SF-BF及預裹工藝對橡膠混凝土力學性能影響研究

湯華明，李子穗，鐘偉杰 （安徽建工集團總承包公司，安徽 合肥 230031）

隨著我國廢舊橡膠的數(shù)量急劇增長，如何處理廢舊橡膠，早已成為全世界的焦點問題[1]，目前主要的處理方式有填埋[2]、焚燒[3]，不僅污染環(huán)境，同時危害到人類和動植物的健康，將其用于混凝土中是實現(xiàn)變廢為寶的有效方式之一。已有大量研究表明，橡膠的摻入雖會提升混凝土的韌性、抗凍融及耐磨[4-6]等性能，但同時會大幅降低混凝土的強度[7-9]，其原因在于具有疏水特性的橡膠與混凝土的粘結面的強度較低，緩解橡膠混凝土的強度衰減是其發(fā)展的關鍵。目前，國內(nèi)外學者主要致力于提升橡膠混凝土的強度，研究方向較為單一，而橡膠降低混凝土強度的同時，也有效提升其韌性和抗沖擊性能，因此，提升強度的同時也不應忽視其韌性、抗沖擊性能強等自身優(yōu)勢。

基于以上分析，本文通過預裹工藝、硅灰、玄武巖纖維提升橡膠混凝土強度的同時，進一步提升其韌性和抗沖擊能力，使其能夠滿足實際工程的需求，為橡膠混凝土在實際工程中的應用提供理論依據(jù)，同時對合理利用廢舊橡膠和減少自然資源的消耗有著重要意義。

1 試驗

1.1 試驗原料

水泥：P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：5mm～20mm連續(xù)集配碎石；砂：細度為模數(shù)為2.67的中砂；橡膠顆粒R：直徑為2 mm～4mm；分析純NaOH；12mm短切玄武巖纖維；優(yōu)質(zhì)微硅灰：SO2含量為95.3%。

1.2 橡膠處理

1.2.1 NaOH處理

將橡膠顆粒置于濃度為1mol/L的NaOH水溶液，24h后將橡膠顆粒取出，并用清水反復清洗至中性，本試驗所使用的橡膠顆粒均經(jīng)過NaOH溶液處理。

1.2.2 硅灰預裹處理

將 0.15 的硅灰和 0.85 的水泥混合均勻后對橡膠進行預裹處理。橡膠：水泥+硅灰：水=1:1:0.35，預裹工藝如圖1所示，首先將按比例混合的水泥和硅灰倒入砂漿攪拌機中慢速攪拌30s，然后將橡膠顆粒倒入攪拌30s，將水勻速倒入攪拌機中攪拌3min出料，將出料室溫干燥5h，膠凝材料初步硬化后，使用孔徑為5mm的篩網(wǎng)篩分，將粘結的預裹橡膠分離，最后用孔徑為2mm的篩網(wǎng)篩除多余的水泥和硅灰的碎渣，晾干后稱重，發(fā)現(xiàn)預裹后質(zhì)量提升了88%，用塑料袋密封14d后，用于試驗。

圖1 預裹工藝流程

1.3 配合比設計

本文采用固定配合比，水泥：石子：砂：水=1：3.13：1.54：0.487，分別用直徑2mm～4mm的橡膠顆粒替換30%砂，使用85%水泥和15%硅灰的混合膠凝材料預裹橡膠（Pre-wrapped rubber，簡稱PR）、用微硅灰（Silica Fume，簡稱SF）等質(zhì)量替換15%水泥、外摻5kg/m3玄武巖纖維(Basalt Fibre，簡稱 BF)，具體配合比見表1所示。

橡膠混凝土配合比 表1

1.4 試驗方法

抗壓、抗拉試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，落錘沖擊試驗采用φ150×65mm的圓餅試件，試件澆筑成型后用置于標準養(yǎng)護室28d后進行試驗。

落錘沖擊試驗原理如圖2所示，落錘沖擊裝置主要由底板、鋼支架、邊長為160mm的方形擋板，質(zhì)量為4.5kg的鋼質(zhì)落錘、傳力球、定向套筒、滑輪等元件組成。圓餅試件出現(xiàn)第一條裂紋時記錄沖擊次數(shù)N1為初裂沖擊次數(shù)，出現(xiàn)第一條貫穿裂縫時記錄沖擊次數(shù)N2為破壞沖擊次數(shù)。

圖2 落錘沖擊裝置原理圖

2 結果與分析

2.1 靜荷載下橡膠混凝土的力學性能

通過測量試件的密度，抗壓及抗拉強度，得到結果如表2所示。

橡膠混凝土靜態(tài)力學試驗數(shù)據(jù) 表2

結果表明，橡膠混凝土試件的表觀密度均小于普通混凝土，當摻入30%粒徑2mm～4mm的橡膠顆粒時，密度下降幅度為4.20%。BF對密度基本沒有影響；PR和SF對密度提升幅度較大，分別為1.49%、1.67%。橡膠的外裹層密度大于RC密度，導致表觀密度提升；微硅灰的粒徑遠小于水泥的粒徑，摻入橡膠混凝土中，可以填充水泥漿空隙和橡膠顆粒與水泥基體的間隙，從而提升表觀密度。

PR，SF，BF對橡膠混凝土的抗壓、抗拉強度、拉壓比均有不同程度的提升，其中SF，BF具有較好的正向協(xié)同作用，同時摻入5kg/m3BF，15%SF，橡膠混凝土的抗壓強度由RC的30.38MPa提升至 42.92MPa，抗拉強度由 2.69MPa 提升至3.51MPa，較素混凝土提升1.15%。單摻BF時拉壓比最高為0.0936，較素混凝土提升29.8%。

