大摻量廢舊輪胎橡膠粉對混凝土性能的影響

李龍梓，宋秋磊，李酉成，田寅，陳晶晶

（1.蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.江蘇省高耐久混凝土工程技術研究中心，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

隨著國內汽車行業(yè)的高速發(fā)展，大量的廢舊汽車報廢，伴隨而生了大量的廢舊輪胎。由于廢舊輪胎是一種難以自然降解的材料，長期堆放會造成環(huán)境污染[1]，因此廢舊輪胎也被認為是一種“黑色污染”[2]。目前，廢棄輪胎的綜合利用措施主要包括輪胎翻新、熱能利用、熱分解、生產(chǎn)再生膠和橡膠粉等方式，但未能真正解決廢舊輪胎回收利用的問題[3]。

廢棄輪胎加工而成的橡膠粉是一種高彈性材料，在受到外界沖擊和荷載作用下，其具有較強的能量吸收作用，能減緩混凝土在外力下的破壞。文章通過對橡膠粉混凝土的基本力學性能、耐磨性能、靜彈性模量和抗凍性等性能的影響研究,并對其影響機理進行了闡述分析。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：采用江南小野田水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5級水泥。

細骨料：中砂，細度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 600 kg/m3。

粗骨料：粒徑為5～10 mm和10～20 mm的碎石，兩種粒徑范圍碎石質量比例為1∶1。

橡膠粉：產(chǎn)自蘇州虹磊橡塑科技有限公司，粒徑為0.85 mm，表觀密度為1 030 kg/m3。

外加劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，型號為PCA-1，固含量20%。

水：普通自來水。

1.2 配合比

首先，為了研究橡膠粉對混凝土的性能影響，制備了不同橡膠粉摻量替代細骨料的混凝土，如表1中編號A-1、A-2、A-3和A-4所示。其次，為了進一步評價橡膠粉對混凝土的抗凍性影響，制備了相同橡膠粉摻量不同強度等級的混凝土以及不同摻量橡膠粉相同強度等級的混凝土，如表1中編號B-1、B-2、B-3、B-4，以及C-1、C-2、C-3所示。

表1 試驗配合比

1.3 試驗方法

混凝土力學性能和靜彈性模量測試：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土基本力學性能試驗方法標準》?；炷聊湍バ詼y試：按照JC/T 421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗方法》?；炷量箖鲂詼y試：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和

耐久性能試驗方法標準》。

2 試驗結果及其分析

2.1 橡膠粉對混凝土力學性能影響

當采用橡膠粉代替細骨料制備混凝土時，保證混凝土中的細骨料總體積不變。通過編號A-1、A-2、A-3和A-4配合比制備了不同橡膠粉摻量的混凝土，其容重分別為：2.38 kg/m3、2.35kg/m3、2.27 kg/m3和2.22 kg/m3。此外，不同橡膠粉摻量所制備混凝土的抗壓強度和抗折強度測試結果如圖1所示。

圖1 不同橡膠粉摻量混凝土的抗壓強度和抗折強度

由圖1可得，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的抗壓強度和抗折強度呈下降趨勢。當橡膠粉的摻量達到10%和15%時，抗壓強度分別降低了13%和28%，抗折強度分別降低了9.6%和22%。由此可加，橡膠粉的摻入嚴重降低了混凝土的力學性能。橡膠粉取代細骨料起到填充的作用，其本身并不參與水化過程。此外，橡膠粉是一種增水性材料，其與水泥水化產(chǎn)物之間的粘接較差，制備橡膠粉混凝土相當于在混凝土內部引入了薄弱區(qū)，從而造成混凝土的力學性能降低。

2.2 橡膠粉對混凝土耐磨性能影響

通過編號A-1、A-2、A-3和A-4配合比制備了不同橡膠粉摻量的混凝土，并對其耐磨性能進行了研究，測試結果如圖2所示。從圖2可知，隨著橡膠粉摻量增加，混凝土的磨損量會出現(xiàn)先減小后增加的趨勢。當橡膠粉摻量為0時，混凝土的磨損量為1.12 kg/m2；當橡膠粉摻量為5%時，混凝土的磨損質量為0.69 kg/m2，相對磨損量降低了38%；而當橡膠粉摻量為10%和15%時，混凝土的磨損量分別為1.15 kg/m2和1.43 kg/m2，且磨損量均要大于無橡膠粉混凝土。橡膠的彈性模量大約為7.8 MPa，而巖石的彈性模量為40 000～90 000 MPa，二者差別較大。在摩擦的過程中，橡膠可以通過自身變形分散應力作用，緩解應力集中的破壞作用，可以改善橡膠混凝土的耐磨性能。但是，橡膠粉的引入，會造成混凝土的力學性能下降，從而降低其耐磨性。因此，在這綜合影響效果下，這也就造成了混凝土的磨損質量隨著橡膠粉摻量的增加而出現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象。

