廢棄橡膠粉改良水泥混凝土路面性能試驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目：

2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“行車振動(dòng)對(duì)C40混凝土的力學(xué)性能影響”（編號(hào)：2019KY1337）

作者簡(jiǎn)介：

劉貞鵬（1989—），碩士，講師，研究方向：道路建筑材料。

摘要：為了提升水泥混凝土路面的性能，充分利用廢棄橡膠，文章采用不同摻量和目數(shù)（粒徑）下的廢棄橡膠粉對(duì)水泥混凝土進(jìn)行了改良試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著廢棄橡膠粉摻量增加，水泥混凝土強(qiáng)度、撞擊分貝、干縮率、電通量以及質(zhì)量損失率逐漸降低，首裂次數(shù)和終裂次數(shù)逐漸增大；隨著廢棄橡膠粉目數(shù)的增加，水泥混凝土的強(qiáng)度、干縮率、質(zhì)量損失率逐漸降低，首裂次數(shù)和終裂次數(shù)逐漸增大；摻入廢棄橡膠粉除了對(duì)強(qiáng)度不利之外，對(duì)其他力學(xué)性能具有一定的改善作用；綜合各種性能參數(shù)，建議廢棄橡膠粉的目數(shù)≤30，摻量宜為10%～15%。

關(guān)鍵詞：廢棄橡膠粉；水泥混凝土；摻量；目數(shù)；性能改良

中圖分類號(hào)：U416.03 A 02 004 3

0 引言

淘汰的廢舊輪胎不僅占用大量土地資源，而且對(duì)環(huán)境造成了巨大的破壞［1］。由于橡膠輪胎具有高穩(wěn)定性、高耐磨性和高抗老化性，在自然條件下很難降解，目前對(duì)廢棄橡膠的利用以生產(chǎn)再生膠為主，但這種工藝的生產(chǎn)過程十分繁瑣，需要消耗大量能源，同時(shí)產(chǎn)生很多廢棄物，對(duì)環(huán)境造成極大污染［2-3］。因此豐富廢棄橡膠輪胎的利用方式、提高廢棄輪胎的利用率成為當(dāng)務(wù)之急。

水泥混凝土路面是一種常用的路面結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、抗沖刷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但經(jīng)常出現(xiàn)斷板、表面裂縫損壞、接縫損壞等多種問題，同時(shí)在施工后容易發(fā)生干裂現(xiàn)象，因此有必要對(duì)其進(jìn)行改良［4-5］。廢棄橡膠粉作為一種彈性材料，可以很好地抵抗應(yīng)力和變形的影響，如果將其摻入水泥混凝土路面，不僅可以減少水泥用量、降低水化熱的產(chǎn)生，減少裂縫的出現(xiàn)，還可以在很大程度上緩解廢舊輪胎對(duì)環(huán)境造成的壓力。因此，有必要開展廢棄橡膠粉改良水泥混凝土路面性能試驗(yàn)研究［6-8］。

基于前人研究理論和經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)不同摻量和目數(shù)的廢棄橡膠粉改良水泥混凝土的性能進(jìn)行了研究，從強(qiáng)度、抗沖擊、降噪、收縮、抗氯離子滲透以及抗凍等多個(gè)方面探討廢棄橡膠粉對(duì)水泥混凝土性能的改良效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.1%，初凝時(shí)間為150 min，終凝時(shí)間為255 min，3 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為26 MPa和4.7 MPa，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為52.5 MPa和7.5 MPa。

粗集料：將粒徑5～30 mm的集料分為5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm三檔，密度分別為2.732 g/cm3、2.786 g/cm3和2.789 g/cm3，含泥量分別為0.6%、0.4%和0.3%，針片狀含量分別為8%、7.6%和6.3%。三檔集料按照2∶5∶3的比例混摻。

細(xì)集料：中砂（粒徑＜4.75 mm），細(xì)度模數(shù)為2.75，表觀密度為2.782 g/cm3，含泥量為1.5%，孔隙率為42%。

廢棄橡膠粉：由某膠粉廠生產(chǎn)，橡膠粉分為10目、20目、30目和60目四種類型，篩余物含量為5.1%，水分含量為0.1%，金屬含量為0.001%，纖維含量為0.2%，丙酮抽出物為3.2%，炭黑含量為30%，橡膠烴含量為60%。

