不同取代率自密實(shí)橡膠混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究

摘要：為了研究不同取代率自密實(shí)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，文章采用40目粒徑的橡膠粉，以0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)了C40自密實(shí)混凝土試件，并通過試驗(yàn)觀察了試件的破壞形態(tài)，分析了不同橡膠取代率試件破壞的原因。結(jié)果表明，隨著橡膠取代率的增加，自密實(shí)橡膠混凝土強(qiáng)度降低，同時(shí)塑性變形能力增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)橡膠混凝土；取代率；抗壓；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：U414

基金項(xiàng)目：2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項(xiàng)目“方鋼管自密實(shí)橡膠混凝土柱軸壓性能試驗(yàn)研究”（編號(hào)：2020KY34013）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項(xiàng)目“再生骨料泵送混凝土性能研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2022KY1139）；廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院陸海交通基礎(chǔ)設(shè)施混凝土材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心（交院科研〔2021〕14 號(hào)）

作者簡介：劉振華（1989—），碩士，講師，工程師，主要從事工程材料研究、混凝土組合結(jié)構(gòu)、橋梁工程施工、基建項(xiàng)目檔案建設(shè)與管理工作。

0 引言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，全球汽車工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，我國每年產(chǎn)生的廢棄輪胎約為2 000×10⁴t，且廢舊輪胎產(chǎn)出量還在持續(xù)增長，大量廢舊輪胎亟待處理。廢舊輪胎橡膠是一種在自然條件下難溶解的高分子材料，大量存放的廢舊橡膠對(duì)自然環(huán)境造成了不可修復(fù)的破壞；如果采用填埋、焚燒的辦法對(duì)其進(jìn)行處理，則會(huì)排放各種有害氣體，也會(huì)加重環(huán)境的破壞^［1］，因此，對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行再生利用研究是很有必要的。

冀彩云等^［2］研究了橡膠混凝土的抗壓與抗折性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)取代率為4%時(shí)其性能發(fā)生下降趨勢(shì)；葛文慧^［3］研究了橡膠混凝土中取代率對(duì)其力學(xué)性能影響；趙榮生^［4］、楊榮周等^［5］研究了橡膠混凝土的破壞形態(tài)，認(rèn)為取代率越大混凝土的破壞程度越小，延性提高。眾多學(xué)者研究了普通橡膠混凝土的性能，但是研究橡膠自密實(shí)混凝土的學(xué)者較少。自密實(shí)混凝土在橋梁、道路工程建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用，因此研究橡膠自密實(shí)混凝土對(duì)交通工程建設(shè)具有積極的意義，同時(shí)對(duì)國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略具有重要意義。

本文采用40目粒徑的橡膠粉，按照強(qiáng)度等級(jí) C40 確定配合比自制自密實(shí)混凝土，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠粉等體積替換砂制作試件，對(duì)自密實(shí)橡膠混凝土試件進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)采用自制自密實(shí)橡膠混凝土，根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T283-2012）（以下簡稱《技術(shù)規(guī)程》）與《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）等規(guī)程確定自密實(shí)橡膠混凝土配合比。

1.1 水泥

本次試驗(yàn)所選用的水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m³，力學(xué)性能如表1所示。

1.2 粉煤灰

本次試驗(yàn)選用一級(jí)粉煤灰，其指標(biāo)如表2所示。

1.3 集料

集料也稱骨料，分為粗集料和細(xì)集料，是混凝土的主要組成材料之一。本次試驗(yàn)所用粗集料選用級(jí)配良好的碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 750 kg/m³，堆積密度為1 570 kg/m³，吸水率為0.92%，壓碎指標(biāo)為12.4%；細(xì)集料選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 650 kg/m³，吸水率為1.36%，試驗(yàn)前已將其曬干備用。

不同取代率自密實(shí)橡膠混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究/劉振華，謝旺軍，文 韜

1.4 橡膠骨料

本次試驗(yàn)選用的橡膠骨料為四川都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40目（380 μm）橡膠粉，由廢舊輪胎經(jīng)機(jī)械破碎、篩分、清洗、除塵等一系列過程所得，表觀密度為1 168 kg/m³，吸水率為1.7%，如表3所示。

