橡膠再生混凝土力學(xué)性能試驗研究

王雯睿，朱瑢晨，朱煥彬，譚澤仁，招 戩

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州 510640）

0 引言

調(diào)查顯示，混凝土是世界上消耗量最大的材料之一，一方面其帶來了生態(tài)破壞，據(jù)IEA 估計，2019 年水泥行業(yè)排放了24 億t 的CO2，占全球CO2排放量的7%［1］。另一方面，它還造成了材料的急劇消耗，據(jù)2018年的計算發(fā)現(xiàn)，混凝土行業(yè)的取水總量約為7.8億t［2］；2019 年，全世界砂石產(chǎn)量高達(dá)517 億t［3］。此外，中國橡膠工業(yè)協(xié)會指出，2016 年，我國廢舊橡膠的總量已達(dá)到15 000 kt［4］。而橡膠混凝土具有密度小、耐磨性好、彈性好、延展性強(qiáng)等特征，再生混凝土有抗裂性好與導(dǎo)熱率小等優(yōu)點，所以有必要研究橡膠再生混凝土的力學(xué)性能，從而研究出與應(yīng)用好綠色生態(tài)的混凝土。

雖然再生粗骨料來源廣泛，但其弊端不容忽視，據(jù)研究，再生粗骨料的力學(xué)性能指標(biāo)不如天然石子［5］。若只考慮粗骨料對混凝土強(qiáng)度的影響，再生混凝土的力學(xué)性能不如普通混凝土。經(jīng)大量試驗研究表明：橡膠混凝土具有密度小、耐磨性好、彈性好、延展性強(qiáng)等優(yōu)點，雖然橡膠摻入混凝土中降低了其抗壓強(qiáng)度，同時降低了混凝土的脆性損傷特性，但王軍軍等人［6］研究表明：橡膠顆?？梢栽龃蠡炷涟韬衔锏奶涠龋煌艉|等人［7］發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒取代細(xì)骨料后可以大幅降低再生混凝土的密度。

在我國，對于橡膠再生混凝土的研究中涉及粗骨料粒徑大小對橡膠再生混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生的影響的研究較少，所以我們針對橡膠再生混凝土進(jìn)行了一系列的力學(xué)性能試驗，并通過改變其中橡膠顆粒的目數(shù)和摻量及粗骨料的粒徑以尋求影響力學(xué)性能的因素，希望能為今后研究橡膠再生混凝土力學(xué)性能提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

本實驗采用的水泥為廣州某水泥公司制造的P.O42.5普酸鹽水泥。用水為自來水，細(xì)骨料為天然河砂，粗骨料采用粒徑范圍5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm的連續(xù)級配再生石子。橡膠粉采用常州某公司生產(chǎn)的20目、40目、60目橡膠粉，如圖1所示。以橡膠顆粒替代砂，替代率（質(zhì)量替代）采用0%、15%和30%。

圖1 橡膠顆粒Fig.1 Rubber Particles

1.2 試驗方案

混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，根據(jù)試驗原材料的基本性能指標(biāo)，按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ 55—2011》規(guī)范，計算得出設(shè)計配合比。本試驗的配合比以普通混凝土作為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，試驗保持變量統(tǒng)一，其他組依照該配合比進(jìn)行設(shè)計（見表1）。

表1 橡膠再生混凝土配合比Tab.1 Rubber Recycled Concrete Mix Ratio （kg/m3）

試驗制備27 塊再生骨料橡膠混凝土立方體試塊（100 mm×100 mm×100 mm）和27塊棱柱體試塊（100 mm×100 mm×400 mm）用于抗折強(qiáng)度試驗，按橡膠目數(shù)（20目、40 目、60 目）、摻量（0%、15%、30%）及粗骨料級配（5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm）?；炷辆捎脵C(jī)械攪拌、振實，試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，24 h后脫膜，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d。再生骨料橡膠混凝土參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2002》進(jìn)行加載試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 橡膠對強(qiáng)度的影響

