摻加橡膠顆粒透水混凝土的路用性能

裴福才　李強(qiáng)　李峰

摘要：為研究摻加橡膠顆粒透水混凝土的性能，選用粒徑分別為2.00、0.60、0.18 mm的等體積橡膠顆粒替代粒徑為2.36～4.75 mm的細(xì)集料，制備透水混凝土，橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比分別為0.05、0.10、0.15，研究橡膠顆粒對透水混凝土透水性、力學(xué)性能及抗凍性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨橡膠顆粒與水泥質(zhì)量比的增大，透水混凝土試件的連通空隙率、透水速率及抗凍融性提高，抗壓強(qiáng)度和抗變形能力減??；隨橡膠顆粒粒徑的減小，透水混凝土試件的連通空隙率、透水速率減小，抗壓強(qiáng)度提高，抗凍性能變化不大。粒徑為0.18 mm的橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比為0.05時(shí)，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力最佳。摻橡膠顆粒透水混凝土的抗凍融性能明顯優(yōu)于普通透水混凝土，粒徑為0.18 mm的橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比為0.10時(shí)透水混凝土的抗凍融性能最好。

關(guān)鍵詞：橡膠顆粒；透水混凝土；透水性能；抗壓強(qiáng)度；抗凍融性；抗變形能力

中圖分類號：U416.216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0037-06

引用格式：裴福才，李強(qiáng)，李峰.摻加橡膠顆粒透水混凝土的路用性能［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（1）：37-42.

PEI Fucai，LI Qiang， LI Feng. Pavement performance of permeable concrete mixed with rubber particles［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：37-42.

0 引言

隨海綿城市的蓬勃發(fā)展，透水混凝土因透水、透氣等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛，可緩解城市內(nèi)澇，補(bǔ)充地下水，調(diào)節(jié)城市溫濕度，有效緩解城市的熱島效應(yīng)，研究透水混凝土的性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

通過加入硅粉、外加劑、纖維等材料可改善透水混凝土的路用性能。劉秋美等[2]發(fā)現(xiàn)橡膠顆?？商岣咄杆炷恋膹椥阅Ａ?，但抗壓強(qiáng)度和透水性降低。Ganjian等[3]研究表明透水混凝土的抗拉壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒用量的增大而先增大后減小。陳永鋒等[4]發(fā)現(xiàn)摻入橡膠顆粒使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度大幅減小，柔韌性提升，對透水性的影響不明顯。張登祥等[5]試驗(yàn)研究表明橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比顯著影響透水混凝土的耐磨耗性能。毛阿妮[6]研究橡膠顆粒的粒徑及其與水泥的質(zhì)量比對透水混凝土的耐磨耗性能及抗凍融性能的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比為0.03時(shí)，透水混凝土的路用性能最好。解偉等[7]發(fā)現(xiàn)透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能隨橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比的增大而減弱。范程程[8]研究橡膠再生透水混凝土，結(jié)果表明摻入橡膠顆粒后透水混凝土的力學(xué)性能降低，韌性明顯提高。楊春峰等[9]發(fā)現(xiàn)較細(xì)的橡膠顆粒能提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。秦金洲等[10]研究透水混凝土性能的影響因素，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒細(xì)度顯著影響透水混凝土的抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)，其次為錘擊次數(shù)、透水混凝土增強(qiáng)劑與水泥的質(zhì)量比。Su等[11]采用3.0、0.5、0.3 mm 3組單種橡膠顆粒樣品和連續(xù)尺寸分級的樣品，等體積代替20%的天然細(xì)骨料，研究發(fā)現(xiàn)與單一尺寸的橡膠顆粒相比，連續(xù)分級的橡膠混合物的透水性更好。Zhang等[12]、Li等[13]發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的柔軟特性有利于減少水泥砂漿的干收縮，提高透水混凝土的耐凍性。Gupta等[14]將橡膠聚合物加入透水混凝土，減小透水混凝土在酸腐蝕環(huán)境中的質(zhì)量損失。