減水劑：減水率為25.5%，收縮比為7.2%，氯離子含量為0.01%，堿含量為0.36%，硫酸鈉含量為1.22%，pH=7.1。

1.2 配合比方案設(shè)計(jì)

按照中等交通荷載級(jí)別（即28 d抗折強(qiáng)度為4.5 MPa）設(shè)計(jì)水泥混凝土的配合比，初步得到試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比為：水灰比0.38（水泥375 kg/m3，水150 kg/m3），砂率為34%，集料總量為1 925 kg/m3。對(duì)四種不同類型廢棄橡膠粉在不同摻量下的物理力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究，摻量分別為0、5%、10%和15%（替代水泥量），具體試驗(yàn)方案見表1。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

按照表1的配合比方案配制水泥混凝土，并將其制作成對(duì)應(yīng)尺寸的試驗(yàn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后分別開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖擊性能試驗(yàn)、降噪性能試驗(yàn)、收縮性能試驗(yàn)、抗氯離子滲透試驗(yàn)以及抗凍試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度性能

不同配合比方案下，廢棄橡膠粉改良水泥混凝土的強(qiáng)度特征見圖1。由圖1可知：相同目數(shù)橡膠粉下，隨著摻量的增加，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸減小。這是因?yàn)橄鹉z粉作為一種有機(jī)高分子材料，不能像水泥一樣產(chǎn)生水化反應(yīng)生成膠結(jié)物質(zhì)，且其與水泥漿體的粘結(jié)程度不高，因而造成水泥混凝土強(qiáng)度下降。在相同摻量下，廢棄橡膠粉的目數(shù)越大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度越低，這是因?yàn)槟繑?shù)越大，廢棄橡膠粉的粒徑越小、顆粒越多，并廣泛分布于水泥混凝土中，橡膠粉與水泥漿體的結(jié)合面增加，減小了砂子、石子與水泥漿體的結(jié)合面積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)之間膠結(jié)聯(lián)結(jié)力減小，因而強(qiáng)度降低，故廢棄橡膠粉的摻量不宜過多。

2.2 抗沖擊性能

采用落球沖擊試驗(yàn)法測(cè)得各配合比下水泥混凝土產(chǎn)生第一條裂縫的沖擊次數(shù)和最終破壞的沖擊次數(shù)情況（見圖2）。由圖2可知：在相同目數(shù)橡膠粉下，隨著廢棄橡膠粉摻量的增加，初裂沖擊次數(shù)和終裂沖擊次數(shù)均呈逐漸增加的趨勢(shì)。在相同摻量下，摻入目數(shù)越大的廢棄橡膠粉，水泥混凝土的初裂沖擊次數(shù)和終裂沖擊次數(shù)也呈逐漸增加的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是橡膠粉的彈性模量小，降低了水泥混凝土的脆性，使其具有較強(qiáng)的變形能力。橡膠粉粒徑越小，摻量越多，越能均勻分布在水泥混凝土中，因此抗沖擊性能越好。

2.3 降噪性能

采用橡膠球撞擊法測(cè)試得到不同配合比下水泥混凝土分貝值情況（見圖3）。由圖3可知：在相同目數(shù)橡膠粉下，隨著摻量的增加，分貝數(shù)呈逐漸減小的變化特征，水泥混凝土的抗噪性能越好；在相同摻量下，摻入目數(shù)越大的廢棄橡膠粉，分貝數(shù)高，但相差不是很大。這說明廢棄橡膠粉的摻量是影響水泥混凝土抗噪性能的主要因素。摻量越大，水泥混凝土的脆性越弱，變形能力越強(qiáng)，可以吸收的撞擊能量越多，故而產(chǎn)生的噪音越小。

