一種改性廢舊橡膠透水混凝土制備及性能試驗(yàn)

嚴(yán)超群，呼加瑞，謝 李

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710065)

透水混凝土是目前道路工程中最常用的一種鋪設(shè)材料，在使用時(shí)，能有效避免積水帶來(lái)的路面濕滑，增加人們出行的安全性。但普通透水混凝土受自身材料和結(jié)構(gòu)的影響，彈性模量高，抗凍融性能較低，這就導(dǎo)致了鋪裝路面舒適度較低和使用壽命較短的問(wèn)題。為了進(jìn)一步提升透水混凝土的性能，有學(xué)者進(jìn)行了研究，如嘗試?yán)梅勖夯姨娲糠炙啵鰪?qiáng)透水混凝土的強(qiáng)度[1]；還有學(xué)者在前人的研究基礎(chǔ)上，使用性能更完善的硅灰替代部分水泥，進(jìn)一步完善透水混凝土性能[2]。但目前針對(duì)透水混凝土彈性模量的研究較少，基于此，本研究選擇彈性較大的改性廢舊橡膠對(duì)透水混凝土的舒適度和使用壽命進(jìn)行增強(qiáng)，以獲得性能較為完善的透水混凝土。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1主要材料

廢舊橡膠(10目、40目、60目)，蘇豐再生資源回收；聚羧酸高效減水劑(CP)，柯普化工；氫氧化鈉(AR)，順凱化工；P·O42.5水泥，中泰水泥；碎石(G3級(jí)配)，一葦景觀建材；硅灰(Ⅰ級(jí))，博瑞建材；高錳酸鉀(標(biāo)準(zhǔn)品)，同欣化工；雙氧水(CP)，順陽(yáng)化工科技；尿素(CP)，隆潤(rùn)精細(xì)化工原料。

1.1.2試驗(yàn)設(shè)備

DZF-6020真空干燥箱，海天友誠(chéng)科技；JS-2000混凝土攪拌機(jī)，昌文機(jī)械；JYW-2000數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)，一海三路科技；GDR3-9凍融循環(huán)試驗(yàn)箱，盛世慧科檢測(cè)設(shè)備，。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1廢舊橡膠改性

分析現(xiàn)有橡膠改性方法，本試驗(yàn)選擇氧化-尿素改性方法對(duì)廢舊橡膠進(jìn)行改性。具體過(guò)程為：

(1)按照體積比為1∶2.63將橡膠顆粒在氫氧化鈉溶液中浸泡24 h；

(2)過(guò)濾取出橡膠材料，沖洗后測(cè)試橡膠pH值，待橡膠pH值恒定在6.5～7，置于真空干燥箱內(nèi)烘干；

(3)將烘干后橡膠完全浸沒(méi)在高錳酸鉀溶液中充分氧化，在氧化過(guò)程中需要持續(xù)添加高錳酸鉀，確保高錳酸鉀溶液pH值始終維持在2～3，氧化溫度和時(shí)間分別為60 ℃、30 min；

(4)添加一定質(zhì)量的雙氧水，保持體系pH值為5，進(jìn)行氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)溫度和時(shí)間分別為50 ℃和2 h；

(5)調(diào)節(jié)體系pH值為8，升溫至65 ℃后放入尿素，繼續(xù)提升體系溫度至90 ℃進(jìn)行反應(yīng)，沖洗并烘干。

1.2.2改性廢舊橡膠透水混凝土的制備

(1)參照CJJ/T 135—2009規(guī)程對(duì)混凝土配方進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如表1所示；

(2)根據(jù)表1配比精準(zhǔn)稱(chēng)取集料，并混合均勻；

表1 改性廢舊橡膠透水混凝土配方Tab.1 Formula of modified waste rubber permeable concrete kg/m3

(3)將混凝土砂漿材料分3次倒入提前準(zhǔn)備好的模具中，每次倒入都需要用搗輥由內(nèi)向外順時(shí)針插搗數(shù)次，確保砂漿材料在模具中分散均勻；

(4)置于常溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 d，脫模后編號(hào)，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1孔隙率測(cè)試

參照CJJ/T 135—2009 規(guī)范，采用質(zhì)量法測(cè)定透水混凝土的有效孔隙率[3]。

有效孔隙率表達(dá)式[4]：

(1)

式中：Pe為有效孔隙率；V為試件體積；ρ為水密度；m1為試件干質(zhì)量；m0為試件在水中的質(zhì)量。

1.3.2透水系數(shù)測(cè)試

采用定水頭法對(duì)透水混凝土透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)試[5]。

透水系數(shù)表達(dá)式[6]：

(2)

