橡胶混凝土力学性能与耐久性试验

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摘要：研究了橡胶颗粒掺量（等质量取代细骨料）对橡胶混凝土抗压强度、抗折强度、密度、吸水率和耐磨性的影响，同时还使用XRD、SEM和光学显微镜对微观结构进行分析。结果表明：随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的和易性降低；橡胶颗粒掺量为4%时，混凝土的抗压强度和抗折强度略有下降，吸水性和耐磨性受到轻微影响。可以用橡胶颗粒取代4%细骨料制备用于非结构性混凝土构件。

关键词：橡胶混凝土；吸水率；耐磨性；耐久性

引言

由于汽车行业的快速增长，废旧橡胶轮胎的处理成为一个急需解决的问题。用废旧橡胶颗粒制备橡胶混凝土，可以减少河砂等细骨料的用量。近些年来关于橡胶混凝土的研究持续增多。Gupta等[1]的研究表明，利用橡胶颗粒替代部分细骨料时混凝土的工作性降低。Al-Tayeb等[2]和Dong等[3]的研究表明，随橡胶掺量增加，橡胶混凝土的强度降低。Benazzouk等[4]的研究指出，掺加橡胶颗粒后混凝土强度的降低可能是由于橡胶颗粒的硬度低于水泥浆，以及橡胶颗粒周围存在裂缝，加剧了基体的破坏。王勇等[5]研究了不同粗骨料级配对橡胶混凝土性能的影响，结果表明，橡胶粉的加入会改变混凝土的受力机理，混凝土中橡胶粉与水泥基体之间的粘结强度较弱，进而导致混凝土强度降低。李海龙等[6]的研究表明，掺加硅灰可以明显提高橡胶混凝土的抗压强度，这可能是由于硅灰填充了橡胶颗粒与水泥基体之间的空隙，使整体强度提高。而关于橡胶颗粒对混凝土抗折强度的影响方面，不同学者之间存在分歧。Yilmaz等[7]的研究表明，橡胶颗粒的掺入可以提高混凝土的抗折强度，而Gupta等[1]的研究则表明，掺加橡胶颗粒后混凝土的抗折强度降低。橡胶颗粒作为骨料也会对混凝土的密度和耐磨性产生影响，Sukontasukkul等[8]的研究表明，随着橡胶颗粒含量的增加，混凝土的密度降低，这是由于橡胶颗粒的密度较小，从而使得混凝土的整体密度变小。李赞成等[9]通过试验研究了橡胶粉的粒径和掺量对混凝土抗压强度、抗折强度及折压比的影响，给出了橡胶粉的最佳粒径及掺量范围。王涛等[10]的试验结果表明，橡胶粉的加入会降低混凝土的强度和弹性模量，同时能增加混凝土的韧性，有效改善混凝土的抗冻性。柏晓剑等[11]的研究表明，水灰比越大橡胶颗粒上浮越明显，橡胶颗粒的粒径越小则在混凝土中分布越均匀。路莎莎等[12]研究了橡胶颗粒掺量和粒径对橡胶混凝土坍落度、强度、抗渗性和抗冻性能的影响，并给出了提高混凝土抗冻性能最佳的橡胶颗粒掺量。本文在火山灰质硅酸盐水泥中掺入不同质量的橡胶颗粒，研究了橡胶混凝土的和易性、抗压强度、抗折强度、密度、耐磨性和耐久性等性能。