為提高橡膠顆粒透水混凝土的性能，可對橡膠進(jìn)行化學(xué)處理。周游[15]采用NaOH溶液和氧化-尿素改性廢舊橡膠，發(fā)現(xiàn)改性后的橡膠與水泥漿的黏結(jié)作用更好，界面裂縫明顯縮小。陳永鋒等[16]發(fā)現(xiàn)采用硅烷偶聯(lián)劑對廢舊橡膠顆粒改性可極大地改善橡膠透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。Pelisser等[17]發(fā)現(xiàn)將橡膠經(jīng)NaOH溶液處理后再加入硅粉，有助于恢復(fù)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。Khern等 [18]同時(shí)用NaOH溶液和次氯酸鈣溶液處理廢棄輪胎橡膠，可明顯改善透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。已有文獻(xiàn)多研究摻入橡膠及橡膠混合物對透水混凝土性能的影響，但未系統(tǒng)研究橡膠顆粒粒徑及質(zhì)量對透水混凝土力學(xué)性能的影響。

本文研究摻加橡膠顆粒不同粒徑、不同用量時(shí)，透水混凝土試件的透水性、抗壓強(qiáng)度及抗凍融性能的變化規(guī)律，以期提高透水混凝土的路用性能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試件制備

試驗(yàn)采用P.O 42.5硅酸鹽水泥，粗集料為臨沂產(chǎn)玄武巖碎石，集料粒徑分別為2.36～4.75、>4.75～9.5、>9.5～13.2 mm，3個(gè)梯度集料的質(zhì)量比為2：7：10。橡膠顆粒的密度為1.12 g/cm 吸水率小于10%。

依據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，水灰比通常為0.25～0.40，設(shè)定本試驗(yàn)水灰比為0.30。為確保透排水功能正常，設(shè)定目標(biāo)空隙率為18%。確定骨料間隙率，依據(jù)目標(biāo)空隙率采用體積法確定水泥及用水量。選用粒徑d分別為2.00、0.60、0.18 mm的橡膠顆粒，設(shè)計(jì)3種制備方案，橡膠顆粒與水泥的質(zhì)量比m分別為0.05、0.10、0.15，等體積取代粒徑為2.36～4.75 mm的細(xì)集料，每m3透水混凝土水的用量為99.59 kg，水泥的用量均為331.95 kg，未摻橡膠顆粒的集料的用量為1 676.38 kg。透水混凝土材料用量如表1所示。

按材料配比稱出各材料用量，采用二次投料法充分混合各原材料，將集料與1/3的水倒入攪拌機(jī)混合，攪拌30 s后倒入水泥、橡膠顆粒等材料，攪拌60 s后將剩余的水加入攪拌機(jī)中，再攪拌60 s后停止。為使混合料中的集料充分嵌鎖，裝料后對試件進(jìn)行擊實(shí)成型，試件的長、寬、高分別為100、100、100 mm，保證材料處于緊密堆積狀態(tài)。將密實(shí)后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7、28 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測試。

2 透水性能

對養(yǎng)護(hù)28 d的試件進(jìn)行空隙率和滲水能力測試，采用無壓力滲水儀測試滲水，模擬自然降水條件下試件的透水能力，不同試件的連通空隙率和透水速率如表2所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土試件的連通空隙率為14.96%，透水速率為7.75 mm/s。

由表2可知：橡膠顆粒粒徑對透水混凝土的連通空隙率有較大影響，橡膠顆粒用量一定時(shí)，隨橡膠顆粒粒徑的減小，連通空隙率減小，m=0.05時(shí)的透水速率增大，m=0.10，0.15時(shí)的透水速率減小。橡膠顆粒粒徑為2.00 mm時(shí)，透水混凝土的連通空隙率、透水速率隨橡膠顆粒用量的增大而增大；橡膠顆粒粒徑為0.60、0.18 mm時(shí)，透水混凝土的連通空隙率、透水速率隨橡膠顆粒用量的增大而減小。粒徑較小（粒度較細(xì)）的橡膠顆粒不利于透水混凝土試件密實(shí)成型，橡膠顆粒變形大，對成型功起緩沖耗散作用，影響骨料的嵌鎖密實(shí)。粒徑目數(shù)較小的橡膠顆粒對骨料間空隙起填充作用，減小空隙率[19-20]。

