橡膠混凝土力學性能與耐久性試驗

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摘要：研究了橡膠顆粒摻量（等質(zhì)量取代細骨料）對橡膠混凝土抗壓強度、抗折強度、密度、吸水率和耐磨性的影響，同時還使用XRD、SEM和光學顯微鏡對微觀結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)果表明：隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的和易性降低；橡膠顆粒摻量為4%時，混凝土的抗壓強度和抗折強度略有下降，吸水性和耐磨性受到輕微影響?？梢杂孟鹉z顆粒取代4%細骨料制備用于非結(jié)構(gòu)性混凝土構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：橡膠混凝土；吸水率；耐磨性；耐久性

引言

由于汽車行業(yè)的快速增長，廢舊橡膠輪胎的處理成為一個急需解決的問題。用廢舊橡膠顆粒制備橡膠混凝土，可以減少河砂等細骨料的用量。近些年來關(guān)于橡膠混凝土的研究持續(xù)增多。Gupta等[1]的研究表明，利用橡膠顆粒替代部分細骨料時混凝土的工作性降低。Al-Tayeb等[2]和Dong等[3]的研究表明，隨橡膠摻量增加，橡膠混凝土的強度降低。Benazzouk等[4]的研究指出，摻加橡膠顆粒后混凝土強度的降低可能是由于橡膠顆粒的硬度低于水泥漿，以及橡膠顆粒周圍存在裂縫，加劇了基體的破壞。王勇等[5]研究了不同粗骨料級配對橡膠混凝土性能的影響，結(jié)果表明，橡膠粉的加入會改變混凝土的受力機理，混凝土中橡膠粉與水泥基體之間的粘結(jié)強度較弱，進而導致混凝土強度降低。李海龍等[6]的研究表明，摻加硅灰可以明顯提高橡膠混凝土的抗壓強度，這可能是由于硅灰填充了橡膠顆粒與水泥基體之間的空隙，使整體強度提高。而關(guān)于橡膠顆粒對混凝土抗折強度的影響方面，不同學者之間存在分歧。Yilmaz等[7]的研究表明，橡膠顆粒的摻入可以提高混凝土的抗折強度，而Gupta等[1]的研究則表明，摻加橡膠顆粒后混凝土的抗折強度降低。橡膠顆粒作為骨料也會對混凝土的密度和耐磨性產(chǎn)生影響，Sukontasukkul等[8]的研究表明，隨著橡膠顆粒含量的增加，混凝土的密度降低，這是由于橡膠顆粒的密度較小，從而使得混凝土的整體密度變小。李贊成等[9]通過試驗研究了橡膠粉的粒徑和摻量對混凝土抗壓強度、抗折強度及折壓比的影響，給出了橡膠粉的最佳粒徑及摻量范圍。王濤等[10]的試驗結(jié)果表明，橡膠粉的加入會降低混凝土的強度和彈性模量，同時能增加混凝土的韌性，有效改善混凝土的抗凍性。柏曉劍等[11]的研究表明，水灰比越大橡膠顆粒上浮越明顯，橡膠顆粒的粒徑越小則在混凝土中分布越均勻。路莎莎等[12]研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對橡膠混凝土坍落度、強度、抗?jié)B性和抗凍性能的影響，并給出了提高混凝土抗凍性能最佳的橡膠顆粒摻量。本文在火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥中摻入不同質(zhì)量的橡膠顆粒，研究了橡膠混凝土的和易性、抗壓強度、抗折強度、密度、耐磨性和耐久性等性能。