1试验

1.1原材料

水泥：42.5级火山灰质硅酸盐水泥，主要性能见表1。橡胶颗粒：由废旧橡胶轮胎通过机械研磨制备，最大粒径0.6mm，密度1.05g/cm3，SEM照片见图1。细骨料：天然河砂，密度3110kg/m3，吸水率0.6%，粒径分布如图2所示。粗骨料：级配碎石，5~10mm颗粒和10~20mm颗粒按3∶7的质量比复配使用，吸水率0.5%。减水剂：山西科腾环保科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率30%，固含量20%。水：自来水。1.2试验配合比橡胶混凝土配合比见表2，在保持水泥、粗骨料用量不变的条件下，用橡胶颗粒分别等质量替代0、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的细骨料，水灰比保持0.4不变。为了保证不同橡胶颗粒掺量的混凝土有大致相同的压实系数，在混凝土中掺入不同掺量（1.5%~2.4%）的高效减水剂。1.3试验方法混凝土的抗压和抗折强度参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，标准养护28d进行测试。抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm，每组3个试件，加载速率为0.5MPa/s；抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×600mm，进行三点加载试验，每组3个试件，加载速率为0.05MPa/s。混凝土的密度、空隙率和吸水率：参照ISO17785-2—2018《透水混凝土试验方法》和GB/T11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》进行测试。耐磨性试验：对标准养护28d的混凝土试件进行磨损试验，参照BIS1237—2012中的相关试验方法进行。试件尺寸均为100mm×100mm×100mm，在（110±5）℃的温度下干燥24h，然后将试件放置磨耗试验机的水平转盘上，在200N负荷下磨60转，按式（1）计算混凝土的磨损厚度：渗透性试验：试件尺寸为100mm×100mm×100mm，标准养护28d后在（110±5）℃下干燥24h，然后对试件表面施加的水压力为0.5MP，72h后测量渗水深度。

2试验结果与分析

2.1橡胶混凝土的和易性

混凝土的和易性对橡胶颗粒能否在混凝土中使用起到关键作用。本试验中采用适量的高效减水剂，以使掺入不同含量橡胶颗粒的混凝土压实系数达到0.9左右，由表2可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，要到达相同压实度所需高效减水剂的掺量越多，表明了随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的和易性降低。

2.2橡胶混凝土的抗压强度

不同橡胶颗粒掺量混凝土的28d抗压强度和空隙率见表3，养护28d水化产物的SEM照片见图3。由表3可见，随橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土的抗压强度逐渐降低。与未掺橡胶颗粒的对照组混凝土相比，掺入4.0%和5.5%橡胶颗粒的混凝土抗压强度分别降低了3.8%、17.8%。混凝土抗压强度的降低通常是由于橡胶颗粒与水泥浆之间的粘结强度较低以及用密度和硬度较低的橡胶颗粒替换了密度和硬度较大的细骨料。加载时，橡胶颗粒周围会很快产生裂缝，从而导致混凝土快速破裂。混凝土抗压强度的降低也是由于橡胶颗粒周围空隙的存在。由表3还可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的空隙率逐渐增大。混凝土中较细的成分能对空隙区域进行填充，但是只有填充效果较好时才能对混凝土的抗压强度起到提高作用。即使橡胶颗粒的掺量为4.0%，混凝土中的空隙也较对照组明显增多。从图3可以看出，橡胶颗粒在骨料周围聚集形成空隙，且空隙的宽度随着混凝土中橡胶颗粒掺量的增加而增大。综上所述，可以从受力机理方面进行解释：混凝土受力破坏主要先由内部应力较大且相对薄弱的部分发生破坏，继而整个构件发生破坏。橡胶为憎水性材料，混凝土掺入橡胶颗粒后在橡胶颗粒周围产生微裂缝，粘结强度较低，因此橡胶和水泥基质界面处即成为混凝土内部的薄弱部位。由于混凝土和橡胶的刚度差别较大，受力时会产生应力分布不均、变形不协调等问题，这也使得试件的承载力降低。随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土内部缺陷增多，更易产生破坏，因此导致随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的抗压强度降低。

2.3橡胶混凝土的抗折强度（见表4）

表4不同橡胶颗粒掺量混凝土的28d抗折强度由表4可知，与抗压强度变化趋势一致，随橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土的抗折强度逐渐降低。掺4.0%和5.5%橡胶颗粒时，橡胶混凝土的抗折强度较对照组分别降低2.9%、16.5%。由图1可知，橡胶颗粒的表面形状非常不规则且较为光滑，因此水泥浆和橡胶颗粒之间的粘结性能较弱，使得在荷载作用下裂缝更容易传播，混凝土的抗折强度下降。

