑等來回升，這樣就可以通過設(shè)計(jì)合適的配比來用于大體積混凝土工程。4）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土內(nèi)的裂縫和空隙增加，為水的入滲提供傳輸路徑，從而使吸水率增大。5）從干縮試驗(yàn)的結(jié)果可以得出，橡膠混凝土在不同范圍內(nèi)受橡膠含量的影響不同。在摻量較小時，會增大橡膠混凝土干縮；在摻量較大時，則能有效抑制混凝土干縮。6）由于橡膠的彈性模量遠(yuǎn)小于砂，橡膠混凝土的彈性模量在整體上會隨著橡膠含量的變化而呈現(xiàn)非線性下降的趨勢。中間存在的回升則跟骨料整體的級配有關(guān)：在合適的砂粒級配下， 骨料將會堆積成有合適孔隙率的骨架，對彈性模量有提升的效果。