圖2 為不同摻量橡膠混凝土的磨損質量

2.3 橡膠粉對混凝土靜彈性模量影響

圖3為編號A-1、A-2、A-3和A-4配合比所制備的不同橡膠粉摻量混凝土的靜彈性模量測試結果。

圖3 不同摻量橡膠混凝土靜彈性模量

從圖3可知，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的靜彈性模量會逐漸降低。當橡膠粉摻量分別為5%、10%和15%時，橡膠混凝土的靜彈性模量分別降低了5.4%、8.2%和9.6%。靜彈性模量是表征材料的彈性能力大小的指標，靜彈性模量越大，材料的彈性能力越差。普通混凝土中的砂子、石子和水泥石均是脆性材料，彈性模量較大。相比于細骨料而言，橡膠粉是一種高彈性體材料，有較大的變形能力。在混凝土中加入橡膠粉顆粒，相當于加入了大量的彈性球體，在外應力作用過程中橡膠混凝土會存在一個應變的過程，從而使橡膠混凝土的彈性模量迅速降低。

2.4 橡膠粉對混凝土抗凍性影響

混凝土抗凍融循環(huán)能力是評價混凝土抗凍性的重要指標。混凝土在凍融循環(huán)下的破壞形式主要有兩種：表面剝落和內部開裂。其中，混凝土的表面剝落，主要體現(xiàn)在混凝土的質量損失。而混凝土的內部開裂，主要體現(xiàn)在混凝土的動彈模量變化。

表2為相同橡膠粉摻量不同強度等級混凝土和不同摻量相同強度等級混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質量損失率。

表2 橡膠混凝土抗凍質量損失率

圖4和5分別為不同橡膠粉摻量相同強度等級混凝土和相同橡膠粉摻量不同強度等級混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的彈性模量損失率。

圖4 相同摻量不同強度的彈性模量損失率

圖5 不同摻量相同強度的彈性模量損失率

由表2可知：①隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增大，橡膠混凝土的質量損失率會逐漸增大；②在相同橡膠粉摻量情況下，隨著強度等級提高橡膠混凝土的質量損失量逐漸降低；③在相同強度等級的情況下，橡膠粉摻量不同，橡膠混凝土的質量損失率差異也是很大的。尤其是在同等凍融循環(huán)次數(shù)下，C2組別的C40混凝土的質量損失率最小。

從圖4中可以看到，隨著混凝土強度逐漸增大，橡膠混凝土的彈性模量損失幅度逐漸降低。在凍融循環(huán)的過程中，混凝土內部的毛細孔壁會由于收到自由水狀態(tài)變化帶來的壓力，直至孔結構的破壞，從而引起混凝土質量以及彈性模量的損失。一般來說，混凝土內部的自由水含量越高，其凍融破壞越嚴重。并且，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土表面的質量損失也會加大外加水進入混凝土內部的通道，會加速混凝土的凍融破壞。

此外，從圖4可知，隨著橡膠混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，但不同摻量橡膠混凝土的彈性模量損失幅度是不同的。其中，橡膠粉摻量為10%的混凝土的彈性模量損失幅度最小，而當橡膠粉摻量大于10%時，橡膠混凝土的彈性模量降低幅度逐漸增大。這主要是由于一方面橡膠粉的材質造成其可以有效提高混凝土抵抗變形的能力，但是另一方面橡膠粉的加入亦會在混凝土內部形成薄弱區(qū)，造成內部容易產(chǎn)生破壞。綜合作用下，這也就造成了10%橡膠粉摻量的C2組別混凝土，雖然其水灰比相對較大，但其彈性模量損失率與質量損失率是最低的。

3 結論

（1）隨著橡膠粉摻量增加，橡膠混凝土的容重、抗壓強度、抗折強度均逐漸降低。

（2）隨著橡膠粉摻量增加，橡膠混凝土的靜彈性模量也逐漸降低。摻入橡膠粉后，橡膠混凝土的耐磨性先增大后減小。在橡膠粉摻量為5%時，橡膠混凝土的耐磨性較好。

（3）隨著凍融次數(shù)的增加，橡膠混凝土的破壞越來越嚴重。在相同摻量不同強度等級的情況下，橡膠混凝土的強度越高，其抗凍性越好。在不同摻量相同強度等級的情況下，當橡膠粉摻量為10%時，橡膠混凝土的抗凍性最好。

（4）橡膠粉顆粒與混凝土的界面過渡區(qū)是影響橡膠混凝土性能的關鍵。