2.4橡胶混凝土的密度和吸水率（见表5）

由表5可见，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的堆积密度和表观密度均逐渐减小。橡胶颗粒掺量为5.5%的橡胶混凝土堆积密度和表观密度较对照组分别降低11.3%、10.6%。掺加橡胶颗粒后混凝土密度减小主要有2个方面的原因导致：（1）橡胶颗粒的密度较细骨料小，这使得混凝土试件的整体密度减小；（2）橡胶颗粒的掺入会使混凝土内部空隙增加，也导致混凝土密度减小。由表5还可以看出，随橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的吸水率增大。橡胶颗粒掺量为5.5%时混凝土的吸水率为3.21%，而对照组的吸水率为1.91%。随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的空隙率增大，橡胶颗粒周围存在着裂缝和空隙，为水的渗入提供了传输路径，橡胶颗粒掺量越大，裂缝数量和空隙率越大，导致混凝土的吸水率也越大。

2.5橡胶混凝土的耐磨性和渗透性（见表6）

由表6可见，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的磨损深度逐渐增大。当橡胶颗粒掺量为5.5%时，磨损深度增加到0.93mm，与对照组混凝土相比增加了0.14mm。在橡胶混凝土振捣期间，由于橡胶的密度较小，可能会导致橡胶颗粒向试件表面移动，这导致橡胶颗粒与水泥浆之间的粘结强度降低，更容易磨损。由表6还可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的渗水深度逐渐增大。当橡胶颗粒掺量为4.0%和5.5%时，橡胶混凝土的渗水深度较对照组分别增大了6.7%和33.4%。这是因为橡胶颗粒和水泥基体之间产生了空隙，使得橡胶混凝土的渗透性增加。微裂缝在渗水方面也起着重要的作用，为水渗透到混凝土内部提供了连续路径。

3结论

（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，达到相同压实度时所需的减水剂掺量也逐渐增大，表明橡胶混凝土的和易性随着橡胶颗粒掺量的增加而降低。（2）随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土的抗压和抗折强度均逐渐降低，这是由于橡胶颗粒和混凝土的弹性模量差别较大以及橡胶颗粒和水泥浆之间的粘结强度较低，随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土内部缺陷增多，导致在加载时混凝土快速破裂，强度降低。（3）随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土内部的微裂缝和空隙增加，为水的渗入提供传输路径，导致橡胶混凝土的吸水率增大，渗透性增强。（4）随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土的耐磨性降低。这是由于橡胶颗粒与水泥浆之间的粘结强度降低导致。

参考文献：

[5]王勇，孙洪泉，杜文英，等.不同粗骨料级配对橡胶混凝土材料性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2014（5）：12-15.

[6]李海龙，徐颖，汪海波，等.硅灰对橡胶混凝土抗压强度与吸能性能影响试验研究[J].硅酸盐通报，2019，38（7）：2222-2227.

[9]李赞成，许金余，罗鑫，等.橡胶混凝土的基本力学特性的试验研究[J].硅酸盐通报，2013，32（12）：2589-2594.

[10]王涛，洪锦祥，缪昌文，等.橡胶混凝土的试验研究[J].混凝土，2009（1）：67-69.

[11]柏晓剑，朱涵，李建举，等.橡胶混凝土上浮试验研究[J].硅酸盐通报，2017，36（10）：3504-3510.

[12]路沙沙，麻凤海，邓飞.橡胶颗粒掺量、粒径影响橡胶混凝土性能的试验分析[J].硅酸盐通报，2014，33（10）：2477-2483.

作者：冀彩云 高正勇 崔小飞 单位：山西建筑职业技术学院