地聚物橡膠混凝土的力學、抗沖擊性能及強度機理分析

楊鵬輝，姚 遠

(河南交投商羅高速公路有限公司,鄭州 450000)

0 引 言

廢棄橡膠輪胎的處理是橡膠工業(yè)重點關注的問題。每年大量的廢棄橡膠輪胎被粗放化處理，如填埋、燃燒等，這不僅對環(huán)境造成巨大影響，同樣使大量的橡膠資源浪費[1]。目前，廢棄橡膠輪胎被列為固體廢物，研究人員嘗試在眾多行業(yè)領域將其進行資源化應用，其中包括建筑材料領域。橡膠輪胎可加工成顆粒，實現混凝土領域普通集料的替代，這不僅能減少廢棄橡膠粗放式處理帶來的環(huán)境問題，同時有利于提高混凝土的延性和抗沖擊性能[2-3]。

另外，硅酸鹽水泥作為建筑材料領域的主要膠凝材料，其生產過程存在能耗大、溫室氣體排放高等嚴重影響生態(tài)的問題。每生產1 t水泥會排放近1 t的CO2，同時消耗至少110 kg的標準煤[4]。在“十四五”規(guī)劃中提出了對溫室氣體排放的指導，采用低碳環(huán)保的膠凝材料是未來建筑材料領域的重要方向，而地聚物混凝土就是潛在解決方案之一。地聚物混凝土是一種以礦渣粉等活性工業(yè)廢渣為原料、以堿激發(fā)手段活化生產的綠色膠凝材料，其不僅能有效解決工業(yè)廢渣的資源化應用，而且能極大降低建筑材料領域的碳排放，同時具有優(yōu)異的力學性能和耐久性、經濟環(huán)保等優(yōu)點[5-6]。更重要的是，地聚物混凝土在堿激發(fā)條件下會溶解和硬化，而廢橡膠集料在堿環(huán)境下能改性其表面構造和活性，對提高地聚物混凝土的力學性能和抗沖擊性能具有重要幫助[7-8]。但橡膠再生集料對地聚物混凝土性能的影響尚不清楚，探究橡膠再生集料對地聚物混凝土的力學性能、抗沖擊性能和強度機理的影響，對擴大廢舊橡膠的應用途徑和提高地聚物混凝土性能具有重要意義。

因此，本文采用不同比例的橡膠再生集料(粒徑為0.15～0.3 mm和1～4 mm)代替地聚物混凝土中的普通集料，以工業(yè)廢渣中粒化高爐礦渣粉為原料，水玻璃溶液和NaOH為激發(fā)劑制備地聚物膠凝材料，再與普通集料、橡膠再生集料(下文簡稱橡膠集料)制備地聚物橡膠混凝土；然后對地聚物橡膠混凝土的力學性能、抗沖擊性能和強度機理進行探究，為廢棄橡膠的資源化再生提供新的途徑。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗選用S95?；郀t礦渣粉，密度為2.8 g/cm3，比表面積為462 m2/kg，活性指數為98%，主要化學組成見表1。堿激發(fā)劑采用水玻璃和NaOH的復合激發(fā)劑，水玻璃溶液模數為3.3，SiO2和Na2O含量分別為27.0%(質量分數)和8.1%(質量分數)；NaOH為市售片狀氫氧化鈉，純度大于98%(質量分數)。粗集料采用白云石集料，密度為2.96 g/cm3；細集料采用白云石和河砂，比例分別為65%(質量分數)和35%(質量分數)。橡膠集料通過汽車廢舊輪胎回收破碎并過篩獲得，選擇粒徑為0.15～0.3 mm和1～4 mm的橡膠顆粒分別作為橡膠細集料和粗集料，如圖1所示。

表1 S95?；郀t礦渣粉的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of S95 granulated blast furnace slag powder