2.2 動荷載下橡膠混凝土的力學性能

如圖3所示，普通混凝土出現(xiàn)初裂紋時，繼續(xù)沖擊試件，裂縫呈“一”字型發(fā)展，很快貫穿整個試件，使試件破壞成兩半，呈脆性破壞，而其他橡膠混凝土試件最終破壞后仍會保持較好的完整性，呈延性破壞。RCSF15、PRCSF15破壞時主裂縫較RC增加，而微裂紋減少，破壞痕跡均勻，破壞程度有所提升。摻入玄武巖纖維的試件最終破壞時的完整性，初次出現(xiàn)裂紋后，繼續(xù)沖擊試件，裂縫不斷加寬直至貫穿試件的上下面，期間產(chǎn)生多條微裂紋，而不會產(chǎn)生新的貫穿試件的上下面的主裂縫，最終呈延性破壞，破壞時保持更好的完整性，為橡膠混凝土能夠在實際工程中使用有一定指導意義。

圖3 沖擊破壞形態(tài)

根據(jù)ACI544委員會推薦的落錘沖擊方法，使用自制的手拉式落錘沖擊裝置，測試圓餅狀橡膠混凝土的抗沖擊吸能，試件初裂時吸收的能量為W1，破壞時吸收的能量為W2，計算公式為W=Nmgh（W：沖擊功；N：沖擊次數(shù)；m：落錘質(zhì)量，4.5kg；g：重力加速度，9.81m/s2；h:落錘高度，457mm），試驗結果如表3所示。

橡膠混凝落錘沖擊試驗數(shù)據(jù) 表3

由表3可知，相較于RC的破壞沖擊性能，預裹橡膠基本沒有影響，BF有微小提升效果，RCSF15、PRCSF15的提升率均超過30%，RCSF15BF5、PRCSF15BF5的提升率均超過50%，可知當摻入等量橡膠時，混凝土的抗沖擊性能與強度有關，與劈裂抗拉強度規(guī)律相同，SF與BF對抗沖擊性能的提升具有較好的協(xié)同偶聯(lián)作用，最高可超過60%。綜上所述，對于RC抗沖擊性能的提升效果由高到低：硅灰+玄武巖纖維＞硅灰＞玄武巖纖維＞預裹橡膠。

2.3 靜動態(tài)荷載下橡膠混凝土的韌性

本文使用抗拉強度與抗壓強度的比值及折壓比[10]評價靜態(tài)荷載下的韌性。以試件破壞時所吸收的能量及抗沖擊韌性比[11]評價動態(tài)荷載下的韌性，C=Wi/W0（C：抗沖擊韌性比；Wi：橡膠混凝土破壞時的沖擊功；W0：素混凝土破壞時的沖擊功）。

由圖4可知，靜態(tài)荷載下，除RCBF5的拉壓比上升5.76%，其余組均降低，其中RCSF15、PRCSF15的拉壓比降幅最大分別為15.93%、14.24%，而 RCSF15BF5、PRCSF15BF5的降幅分別為7.57%、7.23%，較RCSF15、PRCSF15減少一半，可知在摻硅灰組試件中繼續(xù)添加玄武巖纖維，可有效緩解硅灰對橡膠混凝土韌性的負面影響。沖擊荷載下，各種方案對橡膠混凝土的韌性均起到正面提升作用，其中硅灰對韌性提升效果最顯著，可知抗沖擊韌性比與強度呈正相關，各組試件中RCSF15BF5、PRCSF15BF5的強度最大，同時抗沖擊韌性比也達到最高，較RCSF15、PRCSF15的提升幅度分別增加20.6%、25.0%，PRCSF15BF5的增幅最大，可見預裹橡膠、SF、BF混摻對橡膠混凝土的沖擊韌性比的提升有較好的協(xié)同偶聯(lián)作用，而預裹橡膠對混凝土的韌性基本沒有影響，PRC的韌性指標在靜、動態(tài)荷載下變化幅度僅為-1.58%、1.14%。

圖4 各組相較于RC韌性指標變化率

3 結論

①用硅灰等質(zhì)量替換15%的水泥、預裹橡膠均會提升橡膠混凝土的表觀密度，而玄武巖纖維對表觀密度基本沒有影響。

②3種改進方法對RC的抗壓強度均有不同程度的提升，作用效果由強到弱：微硅灰＞預裹橡膠＞玄武巖纖維。

③3種改進方法單獨作用時，對RC的劈裂抗拉強度的提升效果相近，提升幅度在12%左右，但同時摻入硅灰、玄武巖纖維時具有良好的協(xié)同偶聯(lián)作用，劈裂抗拉強度最高可提升30.48%。

④對于靜、動態(tài)荷載下的韌性性能，不同的改進方法具有完全不同的效果，靜態(tài)荷載下預裹橡膠與玄武巖纖維對RC的韌性無明顯影響，而摻入硅灰會使RC的韌性有較大幅度的降低。動態(tài)荷載下，RC的韌性與強度呈正相關，硅灰對RC韌性提升效果明顯高于預裹橡膠和玄武巖纖維，且3個因素共同作用時效果最佳，PRCSF15BF5的抗沖擊韌性比最高為5.222，較RC提升60.2%。