3 力學(xué)性能

3.1 抗壓強(qiáng)度

測試分別養(yǎng)護(hù)7、28 d的透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，分析橡膠顆粒粒徑及用量對透水混凝土性能的影響，結(jié)果如表3所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土養(yǎng)護(hù)7、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為17.60、21.60 MPa。

由表3可知：制備方案、養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度基本隨橡膠顆粒粒徑的減小而增大；養(yǎng)護(hù)齡期相同、橡膠顆粒粒徑相同時(shí)，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒用量的增大而減小，且橡膠顆粒用量越大，試件的抗壓強(qiáng)度減小幅度越大。

橡膠顆粒的粒徑為0.18 mm、m=0.10時(shí)制備的透水混凝土試件，養(yǎng)護(hù)7 d后的抗壓強(qiáng)度與未摻橡膠顆粒的試件相比變化不大，養(yǎng)護(hù)28 d后前者的抗壓強(qiáng)度卻有一定程度增大。隨橡膠顆粒與水泥質(zhì)量比的繼續(xù)增大，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度快速減小。主要原因是適量的細(xì)橡膠顆粒能填充透水混凝土粗集料間的空隙，使混凝土更密實(shí)，增大粗集料間的黏結(jié)面積，增大透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。橡膠顆粒剛度小，與水泥的結(jié)合能力差，橡膠顆粒較多時(shí)，大量水泥漿裹覆在橡膠顆粒表面，集料周圍的水泥漿包裹厚度減小，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度減小[21]。

3.2 抗變形能力

不同透水混凝土的破壞形態(tài)如圖1所示，摻橡膠顆粒試件的破壞形態(tài)有明顯的塑性特征。橡膠顆粒粒徑為0.18 mm時(shí)，m=0.05時(shí)制備的透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最大。透水混凝土多應(yīng)用在非機(jī)動(dòng)車道、廣場和停車場等地，路面作用荷載較小，變形能力對透水混凝土的開裂有重要影響。研究養(yǎng)護(hù)7 d、橡膠顆粒粒徑為80目的透水混凝土試件在荷載作用下的抗變形能力，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：各透水混凝土試件的位移均隨荷載的增大而增大，荷載增大到一定范圍后位移繼續(xù)增大，荷載減?。煌杆炷猎嚰奈灰齐S橡膠顆粒用量的增大在加載初期基本相同，隨荷載繼續(xù)增大而迅速增大，且位移-荷載曲線差異顯著，最大荷載對應(yīng)的試件位移隨橡膠顆粒用量的增大而顯著增大。m=0.05時(shí)制備的試件的位移-荷載曲線與未摻加橡膠顆粒的試件相似，二者在加載初期差異明顯，前者的初始位移增大較快，隨荷載繼續(xù)增大，前者的荷載-位移曲線的斜率與后者接近。因此，摻入少量橡膠顆?？商岣咄杆炷恋目棺冃文芰?。

摻加橡膠顆?？商嵘杆炷恋捻g性，提高抗變形能力。橡膠顆粒的彈性模量比骨料和硬化水泥漿體小，但變形恢復(fù)能力強(qiáng)。透水混凝土中的橡膠顆粒被水泥漿體包裹形成水泥膠漿，橡膠顆粒較少時(shí)，橡膠顆粒間距較大，水泥膠漿的性質(zhì)主要由水泥硬化產(chǎn)物性質(zhì)決定；橡膠顆粒較多時(shí)，橡膠顆粒間逐漸形成骨架，水泥膠漿的性質(zhì)明顯受橡膠顆粒影響。橡膠顆粒的用量有合理范圍，摻加粒徑為80目的橡膠顆粒m=0.10時(shí)有利于提升透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。

3.3 抗凍性能

對制備的試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，比較不同凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠顆粒粒徑和用量對透水混凝土抗凍性能的影響。凍融試驗(yàn)前測試各組試件的初始抗壓強(qiáng)度。不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度與初始抗壓強(qiáng)度之比為殘留凍融強(qiáng)度比，作為抗凍融能力的評價(jià)指標(biāo)。透水混凝土的空隙率較大，空隙被水填滿的情況較少，試件先浸水24 h，取出放置10 min，使部分水自由流出后再進(jìn)行凍融試驗(yàn)，不同透水混凝土試件的殘留凍融強(qiáng)度比如表4所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土試件凍融50、100、150次的殘留凍融強(qiáng)度比分別為0.94、0.89、0.82。