圖1 試驗使用的橡膠集料Fig.1 Rubber aggregate used in the test

1.2 制備工藝

由于制備地聚物橡膠混凝土的組成參數較多，為探究橡膠集料對混凝土性能的影響，本研究中保持礦渣粉、水、堿激發(fā)劑等用量不變，采用不同比例(0%、10%、20%、30%，體積分數)的橡膠集料來代替地聚物混凝土中的集料，具體配合比見表2。首先，將NaOH溶于水玻璃溶液中制備堿激發(fā)劑，該溶解過程釋放大量熱量，需將堿激發(fā)劑冷卻后使用；然后，將礦渣粉、白云石集料和橡膠集料倒入拌鍋拌和120 s，將堿激發(fā)劑倒入拌鍋拌和120 s，制備地聚物橡膠混凝土并成型試件;24 h后拆模，置于標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護至指定齡期。

表2 地聚物橡膠混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of geopolymer rubber concrete /(kg·m-3)

1.3 試驗方法

將表2中不同比例橡膠集料的地聚物橡膠混凝土成型為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，養(yǎng)護至28 d和60 d，進行抗壓強度測試，每組測試六個試件取平均值。參照規(guī)范對養(yǎng)護至60 d的試件進行劈裂抗拉強度試驗，每組三個試件取均值?；炷恋目箾_擊強度試驗參照美國混凝土協(xié)會ACI 544.2R標準要求，對直徑為150 mm、高為65 mm的圓盤形試件進行落錘沖擊試驗。對養(yǎng)護至60 d的100 mm×100 mm×400 mm的梁型試件進行三點加載試驗，測試混凝土的抗折強度?？箟簭姸?、劈裂抗拉強度和抗折強度試驗均參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)采用萬能材料試驗機進行，抗沖擊強度試驗裝置如圖2所示。

圖2 混凝土落錘沖擊試驗裝置圖Fig.2 Device diagram of concrete drop hammer impact test

混凝土落錘沖擊試驗是將質量為4.5 kg的鋼球從450 mm的高度自由落體沖擊至混凝土圓盤形試件中心，反復進行沖擊測試，記錄出現初始裂紋和最終破壞失效的沖擊次數，分別記作Ni和Nf，并通過式(1)和式(2)可以計算出沖擊過程中發(fā)生初始開裂和最終破壞失效的沖擊能量。

Ei=Nimgh

(1)

Ef=Nfmgh

(2)

式中：Ei和Ef分別為產生初始開裂和最終破壞失效所需的沖擊能量;m為鋼球質量;g為重力加速度，取9.81 m/s2;h為鋼球下落高度。

由于橡膠集料與地聚物混凝土間易產生開裂，在彎拉沖擊荷載下極易產生混凝土梁型試件折斷的情況[9-10]。對100 mm×100 mm×400 mm的混凝土梁型試件進行鋼球沖擊試驗，分析其抵抗彎拉沖擊荷載的能力。在混凝土梁型試件的下方墊直徑15 mm的螺紋鋼筋，使用0.5 kg的鋼球從500 mm高度自由下落，沖擊梁型試件的中心，重復沖擊試驗，記錄梁型試件斷裂的沖擊次數，按照式(3)計算混凝土梁型試件在彎拉沖擊荷載下產生破壞所需的能量。圖3為梁型混凝土試件在彎拉沖擊荷載下的失效狀態(tài)。

圖3 混凝土彎拉沖擊試驗裝置圖Fig.3 Device diagram of concrete flexural tensile impact test

(3)