1.5 減水劑

本次試驗(yàn)所采用減水劑為聚羧酸高性能減水劑，該系列減水劑混凝土的強(qiáng)度增長明顯，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，減水率為30.5%，固含量為97.6%，符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）一等品標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 拌和水

試驗(yàn)拌和水為南寧市普通自來水。

2 試驗(yàn)

2.1 自密實(shí)橡膠混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)按照強(qiáng)度等級(jí)C40確定配合比，通過計(jì)算得出，水泥+粉煤灰∶水∶石∶砂=1∶0.39∶1.8∶1.6，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂，具體見表 4。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 混凝土攪拌及坍落度

本試驗(yàn)采用的混凝土為自配自密實(shí)混凝土。自密實(shí)橡膠混凝土攪拌時(shí)預(yù)先把橡膠粉、粗骨料與細(xì)骨料充分?jǐn)嚢?00 s，然后加入粉煤灰與水泥充分?jǐn)嚢?00 s，其后分?jǐn)?shù)次加入摻有聚羧酸減水劑的水拌和200 s，待投料混合充分且自密實(shí)橡膠混凝土表面能看到骨料均勻分布時(shí)完成攪拌。拌制的自密實(shí)橡膠混凝土的性能評(píng)價(jià)采用《技術(shù)規(guī)程》中的坍落度、坍落擴(kuò)展度進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。澆筑試件前測(cè)量自密實(shí)橡膠混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度以及 T₅₀₀ 擴(kuò)展時(shí)間，以測(cè)試其流動(dòng)性，在確保拌和物的流動(dòng)性滿足自密實(shí)混凝土規(guī)范中的要求后，將其入模、抹平、編號(hào)。為防止?jié)仓尚秃笏至魇?，用塑料薄膜覆蓋試塊表面，24 h后將試件脫模、編號(hào)，送入20±2℃、相對(duì)濕度＞95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將試件搬出養(yǎng)護(hù)室并靜置在室內(nèi)使其自然干燥，所有試件完全干燥后用電子稱量其重量，計(jì)算出每組配合比對(duì)應(yīng)的混凝土容重。保證配制的自密實(shí)橡膠混凝土拌和物坍落度應(yīng)≥240 mm、坍落擴(kuò)展度應(yīng)為550 mm～650 mm、T₅₀₀≥2S。

澆筑時(shí)每種自密實(shí)混凝土依照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制作3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。試件的澆筑過程及坍落度和T₅₀₀擴(kuò)展時(shí)間測(cè)量結(jié)果見表5。根據(jù)本試驗(yàn)配置的混凝土拌和物性能均滿足相關(guān)自密實(shí)混凝土規(guī)范的要求。

2.2.2 自密實(shí)橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)》（GB50152-2012），在RMT巖石壓力機(jī)上進(jìn)行單軸壓力試驗(yàn)，加載測(cè)量得到每個(gè)自密實(shí)橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果取 3 個(gè)立方體試塊試驗(yàn)值的有效平均值（見表6），其中混凝土實(shí)際軸心抗壓強(qiáng)度推算值f_c、混凝土實(shí)際軸心抗拉強(qiáng)度推算值f_t、混凝土實(shí)際彈性模量推算值E_c由規(guī)范公式與相應(yīng)文獻(xiàn)得到，見式（1）～（3）：

3 試驗(yàn)分析

3.1 破壞形態(tài)分析

根據(jù)自密實(shí)橡膠混凝土試塊破壞形態(tài)可以看出：摻橡膠的自密實(shí)混凝土立方體試塊受壓破壞后仍然保持其完整性，并沒有發(fā)生嚴(yán)重的解體現(xiàn)象，呈現(xiàn)出與普通自密實(shí)混凝土截然不同的破壞形式。普通自密實(shí)混凝土表現(xiàn)為典型的錐形破壞，而在加載時(shí)自密實(shí)橡膠混凝土試塊邊緣先出現(xiàn)裂縫，然后沿豎向發(fā)展，形成許多豎向裂紋，并且所摻加的橡膠越細(xì)，其縱向裂紋越細(xì)，隨著橡膠取代率的增加，縱向裂紋的數(shù)量增多、寬度加大，自密實(shí)橡膠混凝土試塊的破壞很明顯地反映了延性優(yōu)勢(shì)。橡膠粉集料是均勻分布在混凝土內(nèi)部的微小彈簧裝置，起到緩沖吸能作用。由于橡膠顆粒附近的水泥基體抵抗應(yīng)力集中造成受拉破壞開裂，橡膠顆粒自身有很好的彈性變形特性，因此抑制了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，使試件受壓開裂縫隙無法貫通，從而保持了立方體試塊的完整性。