2.4 收縮性能

不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土干縮率隨時(shí)間的變化特征見圖4。由圖4可知，隨著時(shí)間的增加，干縮率呈對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度隨著時(shí)間增加而逐漸降低。摻入目數(shù)為10的廢棄橡膠粉時(shí)，0、5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為348×10-6、325×10-6、298×10-6和264×10-6。摻入目數(shù)為20的廢棄橡膠粉時(shí)，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為288×10-6、276×10-6和257×10-6。摻入目數(shù)為30的廢棄橡膠粉時(shí)，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為257×10-6、246×10-6和231×10-6。摻入目數(shù)為60的廢棄橡膠粉時(shí)，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為233×10-6、217×10-6和194×10-6。由此可見，廢棄橡膠粉摻量越多，目數(shù)越大，水泥混凝土的干縮率越小，可以減少路面混凝土結(jié)構(gòu)干裂縫的產(chǎn)生。這是因?yàn)閾饺霃U棄橡膠粉后，減少了水泥用量，可以減少水化反應(yīng)對(duì)混凝土內(nèi)部水分的消耗。同時(shí)廢棄橡膠粉具有彈性變形能力，可以緩解因水分消耗和蒸發(fā)引起的毛細(xì)孔壓力對(duì)混凝土產(chǎn)生的收縮變形，使早期收縮變形減小。

2.5 抗氯離子滲透性能

采用電通量法對(duì)不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土進(jìn)行電通量試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知：相同橡膠粉目數(shù)下，隨著摻量的增加，水泥混凝土的電通量越??；相同摻量下，目數(shù)越大，電通量越小，但相差不大。說明橡膠粉摻量是影響水泥混凝土抗氯離子滲透性的主要因素，原因是廢棄橡膠粉作為一種有機(jī)高分子材料，具有絕緣作用，不能作為導(dǎo)體進(jìn)行傳導(dǎo)。當(dāng)氯離子滲透到混凝土中遇到橡膠粉時(shí)，必須改變?cè)械臐B透路徑，從而極大地緩解了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度，提高了水泥混凝土路面的抗氯離子滲透能力。

2.6 抗凍性能

采用快速凍融法對(duì)不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，測(cè)得質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見后頁圖6。由圖6可知：不摻入廢棄橡膠粉時(shí)，水泥混凝土的質(zhì)量損失率在經(jīng)過125次凍融循環(huán)后就達(dá)到了5.2%，此時(shí)停止試驗(yàn)；摻入5%的10目廢棄橡膠粉時(shí)，當(dāng)經(jīng)歷175次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率也達(dá)到了5.2%，此時(shí)停止試驗(yàn)，其余試驗(yàn)組均進(jìn)行了200次凍融循環(huán)。當(dāng)摻入相同目數(shù)廢棄橡膠粉時(shí)，隨著摻量增加，質(zhì)量損失率越??；當(dāng)廢棄橡膠粉摻量相同時(shí)，目數(shù)越大，質(zhì)量損失率越小。說明摻入粒徑越小、越多的廢棄橡膠粉，水泥混凝土路面的抗凍性越好。這是因?yàn)閺U棄橡膠粉是一種彈性材料，在水泥混凝土中可作為受力中心，緩解溫差應(yīng)力和膨脹應(yīng)力，抑制凍融循環(huán)下裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

3 結(jié)語

（1）廢棄橡膠粉是一種有機(jī)高分子材料，等量替換水泥后減少了水化反應(yīng)，同時(shí)與水泥漿體的粘結(jié)程度不高，但其具有較強(qiáng)的彈性變形能力，可以吸收外界能量，緩解變形。因此，摻入廢棄橡膠粉有利于抗沖擊性能、降噪性能、收縮性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能，但不利于強(qiáng)度性能。摻量越多，這些性能的改良效果越明顯。

（2）廢棄橡膠粉的目數(shù)（粒徑）也是影響水泥混凝土性能的因素之一。隨著目數(shù)的增加，強(qiáng)度逐漸減低，但抗沖擊性能、收縮性能以及抗凍性能明顯提升。目數(shù)對(duì)抗噪性能和抗氯離子滲透性能的影響不是很明顯。

（3）鑒于廢棄橡膠粉對(duì)水泥混凝土路面的改良效果，表明其具有很好的路用價(jià)值，同時(shí)為了最大程度替代水泥用量，以降低工程造價(jià)，建議廢棄橡膠粉的目數(shù)≤30，摻量宜為10%～15%。

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收稿日期：2022-10-16