式中：K為透水系數(shù)；H為試件滲水前后水位差；A為試件上表面積；L為試件厚度；Q為恒定時(shí)間內(nèi)滲出的水量。

1.3.3抗壓強(qiáng)度測(cè)試

參照國(guó)標(biāo)GB/T 50081—2019用數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試[7]。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式[8]：

(3)

式中：f為抗壓強(qiáng)度；F為試件破壞荷載；A為承壓面積。

1.3.4抗折強(qiáng)度測(cè)試

參照國(guó)標(biāo)GB/T 50081—2019 對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試[9]。

抗折強(qiáng)度表達(dá)式為[10]：

(4)

式中：ff為抗折強(qiáng)度；h為試件截面高度；l為支座跨距；b為試件截面高度；F為試件破壞荷載。

1.3.5抗凍融性能測(cè)試

參照GB/T 50082—2009中的快凍法對(duì)透水混凝土的抗凍融性能進(jìn)行檢測(cè)，以質(zhì)量損失率表征透水混凝土的抗凍融性能[11]。

1.3.6彈性模量測(cè)試

參照GB/T 50081—2019，用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)透水混凝土的彈性模量[12]。

彈性模量表達(dá)式[13]：

E=[(Fa-F0)/A]×(L/n)

(5)

式中：E為彈性模量；L為測(cè)量標(biāo)距；A為承壓面積；Fa為應(yīng)力的三分之一軸心抗壓強(qiáng)度的荷載；F0為應(yīng)力0.5 MPa的初始荷載；Δn為最后一次從Fa到F0時(shí)，試件2側(cè)變形的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為透水混凝土與改性橡膠間的關(guān)系。

從圖1可以看出，透水混凝土孔隙率與改性橡膠顆粒大小和摻量成反比。這可能是，本試驗(yàn)制備混凝土的方式為外摻，對(duì)透水混凝土中的有效孔隙起填充作用，影響了混凝土孔隙率和透水系數(shù)[14]。從圖1中還可看出，摻量為3%的60目改性橡膠透水混凝土透水系數(shù)和孔隙率與基準(zhǔn)混凝土差別不大，說(shuō)明該條件下的改性橡膠并未對(duì)透水混凝土透水性能產(chǎn)生明顯的不良影響。

圖1 透水系數(shù)和孔隙率的變化Fig.1 Variation of permeability coefficient and porosity

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 力學(xué)性能變化Fig.2 Change of mechanical properties

從圖2可以看出，3種粒徑的橡膠顆粒對(duì)透水混凝土的影響規(guī)律大致相同。橡膠顆粒較少，透水混凝土力學(xué)性能皆表現(xiàn)良好。當(dāng)橡膠摻量超過(guò)了一定的臨界值，力學(xué)性能反而有所下降；出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，透水混凝土的結(jié)構(gòu)為蜂窩狀，摻入少量的改性橡膠后，可以對(duì)橡膠孔洞進(jìn)行填充。但摻量較多，影響了混凝土基體的粘接性能，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

同時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度受改性橡膠粒徑的影響，表現(xiàn)出相反的規(guī)律。這是因10目改性橡膠填充了透水混凝土孔隙，增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度；而60目改性橡膠在混凝土內(nèi)部起骨料支撐作用，因此對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度產(chǎn)生積極的影響[15]。

2.3 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果分析

透水混凝土一般用于道路鋪裝，在使用的過(guò)程中，對(duì)舒適度有一定要求，即彈性模量越小越好。圖3為彈量測(cè)試結(jié)果。

圖3 改性橡膠對(duì)透水混凝土彈性模量的影響Fig.3 Effect of modified rubber on elastic modulus of permeable concrete

從圖3可以看出，透水混凝土彈性模量與改性橡膠摻量表現(xiàn)出反比趨勢(shì)。9%摻量的60目改性橡膠混凝土彈性模量降至19.3 GPa；當(dāng)繼續(xù)增加改性橡膠摻量，雖然彈性模量還會(huì)繼續(xù)下降，但下降趨勢(shì)并不明顯。這是與橡膠顆粒自身彈性和骨架支撐有關(guān)。