由表4可知：摻橡膠顆粒試件的殘留凍融強(qiáng)度比均比未摻加橡膠顆粒的試件大，摻加橡膠顆粒明顯改善透水混凝土的抗凍性能；同一制備方案、橡膠顆粒粒徑相同時(shí)，透水混凝土試件的殘留凍融強(qiáng)度比均隨凍融次數(shù)的增大而減?。幌鹉z顆粒粒徑相同、凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨橡膠顆粒用量的增大，試件的殘留凍融強(qiáng)度比變化不大；同一制備方案、凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨橡膠顆粒粒徑的減小，試件的殘留凍融強(qiáng)度比變化不大。m=0.15時(shí)透水混凝土試件的殘留凍融強(qiáng)度比最大。

透水混凝土中宏觀空隙較多，凍融過程中可消耗一部分水分體積膨脹造成的壓力，但水泥硬化漿體及其與骨料間的界面過渡區(qū)產(chǎn)生凍融微細(xì)觀損傷。加入橡膠顆粒后，橡膠顆粒受力發(fā)生彈性變形，消耗部分水泥漿體內(nèi)微小空隙及漿體間的封閉空隙中由水分結(jié)冰膨脹造成的壓力，減少漿體及界面的破壞。橡膠顆粒太多時(shí)，水泥漿體對橡膠顆粒的包裹厚度較小，二者的界面黏結(jié)作用變?nèi)?，凍融作用下易在水泥漿-橡膠顆粒材料界面產(chǎn)生損害，透水混凝土的抗凍性能降低。

4 結(jié)論

1）橡膠顆粒粒徑和用量對透水混凝土的連通空隙率和透水能力均有明顯影響。隨粒徑目數(shù)相對較小的橡膠顆粒用量的增大，透水混凝土的連通空隙率顯著減小，透水能力降低。隨粒徑目數(shù)相對較大的橡膠顆粒用量增大時(shí)，透水混凝土試件不易密實(shí)成型，透水混凝土的連通空隙率增大。

2）隨橡膠顆粒用量的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。橡膠顆粒用量相同時(shí)，粒徑為80目的橡膠顆粒的透水混凝土抗壓強(qiáng)度較高；橡膠顆粒用量較小時(shí)，透水混凝土的抗變形能力顯著提高。

3）橡膠顆粒用量相同時(shí)，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增大而減小，一定量的橡膠顆粒可提高透水混凝土的抗凍融能力。凍融環(huán)境下，綜合考慮透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和殘留凍融強(qiáng)度比，應(yīng)摻加粒徑為80目的橡膠顆粒，與水泥的質(zhì)量比為0.10。

后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究更細(xì)橡膠顆粒的合理用量，分析橡膠顆粒與水泥漿體的相互作用機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

[1]李斌. 摻橡膠顆粒透水混凝土的性能研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2017.

[2]劉秋美，皮亮，楊艷萍，等.稻殼灰橡膠透水混凝土的制備及性能研究[J].貴州農(nóng)機(jī)化，2021（1）：18-21.

[3]GANJIAN E， KHORAMI M， MAGHSOUDI A A. Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete[J].Construction and Building Materials， 2009， 23（5）：1828-1836.

[4]陳永鋒，袁松年，任雋豐，等.談硅烷偶聯(lián)劑對橡膠透水混凝土強(qiáng)度提升效果[J].山西建筑，202 47（5）：108-110.

[5]張登祥，毛阿妮.廢舊橡膠微粒對透水混凝土耐磨耗性能影響試驗(yàn)[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，16（2）：57-61.

[6]毛阿妮. 乳膠粉及橡膠對透水混凝土磨耗及凍融性能的影響研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2019.

[7]解偉，范程程，陳愛玖，等.再生骨料和橡膠顆粒對透水混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36（5）：1492-1498.

[8]范程程. 橡膠再生透水混凝土基本性能試驗(yàn)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2017.