式中：Ec為產生試件彎拉失效所需的沖擊能量；hi為第i次鋼球下落高度，Nc為沖擊次數。

2 結果與討論

2.1 地聚物橡膠混凝土的力學性能分析

2.1.1 橡膠集料對地聚物橡膠混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度是評價混凝土最重要的指標，被廣泛用作混凝土強度的指標。大多數研究中，在水泥混凝土中使用的橡膠集料體積超過總體積的5%時，混凝土的抗壓強度會大大降低[7,11-12]。但地聚物由于特殊的堿激發(fā)作用和良好的界面浸潤作用，其與水泥混凝土中橡膠集料的影響規(guī)律有所不同。圖4為不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土抗壓強度變化規(guī)律。由圖4發(fā)現，添加10%(體積分數)橡膠集料的G10試樣28 d和60 d抗壓強度比G0分別增加了7.7%和4.4%。這是由于橡膠顆粒在NaOH等強堿條件下會對橡膠表面進行侵蝕，增加橡膠表面的粗糙度和比表面積，增加與地聚物結合料的粘結強度，從而提高混凝土的抗壓強度。而橡膠集料用量為20%和30%的G20和G30試樣，其28 d和60 d抗壓強度明顯降低，強度損失均在20%～30%。這表明當橡膠集料用量增加時，橡膠集料相比于白云石集料較低的剛度會在混凝土內部產生較高的應力，從而導致混凝土強度降低。從橡膠集料與白云石集料自身性質而言，橡膠集料與白云石集料的彈性模量差距較大，橡膠集料在受壓作用下因彈性模量較低而無法產生有效承載，導致橡膠集料周圍應力集中而產生裂縫。同時，研究表明，橡膠集料的摻入會增加混凝土中空氣含量，空氣氣泡形成較大的孔結構同樣是地聚物橡膠混凝土抗壓強度降低的原因之一。

圖4 不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土抗壓強度變化規(guī)律Fig.4 Changes of compressive strength of geopolymer rubber concrete with different amounts of rubber aggregate

2.1.2 橡膠集料對地聚物橡膠混凝土劈裂抗拉強度的影響

通?；炷恋呐芽估瓘姸群蛻儍H是抗壓強度的10%，但劈裂抗拉強度對公路和機場道面的設計具有重要意義，對評價混凝土抗剪強度和抗裂性有利[3,10]。圖5為不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土劈裂抗拉強度試驗結果。未添加橡膠集料的地聚物混凝土的28 d和60 d劈裂抗拉強度高達2.91 MPa和3.58 MPa，添加橡膠集料后地聚物混凝土的劈裂抗拉強度明顯降低，且用量越大性能下降越明顯。橡膠集料用量為10%時，28 d劈裂抗拉強度下降了19.2%，60 d后劈裂抗拉強度下降了25.7%，且60 d劈裂抗拉強度大于28 d劈裂抗拉強度。當橡膠集料用量增加至30%時，28 d和60 d劈裂抗拉強度損失達到30%以上，這也是地聚物橡膠混凝土的典型特征之一。地聚物混凝土的自身抗裂性弱于水泥混凝土，同時添加橡膠集料通常會降低無機材料的抗裂性，因此地聚物橡膠混凝土的劈裂抗拉強度下降明顯。

圖5 不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土劈裂抗拉強度變化規(guī)律Fig.5 Changes of splitting tensile strength of geopolymer rubber concrete with different amounts of rubber aggregate

2.1.3 橡膠集料對地聚物橡膠混凝土抗折強度的影響

抗折強度是評價材料單位面積承受彎曲荷載時的極限折斷應力。圖6為不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土抗折強度變化規(guī)律。與劈裂抗拉強度的變化規(guī)律一致，隨著橡膠集料的用量增加，地聚物橡膠混凝土的抗折強度逐漸下降。與未添加的空白樣G0相比，添加10%橡膠集料的G10試樣28 d和60 d抗折強度損失分別為16.3%和17.9%，添加20%和30%橡膠集料的G20和G30試樣抗折強度損失相近，28 d抗折強度損失20%左右，60 d抗折強度損失30%左右。這符合在混凝土中橡膠集料用量對強度的影響規(guī)律，其原因與劈裂抗拉強度的損失一致，是地聚物橡膠混凝土的典型特征之一，低強度橡膠集料的加入會使混凝土剛度下降，因此在彎拉荷載作用下容易產生明顯的強度損失。