在橡膠目數(shù)為40 目，摻量分別0%、15%和30%時，混凝土抗壓強(qiáng)度分別為46.9 MPa、32.9 MPa 和49.1 MPa，如圖2 所示。試驗表明在橡膠摻量在0～30%的區(qū)間范圍內(nèi)，隨著橡膠摻量的增多，再生骨料橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小，后增大的趨勢，如圖2?。試驗結(jié)果表明橡膠摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響顯著，與進(jìn)行正交試驗得到的結(jié)論一致［8］。強(qiáng)度下降是由于橡膠作為表面惰性的有機(jī)物，與水泥的粘結(jié)力低［9］，導(dǎo)致受壓時兩者界面產(chǎn)生的摩擦力下降，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，另外，摻入橡膠相當(dāng)于提高了混凝土的空隙率，密實度減少［10］，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。在抗壓試驗時還發(fā)現(xiàn)，不摻橡膠的混凝土破壞時有明顯大裂痕或完全斷裂，甚至有再生骨料出現(xiàn)破壞的情形，而大部分摻入橡膠的混凝土，出現(xiàn)少許裂痕，試塊達(dá)到極限強(qiáng)度后并沒瓦解分離，仍維持其整體性，這發(fā)揮了橡膠良好的延性作用。值得注意的是，當(dāng)橡膠摻量為30%時，再生骨料橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度比原先的再生骨料混凝土的強(qiáng)度要大，一方面是由于再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土，使得再生骨料橡膠混凝土強(qiáng)度的增幅能夠有達(dá)到原先再生骨料混凝土強(qiáng)度的可能性，另一方面是再生骨料表面粗糙、多孔，橡膠的加入可以填充混凝土中粗骨料間的孔隙［11］，即使存在一開始增加孔隙率，抗壓強(qiáng)度減少的情況，但當(dāng)孔隙率大到一定程度，再增加橡膠對抗壓強(qiáng)度的影響較小，也就是橡膠填充對抗壓的增強(qiáng)大于孔隙率對抗壓的削弱從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖2 橡膠摻量對強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of Rubber Content on Strength

在橡膠目數(shù)為40目，摻量分別0%、15%和30%時，混凝土抗折強(qiáng)度分別6.24 MPa、5.96 MPa和5.023 MPa。試驗表明橡膠摻量越多，如圖2?，再生骨料橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度降低越多。這是因為橡膠是有機(jī)材料，與無機(jī)材料水泥石的粘結(jié)力低［12］，且橡膠摻量越大，與水泥石間的薄弱界面就越大，抗折強(qiáng)度就越小。

再生骨料橡膠混凝土抗折試件從破壞形態(tài)上看，與普通再生骨料混凝土（見圖3?、圖3?）相比，再生骨料橡膠混凝土的破壞面裂縫（見圖3?）相對較細(xì)，甚至部分試塊達(dá)到極限強(qiáng)度時，尚未完全裂開。同時，再生骨料橡膠混凝土的破壞面（見圖3?）沿著粗骨料與橡膠水泥砂漿黏結(jié)界面裂開，而非普通混凝土裂開時，粗骨料也被劈開的狀態(tài)。這是由于橡膠具有較好的延性和較高的能量耗散能力，當(dāng)試塊受力時，可以有效傳遞力并且耗散掉一部分能量，阻礙了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，混凝土內(nèi)應(yīng)力重新分布，造成斷面處裂縫無法貫通的情況。

圖3 普通再生骨料混凝土與再生骨料橡膠混凝土的破壞形態(tài)Fig.3 Failure Patterns of Ordinary Recycled Aggregate Concrete and Recycled Aggregate Rubber Concrete

選取橡膠目數(shù)分別為20 目、40 目、60 目，橡膠摻量為15%，再生骨料級粒徑為5～20 mm，橡膠再生骨料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度規(guī)律如圖4所示。橡膠目數(shù)分別為20 目、40 目、60 目時，混凝土抗壓強(qiáng)度分別為34.3 MPa、32.9 MPa、35.6 MPa，隨著橡膠目數(shù)的增大，再生骨料橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小，后增大的趨勢，如圖4?所示。在摻量為15%的情況下，橡膠目數(shù)對于抗折強(qiáng)度無顯著影響，約為5.5 MPa，如圖4?所示。

圖4 橡膠目數(shù)對強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of Rubber Mesh on Strength