[9]楊春峰，孫明博，王培竹.廢舊橡膠集料透水混凝土強(qiáng)度和透水性能試驗(yàn)[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，26（3）：227-229.

[10]秦金洲，梁曉暉.廢舊橡膠顆粒再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水性能正交試驗(yàn)研究[J].中國建材科技，202 30（5）：55-58.

[11]SU H， YANG J， LING T C， et al. Properties of concrete prepared with waste tyre rubber particles of uniform and varying sizes[J].Journal of Cleaner Production， 2015， 91：288-296.

[12]ZHANG Y M， CHEN S X， CHEN B， et al. Dry shrinkage， frost resistance and permeability of rubber included concrete[J].Key Engineering Materials， 2006（302/303）：120-124.

[13]LI Y， ZHANG S， WANG R， et al. Potential use of waste tire rubber as aggregate in cementconcrete：a comprehensive review[J].Construction and Building Materials， 2019， 225：1183-1201.

[14]GUPTA T， SIDDIQUE S， SHARMA R K， et al. Behaviour of waste rubber powder and hybrid rubber concrete in aggressive environment[J].Construction and Building Materials， 2019， 217：283-291.

[15]周游. 改性廢舊橡膠透水混凝土基本性能研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2021.

[16]陳永鋒，袁松年，任雋豐，等.橡膠顆粒對透水混凝土強(qiáng)度和透水性能影響研究[J].山西建筑，2020，46（15）：3-5.

[17]PELISSER F， ZAVARISE N， LONGO T A， et al. Concrete made with recycled tire rubber：effect of alkaline activation and silica fume addition[J].Journal of Cleaner Production， 20119（6/7）：757-763.

[18]KHERN Y C， PAUL S C， KONG S Y， et al. Impact of chemically treated waste rubber tire aggregates on mechanical， durability and thermal properties of concrete[J].Frontiers in Materials， 2020， 7：90.

[19]路沙沙，麻鳳海，鄧飛.橡膠顆粒摻量、粒徑影響橡膠混凝土性能的試驗(yàn)分析[J].硅酸鹽通報(bào)， 2014， 33（10）：2477-2483.

[20]張茂林，杜紅秀.聚丙烯纖維及橡膠顆粒對透水混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)， 2018，37（4）：1303-1308.

[21]陳永鋒，袁松年，任雋豐，等.橡膠顆粒對透水混凝土強(qiáng)度和透水性能影響研究[J].山西建筑， 2020，46（15）：3-5.

Pavement performance of permeable concrete mixed with rubber particles

PEI FucaiLI QiangLI Feng2

Abstract：To study the performance of permeable concrete with rubber particles， rubber particles with diameters of 2.00， 0.60， and 0.18 mm are selected and mixed with concrete. The mass ratios of rubber particles to cement are 0.05， 0.10， and 0.15， respectively. The fine aggregate with particle size of 2.36 to 4.75 mm is replaced with equivalent volume by rubber particles. The effects of rubber particles on the permeability， mechanical properties， and freeze-thaw resistance of permeable concrete are investigated. Experimental results show that as the mass ratio of rubber particles to cement increases， the connected void ratio， permeability rate， and freeze-thaw resistance of the concrete specimens improves， while the compressive strength and deformation resistance decreases. As the particle size of rubber particles decreases， the connected void ratio and water permeability rate of the permeable concrete specimens decreases， while the compressive strength increases slightly， and the freeze-thaw performance remains relatively stable. When the mass ratio of 0.18 mm rubber particles to cement is 0.05， the compressive strength and deformation resistance of the permeable concrete specimens are the best. The freeze-thaw resistance of rubber particle-modified permeable concrete is significantly better than that of ordinary permeable concrete. When the mass ratio of 0.18 mm rubber particles to cement is 0.10， the freeze-thaw resistance of permeable concrete is the highest.

Keywords：rubber particle; permeable concrete; permeability; compressive strength; freeze-thaw resistance; deformation resistance

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2022-04-25

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2021ME004）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目（2020-K-063）

第一作者簡介：裴福才（1982—），男，山東菏澤人，高級工程師，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)楦咚俟方ㄔO(shè)，E-mail：747082124@qq.com。