圖6 不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土抗折強度變化規(guī)律Fig.6 Changes of flexural strength of geopolymer rubber concrete with different amounts of rubber aggregate

2.2 地聚物橡膠混凝土的抗沖擊性能分析

2.2.1 橡膠集料對地聚物橡膠混凝土抗落錘沖擊性能的影響

根據混凝土圓盤型試件產生初始裂紋和最終破壞的沖擊次數Ni和Nf，計算產生初始裂紋和最終沖擊破壞所需的能量，用于評價不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土抗沖擊性能[13]。表3為落錘沖擊試驗的結果。由表3可知，橡膠集料用量由0%增加至30%，圓盤試件產生初始開裂和最終開裂破壞的沖擊次數明顯增加。相比于空白樣G0，分別添加10%、20%、30%的地聚物橡膠混凝土G10、G20、G30的初始開裂沖擊次數分別增加了20%、140%和300%，三者最終破壞沖擊次數相比于空白樣G0分別增加了25%、138%和250%，這表明橡膠集料替代普通集料有助于降低混凝土沖擊荷載下開裂破壞的風險。圖7為G0試件與G10試件的最終開裂破壞狀態(tài)。產生開裂至最終開裂破壞的沖擊次數(Nf-Ni)同樣隨著橡膠集料用量的增加而明顯增加。這表明添加橡膠集料替代普通集料同樣可以延緩沖擊荷載下混凝土中裂縫的擴展，提高地聚物橡膠混凝土的抗沖擊性能。這是由于橡膠集料顆粒的剛度低，韌性強，在沖擊荷載中吸收了一部分能量轉化為可恢復變形，增加了橡膠與地聚物復合材料的柔韌性，初始開裂和最終破壞的沖擊能量明顯增加；尤其是在產生初始開裂后，橡膠集料吸收了部分沖擊荷載，使開裂后裂縫延伸和貫通速率明顯下降，開裂后所吸收的沖擊能量更多，從而降低了地聚物橡膠混凝土的脆性。

表3 落錘沖擊試驗結果Table 3 Results of drop hammer impact test

圖7 未添加和添加橡膠集料混凝土試件的沖擊開裂狀態(tài)Fig.7 Impact cracking state of concrete specimens without and with rubber aggregate

2.2.2 橡膠集料對地聚物橡膠混凝土抗彎拉沖擊性能的影響

混凝土梁型試件在受彎拉荷載時，頂部受壓且底部受拉，通常底部受彎拉應力容易破壞，而沖擊荷載下形成的彎拉應力容易引起混凝土的失效破壞[14]。為探究橡膠集料對地聚物混凝土抗彎拉沖擊性能的影響，對不同橡膠集料用量的地聚物橡膠混凝土進行彎拉沖擊試驗。表4為不同橡膠集料用量下地聚物橡膠混凝土在彎拉荷載下沖擊的試驗結果。與空白樣G0相比，隨著橡膠集料用量從0%增加至30%，地聚物橡膠混凝土的抗彎拉沖擊次數(Nc)逐漸增加，且所需彎拉沖擊破壞的能量(Ec)明顯增加。替代30%白云石集料的地聚物橡膠混凝土在彎拉荷載下破壞所需的能量從空白樣的4.90 J增加至14.70 J，增幅達200%。這種增幅是由于橡膠顆粒的柔性吸收了沖擊荷載下的部分能量，減少了裂縫開裂應力集中，提高了地聚物橡膠混凝土的柔韌性，從而在彎拉荷載下有助于抵抗更大的沖擊荷載。而地聚物混凝土由于地聚物材料自身脆性的影響，容易受到沖擊荷載而產生彎拉失效破壞，而橡膠集料的加入增加了混凝土的柔韌性，吸收了部分沖擊荷載能量，從而保證了混凝土的使用壽命和耐久性。

表4 不同橡膠集料用量下地聚物橡膠混凝土彎拉沖擊試驗結果Table 4 Results of bending tensile impact test of geopolymer rubber concrete under different content of rubber aggregate

