不同粒徑及摻量對(duì)改性橡膠混凝土性能的影響

周愛(ài)強(qiáng)，康俊濤

(1.武漢高科國(guó)有控股集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430000; 2.武漢理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430205)

0 引言

隨著我國(guó)汽車保有量增加,廢舊輪胎數(shù)量也持續(xù)增加,這必然會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊橡膠。廢舊橡膠降解速度緩慢,占用大量土地,一定程度上危害著人類健康,會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,因此,廢舊橡膠的資源化回收利用對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

將廢舊橡膠粉碎化處理成橡膠顆粒作為集料摻入水泥混凝土中制得橡膠水泥混凝土,這樣不僅解決了橡膠處理難的問(wèn)題,還有效地改善了傳統(tǒng)混凝土自重大、脆性高的性能[1]。橡膠混凝土具有輕質(zhì)高彈、耐磨減震、抗裂性好、沖擊韌性高等優(yōu)點(diǎn),已成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)之一[2]。Salem等[3]和王濤等[4]研究了不同摻量下橡膠混凝土力學(xué)性能,結(jié)果表明,隨著橡膠摻量的增加,混凝土力學(xué)性能有不同程度下降,但其韌性則有不同程度提高。Kahtib等[5]研究了橡膠摻量和橡膠顆粒粒徑對(duì)橡膠混凝土的強(qiáng)度影響,得到了混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)與橡膠摻量和粒徑間的關(guān)系。付傳清等[6]研究了摻入不同摻量同一橡膠粒徑的橡膠混凝土的力學(xué)性能,并得到了可供預(yù)測(cè)的橡膠混凝土強(qiáng)度公式。李贊成等[7]和路沙沙等[8]研究了不同粒徑、不同摻量下橡膠混凝土的力學(xué)特性,研究表明在相同摻量下,粒徑越大,橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度越小,抗?jié)B性越好。但是以上研究中對(duì)橡膠混凝土的抗?jié)B性研究較少,且摻量組數(shù)較少,大多研究對(duì)象為普通橡膠混凝土。本文系統(tǒng)研究了在2種橡膠粒徑(1 mm～2 mm,3 mm～5 mm),6種橡膠摻量(0%,5%,10%,15%,20%,25%)下,摻入經(jīng)質(zhì)量濃度為2.5%硅烷偶聯(lián)劑在室溫環(huán)境下處理0.5 h洗凈晾干后的橡膠集料對(duì)改性橡膠混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性的影響,并擬合分析出可供預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)公式。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:P.O42.5普通硅酸鹽水泥;細(xì)集料:細(xì)度模數(shù)為2.4的河砂,其含泥量1.1%、表觀密度2 631.2 kg/m3、堆積密度為1 534.7 kg/m3、孔隙率為41.7%、級(jí)配合格;粗集料:由陜西平溪石料廠生產(chǎn)的碎石,其針片狀顆?？偤?質(zhì)量分?jǐn)?shù))3%、含泥量0.7%、表觀密度2 929.8 kg/m3、松散堆積密度1 638.1 kg/m3、孔隙率44.1%、級(jí)配合格;橡膠集料:由四川華益橡膠有限公司生產(chǎn)的橡膠顆粒,分別是粒徑為1 mm～2 mm的橡膠顆粒a,其表觀密度為1 050.0 kg/m3和粒徑為3 mm～5 mm的橡膠顆粒b,其表觀密度為1 120.0 kg/m3;減水劑:由湖南中巖建材科技有限公司配置的ZY-SR-4聚羧酸減水劑,減水率經(jīng)測(cè)定為23.97%;橡膠預(yù)處理劑:由曙光化工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑(KH560)。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究根據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[9]進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),基準(zhǔn)混凝土的配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=434∶165∶697∶1 238,減水劑用量為6.51 kg/m3。橡膠混凝土分別用粒徑為1 mm～2 mm的橡膠顆粒a和粒徑為3 mm～5 mm的橡膠顆粒b等體積取代細(xì)骨料,取代率為0%,5%,10%,15%,20%,25%。試驗(yàn)具體配合比見(jiàn)表1。表中編號(hào)含義為:RC表示橡膠混凝土,a,b表示摻入的橡膠顆粒粒徑,編號(hào)中數(shù)字表示橡膠摻量,如RCa-5表示橡膠摻量為5%、橡膠顆粒粒徑為1 mm～2 mm的橡膠混凝土。

表1 橡膠混凝土配合比表

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

測(cè)定2種橡膠粒徑分別為1 mm～2 mm,3 mm～5 mm,6種橡膠摻量分別為0%,5%,10%,15%,20%,25%的橡膠混凝土經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的28 d抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及抗?jié)B性能指標(biāo),分析不同橡膠粒徑、摻量下相關(guān)性能指標(biāo)的變化規(guī)律。

本試驗(yàn)采用的橡膠集料在摻入前需經(jīng)過(guò)質(zhì)量濃度為2.5%硅烷偶聯(lián)劑(KH560)在室溫環(huán)境下處理0.5 h后洗凈晾干,試驗(yàn)研究根據(jù)GB/T 50081—2019混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[10]中的規(guī)定方法進(jìn)行。試件數(shù)量及尺寸見(jiàn)表2。