2.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果。

(a)10目

(b)40目

(c)60目圖4 凍融性能的變化Fig.4 Change of freeze-thaw performance

從圖4可以看出，凍融次數(shù)與混凝土的質(zhì)量損失率呈正比，在這與透水混凝土多孔結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。在凍融循環(huán)試驗(yàn)的過(guò)程中，透水混凝土吸收大量的水分結(jié)冰后體積增大，對(duì)混凝土內(nèi)部在造成不均勻的拉力或者壓力，加速了混凝土部?jī)?nèi)部的破壞。在凍融次數(shù)固定的條件下，橡膠摻量與透水混凝土質(zhì)量損失率呈正比，且60目改性廢棄混凝土的抗凍融性能優(yōu)于10目改性廢棄混凝土。低慘量橡膠透水混凝土抗凍融性能明顯較高，這可能是因?yàn)楦男韵鹉z自身的彈性較高，摻入透水混凝土后，能夠抵消掉一部分水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的壓力，透水混凝土的抗凍融性能有一定提高。而橡膠顆粒的彈性作用明顯優(yōu)于橡膠粉末，因此目數(shù)越高的改性橡膠，對(duì)透水混凝土抗凍融性能的改善結(jié)果越好。

2.5 實(shí)際應(yīng)用效果

在上述的分析中，已經(jīng)確定了3%～6%摻量條件下60目改性廢棄橡膠透水混凝土綜合性能表現(xiàn)良好。綜合考慮，選擇摻量為5%的60目改性廢棄橡膠透水混凝土進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。

2.5.1場(chǎng)地檢測(cè)

以某小區(qū)路面為試驗(yàn)對(duì)象，將改性廢棄橡膠透水混凝土在該小區(qū)內(nèi)進(jìn)行鋪裝，然后按照常規(guī)養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并投入使用，1年后進(jìn)行復(fù)檢，確定改性廢棄橡膠透水混凝土的實(shí)際應(yīng)用性能，具體結(jié)果如圖5所示。

(a)改性廢棄橡膠透水混凝土道路鋪裝

(b)1年后透水混凝土使用情況圖5 改性橡膠混凝土實(shí)際應(yīng)用情況Fig.5 Actual application of modified rubber concrete

從圖5可以看出，廢棄橡膠透水混凝土鋪裝道路在使用1年后，表面無(wú)脫落、變色等異常情況出現(xiàn)；說(shuō)明本試驗(yàn)制備的改性廢棄橡膠透水混凝土可以用于實(shí)際工程建設(shè)。

2.5.2經(jīng)濟(jì)性能分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，假設(shè)路面鋪設(shè)厚度一般為10 cm；根據(jù)市場(chǎng)行情，幾種常見(jiàn)的透水性混凝土的造價(jià)如表2所示。

表2 混凝土造價(jià)分析Tab.2 Concrete cost analysis

由表2可知，粒式瀝青混凝土和普通水泥混凝土并不具備透水性能，無(wú)法滿(mǎn)足道路透水要求。排水瀝青混凝土雖然具備較好的透水性能，但在鋪裝過(guò)程中，需要多種工程機(jī)械協(xié)同作用，不利于小道施工；同時(shí)，材料造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)效益較低。普通透水混凝土雖然具備一定的透水性，但受材料性能的影響，在使用過(guò)程中，壽命較短，舒適度也相對(duì)較低。改性橡膠混凝土雖然造價(jià)略高于普通透水混凝土，但改性橡膠在一定程度上填補(bǔ)了普通混凝土沒(méi)有細(xì)骨料的缺陷，彈性模量、力學(xué)性能和抗凍融性能皆有所提升。也就是說(shuō)，改性廢棄橡膠混凝土在使用壽命、耐久性和舒適度方面都明顯高于普通透水混凝土，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以在實(shí)際應(yīng)用中投入使用。

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)制備的改性廢舊橡膠透水混凝土在使用壽命、耐久性和舒適度方面皆表現(xiàn)良好，具備較高的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)3%摻量的60目改性廢棄橡膠混凝土性能最佳；

(2)60目改性廢舊橡膠對(duì)對(duì)透水混凝土的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果良好，而抗壓強(qiáng)度效果則有限；

(3)60目改性廢舊橡膠能有效降低透水混凝土的彈性模量，增強(qiáng)改性廢舊橡膠透水混凝土的舒適性；

(4)低摻量60目改性廢舊橡膠能有效增強(qiáng)透水混凝土的抗凍融性能；

(5)摻量為5%的60目改性廢舊橡膠透水混凝土投入使用一年后沒(méi)有異常情況出現(xiàn)，雖然材料成本略高于普通透水混凝土，但在使用壽命、耐久性和舒適度方面都明顯高于普通透水混凝土，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益。