2.3 橡膠集料在地聚物橡膠混凝土中的作用機理

2.3.1 微觀形貌分析

圖8為橡膠集料和地聚物橡膠混凝土的SEM照片。由圖8(a)發(fā)現，橡膠集料破碎后表面較為粗糙，含有大量微孔，而且有少量因橡膠破碎產生的微裂紋。橡膠集料表面的紋理較為粗糙且多孔，使得橡膠集料與地聚物基體可以產生更好的物理粘合和摩擦作用。圖8(b)為地聚物橡膠混凝土中的橡膠集料顆粒，周圍為礦渣粉在堿激發(fā)作用下產生的水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)水化產物，并包含一定數量的微孔隙。在地聚物橡膠混凝土產生微裂紋時，大孔隙在裂縫擴展中貫通并延展，橡膠集料由于自身的柔性和彈性，在微裂縫的延展過程中吸收部分能量，減少裂縫開裂應力集中，從而延緩了裂縫延展和開裂的過程，有利于抵抗并吸收一部分沖擊荷載和能量。

橡膠集料表面粘附少量地聚物水化產物，但是相比于圖8(a)中的橡膠集料表面，地聚物橡膠混凝土中橡膠集料表面有白色絮狀物質。由于在地聚物材料中存在一定量由水玻璃溶液和NaOH組成的堿激發(fā)劑，混凝土體系中呈強堿性條件，這會對橡膠集料表面產生一定化學反應。圖9為橡膠集料在強堿條件和正常條件下的表面形貌SEM照片。橡膠集料表面在強堿環(huán)境下產生一定表面活化，使得表面的比表面積和粗糙度增加，產生一定量蓬松狀產物。這是由于橡膠表面在NaOH條件下氧化和降解，增加了橡膠集料的比表面積，加強了橡膠集料與地聚物基體間的粘結和嵌合能力，這也是摻入適量橡膠集料后混凝土的力學性能和抗沖擊性能增加的原因。

圖8 橡膠集料和地聚物橡膠混凝土的SEM照片Fig.8 SEM images of rubber aggregate and geopolymer rubber concrete

圖9 NaOH處理和未處理條件下橡膠集料表面形貌的SEM照片Fig.9 SEM images of surface morphology of rubber aggregate under NaOH treated and untreated conditions

2.3.2 紅外光譜分析

圖10 NaOH處理和未處理條件下橡膠集料的紅外光譜Fig.10 FTIR spectra of rubber aggregate under NaOH treated and untreated conditions

3 結 論

(1)添加適量比例的橡膠再生集料有助于提高地聚物橡膠混凝土的抗壓強度，這與橡膠集料表面與地聚物中堿激發(fā)劑NaOH的溶解和氧化作用有關。添加橡膠再生集料會降低地聚物橡膠混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度，橡膠集料用量越大，強度損失越多，這是地聚物橡膠混凝土的典型特征，在劈裂和彎拉作用下界面易斷裂。

(2)橡膠再生集料能明顯提高地聚物橡膠混凝土的抗沖擊性能，這是由于橡膠再生集料的柔性和彈性特征吸收了部分沖擊能量，同時延緩了沖擊荷載下混凝土初始開裂到失效破壞過程，提高了混凝土的延性。

(3)在SEM照片中，地聚物橡膠混凝土中的橡膠再生集料顆粒與地聚物基體的界面明顯，橡膠再生集料表面在地聚物中堿激發(fā)劑條件下產生氧化和降解作用，使橡膠顆粒表面變得粗糙，與地聚物基體粘結相對緊密，更容易吸收荷載傳遞的能量。同時，從紅外光譜中可知，在地聚物堿性條件下，橡膠再生集料表面氧化和降解產生親水性更強的羥基、羧基、羰基等，使水化產物更容易在橡膠再生集料表面附著并生長，有利于橡膠再生集料與地聚物的界面作用。