橡膠粒徑和摻量對再生混凝土性能的影響*

屠艷平，程子揚，程書凱，陳國夫

(武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073)

0 引 言

混凝土砂石等原材料基本依賴于天然開采，導(dǎo)致我國一些地區(qū)的砂石資源岌岌可危。如果能夠利用廢舊建筑拆除后的廢棄混凝土塊制備出再生粗骨料(RCA)，替代天然粗骨料(NCA)，利用廢舊輪胎破碎的橡膠顆粒(RP)替代天然細(xì)骨料(NFA)，不僅可以解決建筑垃圾和廢棄輪胎的資源再利用[1-3]，還能在一定程度上節(jié)約天然砂石資源，推動綠色建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

RCA表面附著大量的老舊砂漿，破碎過程導(dǎo)致骨料損傷，使得RCA相較于NCA具有較高的吸水率、壓碎值和孔隙率，制備的再生混凝土(RC)的性能降低[4-7]。RP屬于一種有機(jī)材料[8]，摻入混凝土不與水泥反應(yīng)，只起到物理填充的作用，RP強(qiáng)度低、具有引氣性以及與砂漿的粘結(jié)性差等缺點，RP摻入后導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低[9-10]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，RP的摻入可以提高混凝土的流動性和延性[11-12]。

本文通過摻入不同粒徑和摻量的RC進(jìn)行含氣量、坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、毛細(xì)吸水和抗氯離子滲透測試，分析RP粒徑和摻量對于RC性能以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，為今后的橡膠再生混凝土(RRC)發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

水泥采用華新牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；NFA采用湖北產(chǎn)的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，屬于Ⅱ區(qū)中砂。NCA和 RCA來自武漢惠迪綠色材料有限公司，性能指標(biāo)見表1；RP購買于河南省承蒙橡膠加工廠，粒徑分別為0.178、0.42、0.84和1～3 mm，如圖1；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率為20%。

圖1 不同粒徑的橡膠顆粒

表1 骨料的性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

采用基準(zhǔn)組混凝土的設(shè)計強(qiáng)度為C30，水膠比采用0.45，記為NC。RCA以等質(zhì)量取代NCA，取代率為60%，RP以等質(zhì)量取代NFA，取代率為0、1%、3%、5%，共配置14組配合比試驗。RC代表再生混凝土,橡膠再生混凝土標(biāo)號為RRC-m-n,m代表橡膠顆粒的粒徑(A為0.178 mm、B為0.42 mm、C為0.84 mm、D為1～3 mm)，n代表RP的取代率，混凝土的配合比詳細(xì)見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗方法

為了確保RCA不會出現(xiàn)附加水吸收不充分，導(dǎo)致混凝土拌合物有效水灰比升高的情況，本文采取改進(jìn)的攪拌工藝，攪拌步驟如下：(1)將RCA和附加水?dāng)嚢? min；(2)NCA、RP、NCA、水泥放入攪拌機(jī)攪拌1 min；(3)水和減水劑倒入攪拌機(jī)中攪拌5 min。最后將拌合物倒出，參照規(guī)范GB/T 50080—2002中對混凝土含氣量和坍落度的方法進(jìn)行測量，測試完畢后，裝入尺寸100 mm × 100 mm × 100 mm的試模，在放置24 h后拆模編號，轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室((20±2)℃, RH95%)，養(yǎng)護(hù)28 d時，根據(jù)規(guī)范GB/T 50081—2019進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測試。并采用SEM對28 d的混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，抗氯離子滲透測試按照GB/T 50082—2009測試方法之一的6 h電通量法來測定，試件的尺寸為100 mm × 100 mm × 50 mm圓柱試塊，同時依據(jù)規(guī)范ASTM C1202對于不同電通量的混凝土的抗氯離子滲透能力給出了評估?；炷恋拿?xì)吸水率根據(jù)規(guī)范ASTM C1585-13中的測試方法進(jìn)行測試，試件尺寸100 mm×100 mm×50 mm的試塊。