2.2 再生粗骨料對強(qiáng)度的影響

在橡膠粒徑為40 目，摻量為15%的條件下，選取再生骨料級配為5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm 再生骨料級的混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如圖5所示。試驗數(shù)據(jù)表明，級配粒徑范圍增加，會使各材料間結(jié)合更加密實，使其抵抗變形的能力增加，進(jìn)而提升抗壓強(qiáng)度。而石子級配粒徑變化，對于抗折強(qiáng)度無明顯影響，總體在6 MPa 的區(qū)間范圍上下波動，這是由于混凝土形成裂縫后，在裂縫尖端形成應(yīng)力集中，但材料性質(zhì)未發(fā)生變化，抗折強(qiáng)度的變化幅度不大。

圖5 再生粗骨料對強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of Recycled Coarse Aggregate on Strength

2.3 3種變量對于強(qiáng)度影響的顯著差異分析

單因素方差分析是用來測試某一個變量的不同水平是否給觀察變量造成顯著差異和變動，有利檢驗幾組樣本總體變化的顯著性。其應(yīng)用需滿足獨(dú)立性，正態(tài)性和方差齊性。

由于本實驗的樣本均為相互獨(dú)立隨機(jī)的樣本，所以以下數(shù)據(jù)均滿足獨(dú)立性要求。

設(shè)石子粒徑為因素A，橡膠目數(shù)為因素B，橡膠摻量為因素C，分別具有3個水平。以石子粒徑為例，其有3個水平，記為A1，A2，A3，具體如表2所示。建立假設(shè)為：

表2 石子粒徑分類情況Tab.2 Classification of Stone Particle Size

單因素方差分析統(tǒng)計量為：

其中，MSA、MSe分別為因素的組間偏差平方和（Between groups）與組內(nèi)偏差平方和（Within groups）。該檢驗的拒絕域為W=｛F≥F1-α（fA，fe）｝，如果F≥F1-α（fA，fe），即Prob＞F的值在拒絕域內(nèi)（＜0.05），則認(rèn)為因素顯著，即因素各水平具有顯著差異。

以表3為例，所有數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)分布檢驗，滿足正態(tài)性要求，之后進(jìn)行3 種變量對于抗壓抗折強(qiáng)度的單因素方差分析，可得，骨料粒徑和橡膠目數(shù)兩種變量對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度同方差檢驗的P值分別為0.582，0.966，0.885，0.935，均大于0.05，滿足方差齊性，Prob＞F的值分別為0.202 8，0.897 2，0.796 9，0.118 0，也均大于0.05，說明以上兩種變量對強(qiáng)度無顯著性差異。

表3 正態(tài)分布檢驗Tab.3 Normal Distribution Test

而橡膠摻量對于抗壓強(qiáng)度同方差檢驗的P值為0.032，小于0.05，不滿足方差齊性檢驗，也就是說當(dāng)前數(shù)據(jù)無法進(jìn)行顯著性差異分析，橡膠摻量對于抗折強(qiáng)度同方差檢驗的P值為0.407，大于0.05，滿足方差齊性，Prob＞F的值為0.030 6，小于0.05，說明橡膠摻量對強(qiáng)度有顯著性差異。

也就是說，骨料粒徑和橡膠目數(shù)變量對于不是影響強(qiáng)度的主要原因，橡膠摻量顯著影響抗折強(qiáng)度變化。

3 結(jié)論

⑴在橡膠摻量為0%～30%的區(qū)間范圍內(nèi)，隨著橡膠摻量的增多，再生骨料橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小，后增大的趨勢；橡膠摻量越多，再生骨料橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度降低越多。

⑵在橡膠目數(shù)為20～60 目的區(qū)間范圍內(nèi)，隨著橡膠目數(shù)的增大，再生骨料橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小，后增大的趨勢；抗折強(qiáng)度無顯著變化。

⑶隨再生粗骨料級配粒徑范圍的增加，抗壓強(qiáng)度增大，對抗折強(qiáng)度沒有明顯影響。

⑷橡膠目數(shù)和再生骨料級配兩個變量對于強(qiáng)度的影響不大，橡膠摻量顯著影響抗折強(qiáng)度變化。