1試驗

1.1原材料

水泥：42.5級火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，主要性能見表1。橡膠顆粒：由廢舊橡膠輪胎通過機械研磨制備，最大粒徑0.6mm，密度1.05g/cm3，SEM照片見圖1。細骨料：天然河砂，密度3110kg/m3，吸水率0.6%，粒徑分布如圖2所示。粗骨料：級配碎石，5~10mm顆粒和10~20mm顆粒按3∶7的質(zhì)量比復(fù)配使用，吸水率0.5%。減水劑：山西科騰環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率30%，固含量20%。水：自來水。1.2試驗配合比橡膠混凝土配合比見表2，在保持水泥、粗骨料用量不變的條件下，用橡膠顆粒分別等質(zhì)量替代0、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的細骨料，水灰比保持0.4不變。為了保證不同橡膠顆粒摻量的混凝土有大致相同的壓實系數(shù)，在混凝土中摻入不同摻量（1.5%~2.4%）的高效減水劑。1.3試驗方法混凝土的抗壓和抗折強度參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，標準養(yǎng)護28d進行測試?？箟簭姸仍嚰叽鐬?50mm×150mm×150mm，每組3個試件，加載速率為0.5MPa/s；抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×600mm，進行三點加載試驗，每組3個試件，加載速率為0.05MPa/s。混凝土的密度、空隙率和吸水率：參照ISO17785-2—2018《透水混凝土試驗方法》和GB/T11970—1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》進行測試。耐磨性試驗：對標準養(yǎng)護28d的混凝土試件進行磨損試驗，參照BIS1237—2012中的相關(guān)試驗方法進行。試件尺寸均為100mm×100mm×100mm，在（110±5）℃的溫度下干燥24h，然后將試件放置磨耗試驗機的水平轉(zhuǎn)盤上，在200N負荷下磨60轉(zhuǎn)，按式（1）計算混凝土的磨損厚度：滲透性試驗：試件尺寸為100mm×100mm×100mm，標準養(yǎng)護28d后在（110±5）℃下干燥24h，然后對試件表面施加的水壓力為0.5MP，72h后測量滲水深度。

2試驗結(jié)果與分析

2.1橡膠混凝土的和易性

混凝土的和易性對橡膠顆粒能否在混凝土中使用起到關(guān)鍵作用。本試驗中采用適量的高效減水劑，以使摻入不同含量橡膠顆粒的混凝土壓實系數(shù)達到0.9左右，由表2可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，要到達相同壓實度所需高效減水劑的摻量越多，表明了隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的和易性降低。

2.2橡膠混凝土的抗壓強度

不同橡膠顆粒摻量混凝土的28d抗壓強度和空隙率見表3，養(yǎng)護28d水化產(chǎn)物的SEM照片見圖3。由表3可見，隨橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的抗壓強度逐漸降低。與未摻橡膠顆粒的對照組混凝土相比，摻入4.0%和5.5%橡膠顆粒的混凝土抗壓強度分別降低了3.8%、17.8%?；炷量箟簭姸鹊慕档屯ǔＪ怯捎谙鹉z顆粒與水泥漿之間的粘結(jié)強度較低以及用密度和硬度較低的橡膠顆粒替換了密度和硬度較大的細骨料。加載時，橡膠顆粒周圍會很快產(chǎn)生裂縫，從而導致混凝土快速破裂。混凝土抗壓強度的降低也是由于橡膠顆粒周圍空隙的存在。由表3還可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的空隙率逐漸增大。混凝土中較細的成分能對空隙區(qū)域進行填充，但是只有填充效果較好時才能對混凝土的抗壓強度起到提高作用。即使橡膠顆粒的摻量為4.0%，混凝土中的空隙也較對照組明顯增多。從圖3可以看出，橡膠顆粒在骨料周圍聚集形成空隙，且空隙的寬度隨著混凝土中橡膠顆粒摻量的增加而增大。綜上所述，可以從受力機理方面進行解釋：混凝土受力破壞主要先由內(nèi)部應(yīng)力較大且相對薄弱的部分發(fā)生破壞，繼而整個構(gòu)件發(fā)生破壞。橡膠為憎水性材料，混凝土摻入橡膠顆粒后在橡膠顆粒周圍產(chǎn)生微裂縫，粘結(jié)強度較低，因此橡膠和水泥基質(zhì)界面處即成為混凝土內(nèi)部的薄弱部位。由于混凝土和橡膠的剛度差別較大，受力時會產(chǎn)生應(yīng)力分布不均、變形不協(xié)調(diào)等問題，這也使得試件的承載力降低。隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土內(nèi)部缺陷增多，更易產(chǎn)生破壞，因此導致隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的抗壓強度降低。