2 結(jié)果與分析

2.1 含氣量

圖2為不同RP粒徑和摻量下混凝土的含氣量?？梢钥闯觯瑩饺隦CA后RC的含氣量明顯增加，這是由于RCA表面附著的老舊砂漿中含有大量的孔隙，吸水率大，在攪拌的過程中能夠引入更多氣泡。同時，也可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻入RP后，RC的含氣量增大，隨著RP粒徑的減小、摻量的增加，RC的含氣量不斷增大，當(dāng)橡膠摻量為5%，RP粒徑為0.178、0.42、0.84 和1～3 mm時，相較于RC的含氣量分別增加了67.6%、51.1%、36.9%和27.3%。這是由于RP顆粒具有引氣性，與無機(jī)材料砂漿混合時，表面容易吸附氣泡，隨著RP粒徑的減小，RP的比表面積就越大，引氣性也越強(qiáng)[13]，混凝土的含氣量也就越大。

圖2 各組混凝土的含氣量

2.2 坍落度

從圖3可以明顯的看出，摻入RCA后，混凝土的坍落度降低，這是由于RCA相較于NCA表面附著了大部分的老舊砂漿，使得RCA表明棱角增多，增大了混凝土拌合物之間的摩擦阻力。同時，可以看出，摻入RP粒徑為0.84、1～3 mm時，隨著RP的摻入，RC的坍落度逐漸提升，摻量5%時，相較于未摻入RP的RC提高了18.6%、27.8%；當(dāng)摻入RP的粒徑為0.178、0.42 mm時，隨著RP的摻入，RC的坍落度逐漸降低，摻量5%時，相較于未摻入RP的RC降低了23.8%、19.6%。這是由于RP本身在具有吸水性和引氣性，吸水性降低坍落度，引氣性增加坍落度[14]。當(dāng)RP的粒徑較大時，摻入后RP在攪拌的過程中引氣性的作用稍強(qiáng)于吸水性，混凝土拌合物內(nèi)部滾珠作用增加，減少混凝拌合物之間的摩擦力，使得RC的坍落度增加。當(dāng)RP的粒徑過小，其比表面積較大，吸水性的作用大于引氣性，致使拌合物中的自由水減少，導(dǎo)致RC的坍落度降低。

圖3 各組混凝土的坍落度

2.3 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

各組混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度見圖4。從圖4可知看出，摻入RCA后，RC的28 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相較NC降低了13.7%、8.9%。這是由于RCA表面存在著大量的老舊砂漿，致使與新砂漿之間的粘接能力變差，老砂漿和RCA之間的粘接也是一個薄弱界面，同時，RCA相較于NCA經(jīng)過了二次破碎，內(nèi)部的裂縫積累增加，導(dǎo)致在受壓過程中，新砂漿-老砂漿、老砂漿-再生粗骨料和RCA本身成為混凝土破壞的薄弱點[15]。

由圖4可知，當(dāng)RP摻量不變時，隨著RP粒徑的增加，RC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度逐漸減小，例如，當(dāng)RP粒徑為1～3 mm，摻量為5%時，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相較RC分別降低11.1%、2.62%。這是由于RP的粒徑越小，其比表面積就越大，與砂漿之間的界面薄弱區(qū)就增多，導(dǎo)致RC的抗壓強(qiáng)度降低。同時，RP的粒徑越小，引氣性就越強(qiáng)，導(dǎo)致RC拌合物內(nèi)部的含氣量增加，RC硬化后孔隙增加，進(jìn)一步降低RC抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度;當(dāng)RP的粒徑不變的時候，隨著RP摻量的增加，RC的強(qiáng)度逐漸降低，例如，當(dāng)RP為0.178 mm，摻量為5%時，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相較RC分別降低了26.7%、8.24%。這是由于RP屬于有機(jī)材料，和水泥基體的相容性較差，兩者界面處的粘結(jié)能力很差，摻量增多，不僅會造成界面過渡區(qū)(ITZ)薄弱點增多，還會使混凝土拌合物中引入較多氣泡，增加混凝土內(nèi)部孔隙，降低RC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度[16]。