表2 試件尺寸與數(shù)量

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在對(duì)基準(zhǔn)混凝土試件加載過(guò)程中發(fā)現(xiàn),基準(zhǔn)混凝土變形逐漸增大,加載到接近極限荷載時(shí),裂紋突然擴(kuò)展,發(fā)出爆炸聲,發(fā)生脆性破壞,如圖1所示。同一粒徑不同摻量的橡膠混凝土在摻量水平為5%時(shí),發(fā)生的破壞仍為脆性破壞,但隨著摻量水平的提高,破壞時(shí)爆裂聲逐漸減小,當(dāng)摻量水平達(dá)到15%,已無(wú)明顯的爆裂聲,如圖2所示。當(dāng)摻量水平達(dá)到25%時(shí),破壞時(shí)試件表面有較多裂紋,試件中部有明顯外鼓變形,破壞后試件完整性更好,如圖3所示。相同摻量不同粒徑的橡膠混凝土的破壞現(xiàn)象無(wú)顯著差別。橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度隨橡膠摻量發(fā)展規(guī)律如圖4所示。

從圖4中可以看出,不同粒徑的試塊28 d立方體抗壓強(qiáng)度整體上隨著橡膠摻量的增加而降低,其中摻3 mm～5 mm粒徑的試塊立方體抗壓強(qiáng)度的下降幅度略大;當(dāng)摻量水平在10%范圍內(nèi),抗壓強(qiáng)度下降不明顯;當(dāng)摻量水平超過(guò)10%時(shí),抗壓強(qiáng)度快速下降。摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的70.3%～98.6%,摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的68.7%～98.3%。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與橡膠摻量關(guān)系分別如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中,fcca為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度,MPa;fccb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度,MPa;x為橡膠摻量,%。

2.2 靜力受壓彈性模量試驗(yàn)

在對(duì)各組圓柱體試件加載至破壞荷載的過(guò)程中,隨著橡膠摻量的增多,試件在破壞時(shí)也能保持較好的完整性;在相同的橡膠摻量下,摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土相較于摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土在加載過(guò)程中裂縫發(fā)展更為緩慢。橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度及靜力受壓彈性模量隨橡膠摻量發(fā)展規(guī)律如圖5,圖6所示。

從圖5,圖6中可以看出,不同粒徑的試塊軸心抗壓強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量整體上隨著橡膠摻量的增加而降低,當(dāng)摻量水平超過(guò)15%時(shí),橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降更加明顯;當(dāng)橡膠摻量相同時(shí),摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量總體上比摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的低。摻1 mm～2 mm的橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為基準(zhǔn)混凝土的69.4%～98.4%,68.1%～97.0%,摻3 mm～5 mm的橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為基準(zhǔn)混凝土的66.1%～98.8%,67.3%～94.5%。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與橡膠摻量關(guān)系分別如式(3),式(4)所示,靜力受壓彈性模量與橡膠摻量關(guān)系分別如式(5),式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,fcpa為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度,MPa;fcpb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度,MPa;Eca為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的靜力受壓彈性模量,GPa;Ecb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的靜力受壓彈性模量,GPa;x為橡膠摻量,%。

2.3 抗?jié)B性試驗(yàn)

本次抗?jié)B性試驗(yàn)采用滲水高度法進(jìn)行,試驗(yàn)設(shè)備為HP-4.0混凝土抗?jié)B儀。試件養(yǎng)護(hù)至齡期后取出,采用液態(tài)石蠟對(duì)試件側(cè)面做密封處理。將處理完成后的試件安裝到抗?jié)B儀上,加水壓力24 h后降壓,從試模中取出試件后將其劈裂,觀察各試件內(nèi)部滲水情況,如圖7,圖8所示;記錄滲水高度,并計(jì)算平均滲水高度及相對(duì)滲透系數(shù)。為方便數(shù)據(jù)分析與計(jì)算,將相對(duì)滲透系數(shù)Sk取對(duì)數(shù),試件lg(Sk)與橡膠摻量的發(fā)展規(guī)律如圖9所示。

從圖9中可以看出,摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的滲透系數(shù)先降低后升高;相應(yīng)地,當(dāng)摻量水平在15%以內(nèi)時(shí),其抗?jié)B性能隨著橡膠摻量的增加而提高;當(dāng)摻量水平大于15%時(shí),其抗?jié)B性能隨著橡膠摻量的增加而降低,但其抗?jié)B性能整體上高于基準(zhǔn)水泥混凝土。摻3 mm～5 mm的橡膠混凝土的滲透系數(shù)相較于摻1 mm～2 mm的橡膠混凝土降低幅度很小,且與基準(zhǔn)水泥混凝土相比,其滲透系數(shù)也是先降低后升高,當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí),其抗?jié)B性能甚至低于基準(zhǔn)水泥混凝土。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土lg(Sk)與橡膠摻量關(guān)系分別如式(7),式(8)所示。

(7)

(8)

其中,lg(Ska)為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)Ska取對(duì)數(shù),m/s;lg(Skb)為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)Skb取對(duì)數(shù),m/s;x為橡膠摻量,%。

3 結(jié)論

1)隨著橡膠摻量的增加,橡膠混凝土的力學(xué)性能不斷降低,摻1 mm～2 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土的降低幅度更小。由于橡膠顆粒的彈性模量顯著低于粗細(xì)集料,橡膠顆粒的摻入使普通混凝土內(nèi)部分布了較多的小彈性體,提高了混凝土的韌性,但同時(shí)也降低了其強(qiáng)度,可應(yīng)用于對(duì)強(qiáng)度要求不高的道路面層。

2)摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的抗?jié)B性能要優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土,且在摻量水平為15%時(shí),抗?jié)B性能最佳。由于橡膠材料為疏水材料,可有效減小混凝土內(nèi)部水的滲流,降低毛細(xì)作用,從而提高橡膠混凝土的抗?jié)B性。

3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到了可供預(yù)測(cè)的橡膠混凝土強(qiáng)度、彈性模量以及相對(duì)滲透系數(shù)隨摻量的變化關(guān)系式,并綜合分析后得出:橡膠粒徑為1 mm～2 mm,橡膠摻量為15%時(shí),橡膠混凝土的綜合性能相對(duì)優(yōu)越。