2.3橡膠混凝土的抗折強度（見表4）

表4不同橡膠顆粒摻量混凝土的28d抗折強度由表4可知，與抗壓強度變化趨勢一致，隨橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的抗折強度逐漸降低。摻4.0%和5.5%橡膠顆粒時，橡膠混凝土的抗折強度較對照組分別降低2.9%、16.5%。由圖1可知，橡膠顆粒的表面形狀非常不規(guī)則且較為光滑，因此水泥漿和橡膠顆粒之間的粘結(jié)性能較弱，使得在荷載作用下裂縫更容易傳播，混凝土的抗折強度下降。

2.4橡膠混凝土的密度和吸水率（見表5）

由表5可見，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的堆積密度和表觀密度均逐漸減小。橡膠顆粒摻量為5.5%的橡膠混凝土堆積密度和表觀密度較對照組分別降低11.3%、10.6%。摻加橡膠顆粒后混凝土密度減小主要有2個方面的原因?qū)е拢海?）橡膠顆粒的密度較細骨料小，這使得混凝土試件的整體密度減小；（2）橡膠顆粒的摻入會使混凝土內(nèi)部空隙增加，也導致混凝土密度減小。由表5還可以看出，隨橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的吸水率增大。橡膠顆粒摻量為5.5%時混凝土的吸水率為3.21%，而對照組的吸水率為1.91%。隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的空隙率增大，橡膠顆粒周圍存在著裂縫和空隙，為水的滲入提供了傳輸路徑，橡膠顆粒摻量越大，裂縫數(shù)量和空隙率越大，導致混凝土的吸水率也越大。

2.5橡膠混凝土的耐磨性和滲透性（見表6）

由表6可見，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的磨損深度逐漸增大。當橡膠顆粒摻量為5.5%時，磨損深度增加到0.93mm，與對照組混凝土相比增加了0.14mm。在橡膠混凝土振搗期間，由于橡膠的密度較小，可能會導致橡膠顆粒向試件表面移動，這導致橡膠顆粒與水泥漿之間的粘結(jié)強度降低，更容易磨損。由表6還可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土的滲水深度逐漸增大。當橡膠顆粒摻量為4.0%和5.5%時，橡膠混凝土的滲水深度較對照組分別增大了6.7%和33.4%。這是因為橡膠顆粒和水泥基體之間產(chǎn)生了空隙，使得橡膠混凝土的滲透性增加。微裂縫在滲水方面也起著重要的作用，為水滲透到混凝土內(nèi)部提供了連續(xù)路徑。

3結(jié)論

（1）隨著橡膠顆粒摻量的增加，達到相同壓實度時所需的減水劑摻量也逐漸增大，表明橡膠混凝土的和易性隨著橡膠顆粒摻量的增加而降低。（2）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的抗壓和抗折強度均逐漸降低，這是由于橡膠顆粒和混凝土的彈性模量差別較大以及橡膠顆粒和水泥漿之間的粘結(jié)強度較低，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土內(nèi)部缺陷增多，導致在加載時混凝土快速破裂，強度降低。（3）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土內(nèi)部的微裂縫和空隙增加，為水的滲入提供傳輸路徑，導致橡膠混凝土的吸水率增大，滲透性增強。（4）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的耐磨性降低。這是由于橡膠顆粒與水泥漿之間的粘結(jié)強度降低導致。

參考文獻：

[5]王勇，孫洪泉，杜文英，等.不同粗骨料級配對橡膠混凝土材料性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2014（5）：12-15.

[6]李海龍，徐穎，汪海波，等.硅灰對橡膠混凝土抗壓強度與吸能性能影響試驗研究[J].硅酸鹽通報，2019，38（7）：2222-2227.

[9]李贊成，許金余，羅鑫，等.橡膠混凝土的基本力學特性的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2013，32（12）：2589-2594.

[10]王濤，洪錦祥，繆昌文，等.橡膠混凝土的試驗研究[J].混凝土，2009（1）：67-69.

[11]柏曉劍，朱涵，李建舉，等.橡膠混凝土上浮試驗研究[J].硅酸鹽通報，2017，36（10）：3504-3510.

[12]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分析[J].硅酸鹽通報，2014，33（10）：2477-2483.

作者：冀彩云 高正勇 崔小飛 單位：山西建筑職業(yè)技術(shù)學院