3.2 影響因素分析

由上述試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值繪制出不同橡膠取代率對(duì)自密實(shí)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線，如圖1所示。

由表6和圖1可知：自密實(shí)橡膠混凝中橡膠取代率與抗壓強(qiáng)度成反比。通過自密實(shí)橡膠混凝土試塊抗壓強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橡膠取代率取值為10%～30%，自密實(shí)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度依次降低到基準(zhǔn)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的 79.6%、70.1%、57.8%、47.6%，由此可以看出，在相同的橡膠取代率下，摻橡膠粉的自密實(shí)橡膠混凝土相對(duì)于摻了橡膠顆粒的自密實(shí)橡膠混凝土強(qiáng)度降低幅度大，但是變形能力逐步增加。

分析原因：（1）橡膠作為彈性模量相對(duì)較低的材料，其變形能力相對(duì)較強(qiáng)，但橡膠的強(qiáng)度比不上自密實(shí)混凝土基體和天然骨料的強(qiáng)度，將其加入到混凝土中相當(dāng)于減少了混凝土承受荷載的有效面積并且提高了孔隙率，使混凝土內(nèi)部更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，于是使自密實(shí)橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的抗壓強(qiáng)度下降；（2）因?yàn)橄鹉z是憎水性材料，而且橡膠周圍極易吸附氣泡，使橡膠粉（粒）與水泥基體的膠結(jié)性能降低，加大并且增多了橡膠與自密實(shí)混凝土之間的空隙，造成界面過渡區(qū)更容易產(chǎn)生初始微裂縫；（3）當(dāng)橡膠取代率較小時(shí)，混凝土內(nèi)部缺陷較少，水泥基體強(qiáng)度高，裂縫開展緩慢，混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度降低不是很明顯，而當(dāng)橡膠取代率增大時(shí)，界面過渡區(qū)的初始微裂縫容易貫通形成較大裂縫，使混凝土的抗壓承載力下降。粒徑越大的橡膠對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響越小的主要原因是：相同體積總量的情況下，橡膠粉的比表面積比橡膠顆粒的比表面積大，使橡膠與混凝土接觸的有效面積增大，易產(chǎn)生更多的孔隙，自密實(shí)橡膠混凝土含氣量增大，導(dǎo)致?lián)较鹉z粉的自密實(shí)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度下降更明顯。

4 結(jié)語

本文對(duì)試驗(yàn)原材料、澆筑狀況以及混凝土拌和物進(jìn)行自密實(shí)性能的檢測(cè)。通過相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和對(duì)試驗(yàn)物理現(xiàn)象的觀察，得出以下主要結(jié)論：

（1）橡膠混凝土的自密實(shí)性通過配合比的調(diào)整可以得到滿足，保證橡膠在自密實(shí)混凝土中的均勻性，使得自密實(shí)橡膠混凝土能夠發(fā)揮其優(yōu)越性能，有效延緩混凝土的開裂。

（2）橡膠的摻入會(huì)使得橡膠混凝土的強(qiáng)度下降，但是在較小橡膠取代率（10%）的情況下，其相應(yīng)的材料性能還是有所保證的。

（3）自密實(shí)橡膠混凝土加載時(shí)，試塊邊沿最先出現(xiàn)裂縫，并且沿豎向發(fā)展形成豎向裂紋，豎向裂紋寬度隨著橡膠粒徑的加大而增大，且隨著橡膠取代率的增大而寬度加大、數(shù)量增多。隨著橡膠取代率增加，自密實(shí)橡膠混凝土強(qiáng)度降低，變形能力逐步增大。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-26