圖4 各組混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

2.4 拉壓比

不同粒徑和摻量的橡膠再生混凝土28 d的拉壓比見圖5。由圖5可知，隨著RP摻量增加，RRC的拉壓比逐漸增大，例如，當(dāng)RP的粒徑為1～3 mm，摻量為5%時，相較未摻入RP的RC拉壓比增加了9.55%。同時，隨著RP的粒徑逐漸減小，RRC的拉壓比逐漸增加，例如，當(dāng)RP的粒徑為0.178 mm，摻量為5%時，相較未摻入RP的RC拉壓比增加了25.2%。表明RP的摻入降低了RC的脆性，提高了RC的塑性變形能力，這是由于RP自身具有一定的彈性，可以吸收RC受力變形時產(chǎn)生的部分能量，減緩RC內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，提高RC的延性。同時，當(dāng)RP的粒徑較小時，相較粒徑較大的情況，可以更好的分散到RC的內(nèi)部，導(dǎo)致RC破壞的斷面起伏不平，多以沿著骨料與水泥砂漿、RP與水泥砂漿之間的界面斷裂，出現(xiàn)一種類似于“多點破壞”的現(xiàn)象[17]。

圖5 不同粒徑和摻量的橡膠再生混凝土28 d的拉壓比

2.5 電通量

不同RP粒徑和摻量的混凝土28 d的氯離子6 h的電通量的測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，根據(jù)6 h的電通量的數(shù)值，可以得出此批混凝土的抗氯離子滲透能力基本都為中等。當(dāng)摻入RCA后，RC的6 h的電通量相較于NC增加了45%，抗氯離子滲透的能力明顯降低，這是由于RCA表面附著有大量的老舊砂漿以及RC內(nèi)部錯綜復(fù)雜的ITZ導(dǎo)致其抗氯離子滲透性能顯著的降低[18-19]。

圖6 28 d混凝土的電通量

當(dāng)RP的粒徑不變時，隨著RP的摻量增加，RC的6 h的電通量是不斷增加的，當(dāng)RP的摻量為5%時，RP粒徑為0.178、0.42、0.84和1～3 mm，相較于RC的6 h的電通量分別增加了30.1%、25.1%、19.3%和13.9%。同時，也可以看出當(dāng)RP摻量相同時，隨著RP的粒徑的不斷增大，RC的6 h的電通量是逐漸降低的。這是由于RP的摻入，由于其本身和砂漿之間的粘結(jié)較差，同時RP自身的引氣性導(dǎo)致RC內(nèi)部產(chǎn)生了大量的氣孔，進(jìn)一步降低RC的抗氯離子滲透性能，但隨著RP的粒徑增加，RP本身的引氣性逐漸降低，也就減少了RC內(nèi)部的氣孔。

2.6 毛細(xì)吸水性能

不同RP粒徑和摻量的混凝土28 d的毛細(xì)吸水性能的測試結(jié)果如圖7所示。摻入RCA后，初始吸水率和二次吸水率相較于NC分別增加了38.6%、57.1%。這是由于RCA表面附著的老舊砂漿和老界面過渡區(qū)的產(chǎn)生，導(dǎo)致RC內(nèi)部出現(xiàn)更多薄弱的界面過渡區(qū)，更容易形成連通的孔隙，從而導(dǎo)致RC的毛細(xì)吸水率增大[20]。

從圖7可以看出，當(dāng)RP的粒徑不變時，隨著RP摻量的增加，RC的初始吸水率和二次吸水率逐漸增加。當(dāng)RP的摻量為5%時，RP粒徑為0.178、0.42、0.84和1～3 mm時，相較于RC的初始吸水率分別增加了49.9%、43.9%、28.3%和18.1%，二次吸水率分別增加了65.3%、60.8%、41.5%和32.9%。同時，可以看出當(dāng)RP摻量不變時，隨著RP的粒徑不斷增大，RC的初始吸水率和二次吸水率逐漸降低。這主要是由于RP本身具有引氣性，且與砂漿之間的粘結(jié)較差，致使RC內(nèi)部孔隙增加，導(dǎo)致RC的吸水量增大，但隨著RP粒徑的增加，RP本身的引氣性減弱的同時，自身和水泥砂漿的粘結(jié)增強(qiáng)，減少了RC的內(nèi)部孔隙。

圖7 28 d混凝土的毛細(xì)吸水率

2.7 微觀結(jié)構(gòu)分析

從圖8看出，RC相較于NC的ITZ，RCA和新砂漿之間存在著明顯的裂縫，ITZ存在著大量的孔洞和裂縫，老砂漿和RCA之間存在微裂縫，各種水化產(chǎn)物分布不均勻，砂漿表面零星的存在著一些大小不一的未水化的水泥熟料，Ca(OH)2(CH)堆疊和C-S-H凝膠形成連續(xù)相，但存在孔洞、裂縫，整體結(jié)構(gòu)的密實度較差，這些缺點也是影響RC抗壓強(qiáng)度降低的主要因素之一。

圖8 28 d混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

從圖8可以明顯的看出，當(dāng)RP的粒徑為0.178、0.42 mm時，RP和砂漿幾乎處于脫離狀態(tài)，和砂漿的粘結(jié)極差，并且由于RP的摻入，引入了大量的氣泡，導(dǎo)致RP周圍的砂漿存在著大量的裂縫和孔洞，水化產(chǎn)物的分布較為分散，CH和C-S-H凝膠都是四散分布，C-S-H凝膠之間的搭接較差，沒有類似于NC中完整的C-S-H凝膠的連續(xù)相。這可能是造成RP摻入后RC強(qiáng)度降低幅度較大的主要原因，也印證了RP的粒徑較小時，RP具有黏彈性幾乎不受力，在RC內(nèi)部類似一個孔洞，受力時容易在RP處產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)RP的粒徑為0.84、1～3 mm時，RP被砂漿內(nèi)外包裹著，雖然砂漿和RP之間還存在裂縫，但是相較于0.178、0.42 mm的RP完全和砂漿處于脫離的狀態(tài)，RP的粒徑增大后，與砂漿之間的粘結(jié)得到了改善，同時也可以明顯的觀察到，RP周圍的水泥砂漿也存在著孔洞和裂縫，并且水化產(chǎn)物較為分散，但相較于粒徑較小的情況，微觀結(jié)構(gòu)得到了改善。

3 結(jié) 論

(1)RP的摻入后，RC的含氣量增加，RP粒徑為0.178 mm時，摻量為5%時，RC內(nèi)部的含氣量最大。

(2)RP摻入后，RC的坍落度隨著粒徑的增加，先減小后增大，當(dāng)RP粒徑為1～3 mm時，摻量為5%時，RC的坍落度最大。

(3)RP摻入后會降低RC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能和毛細(xì)吸水性能，提高RC的延性，對于RC的抗壓強(qiáng)度發(fā)展影響不大。綜合含氣量、坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能、毛細(xì)吸水性能和拉壓比的測試結(jié)果，當(dāng)RP粒徑為1～3 mm，摻量為3%時，RC的各項性能相對較優(yōu)，既能更多的利用RP取代天然河砂，又能保證性能滿足一般的工程應(yīng)用要求。

(4)通過SEM的微觀結(jié)構(gòu)的掃描圖像可知，RP和水泥砂漿之間的粘結(jié)較差，ITZ存在明顯裂縫和孔洞，整體結(jié)構(gòu)密實度較差，是RC內(nèi)部薄弱區(qū)域之一。