王海龍，王 磊，王 培，張 克

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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廢舊輪胎橡膠粉對(duì)再生混凝土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

王海龍，王 磊，王 培，張 克

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

再生混凝土被視為節(jié)約材料的一種重要舉措，同時(shí)，廢舊輪胎橡膠粉的適量摻入可以優(yōu)化混凝土的性能。為使兩種廢棄材料合理利用，本文以廢舊輪胎橡膠粉和廢棄混凝土加工生成的再生骨料為研究對(duì)象，研究了外摻廢舊輪胎橡膠粉對(duì)再生混凝土力學(xué)特性的影響。通過(guò)對(duì)再生混凝土基準(zhǔn)組的試驗(yàn)研究，得到了再生混凝土前28 d的強(qiáng)度發(fā)育規(guī)律，結(jié)合此規(guī)律并在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上擬合出再生混凝土早期抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型；同時(shí)，對(duì)再生混凝土外摻不同粒徑(20目、60目、80目、100目、120目)和不同摻量(3%、6%、9%)的橡膠粉，并研究此情況下橡膠粉對(duì)不同齡期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入橡膠粉會(huì)降低再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)摻入粒徑為20目，摻量為3%的橡膠粉時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度最好。

廢舊輪胎橡膠粉； 再生混凝土； 抗壓強(qiáng)度； 微觀分析

1 引 言

近年來(lái)，再生混凝土成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。再生混凝土是對(duì)廢棄建筑材料的再生利用，符合科學(xué)發(fā)展的觀點(diǎn)。大多數(shù)學(xué)者比較關(guān)注對(duì)再生混凝土基本力學(xué)性能的研究，如對(duì)其進(jìn)行早期抗壓、抗折強(qiáng)度的研究[1]；劈裂抗拉、靜力彈性模量[2]的分析；有的學(xué)者還研究其碳化性能、應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系、抗凍融性和配合比設(shè)計(jì)[3-6]。對(duì)于廢舊輪胎橡膠粉的研究也備受學(xué)者們關(guān)注。如學(xué)者王海龍[7,8]的研究表明：橡膠粉的摻入，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量將會(huì)降低；可以調(diào)節(jié)混凝土的和易性；增加塑性性能。同時(shí)學(xué)者許金余[9]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，摻量小于100 L/m3時(shí)，3種粒徑(16目、20目、40目)的橡膠混凝土的質(zhì)量損失率小于基準(zhǔn)混凝土。所以橡膠混凝土具有良好的耐久性、減震性能、抗沖擊性、抗爆裂性、隔音隔熱等優(yōu)點(diǎn)[10]。再生混凝土與廢舊輪胎橡膠粉具有各自的優(yōu)點(diǎn)，相比較而言，將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究的較少，仍缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的積累。所以，本試驗(yàn)將研究摻入橡膠粉的再生混凝土基本力學(xué)性質(zhì)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：采用冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,密度3093 kg/m3；(2)砂：普通河沙，中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2623 kg/m3；含水率1%，級(jí)配良好；(3)粗骨料：采用廢棄的C30強(qiáng)度的混凝土經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)破碎而成的再生骨料，粒徑5～20 mm,表觀密度2483 kg/m3，含水率2.45%；(4)橡膠粉：20目(A級(jí))、60目(B級(jí))、80目(C級(jí))、100目(D級(jí))、120目(E級(jí))；(5)減水劑：采用DNF高效減水劑，減水率20%，以膠凝材料的2.5%摻入；(6)水：自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以未摻橡膠粉的再生混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C40 為基準(zhǔn)組。結(jié)合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)和張永娟[6]的計(jì)算方法確定基準(zhǔn)組(J組)的配合比為m(水泥)∶m(砂)∶m(再生骨料)∶m(水)∶m(減水劑)=1∶1.975∶2.963∶0.449∶0.025。橡膠粉是根據(jù)膠凝材料的3%、6%、9%(質(zhì)量百分比)摻入。

3 結(jié)果與討論

3.1 再生混凝土基準(zhǔn)組強(qiáng)度發(fā)育分析

根據(jù)表1再生混凝土基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系可以得到，從強(qiáng)度增長(zhǎng)速率分析：再生混凝土組前3 d強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最快，在8 MPa/d左右；3 d到7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯降低，為1.701 MPa/d，但仍高于7 d到14 d以后的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率；14 d以后強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較之前下降更大，均小于1 MPa/d，而21 d到28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯要高于14 d到21 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率，所以前7 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最大。 從相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率也可以看出：再生混凝土組3 d到7 d相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率較高，在20%左右；7 d到14 d相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率降低到10%左右；14 d到21 d最低，在4%左右；21 d到28 d增長(zhǎng)速率在6%左右。這說(shuō)明7 d以后強(qiáng)度增長(zhǎng)變慢。從相對(duì)抗壓強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)：前7 d相對(duì)抗壓強(qiáng)度可達(dá)到72.671%，后21 d僅增長(zhǎng)了27.329%，因此前7 d齡期養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大。

表1 再生混凝土基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Tab.1 Relationship of compressive strength and age of the recycled aggregate concrete baseline group

總之，從強(qiáng)度增長(zhǎng)速率、相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率和相對(duì)抗壓強(qiáng)度這三個(gè)角度分析再生混凝土基準(zhǔn)組的強(qiáng)度發(fā)育，均得出結(jié)論：前7 d齡期養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大，7 d以后強(qiáng)度貢獻(xiàn)減小。這與學(xué)者張興才[1]的研究結(jié)論一致。

3.2 橡膠粉對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)選用五種橡膠粉粒徑(A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)、E級(jí))，摻量分別為3%、6%、9%，不同橡膠摻量(相同粒徑)對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響(見圖1)，從圖1中的(a)～(e)圖可以看到：相同目數(shù)的橡膠粉，隨著橡膠粉摻量的增加，再生骨料的力學(xué)性能逐漸降低，其中3%摻量最佳；與基準(zhǔn)組相比，摻入橡膠粉的混凝土都出現(xiàn)了降低趨勢(shì)，以A組28 d強(qiáng)度為例，對(duì)比基準(zhǔn)組，隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度分別降低了1.06%、7.65%、13.27%。

主要原因歸納于：一是因?yàn)橄鹉z顆粒是彈性材料，彈性模量較小，不能與混凝土其他材料協(xié)同承壓，所以導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低；第二是由于橡膠粉的摻量越多，會(huì)使得試件內(nèi)部水泥與橡膠粉弱界面增加，削弱了水泥石強(qiáng)度[13]，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；同時(shí)，因粗糙的橡膠表面易吸附氣泡而使得混凝土含氣量有一定程度的增加[14]，這都導(dǎo)致強(qiáng)度的降低原因。

圖1 橡膠摻量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響(a)A級(jí);(b)B級(jí);(c)C級(jí);(d)D級(jí);(e)E級(jí)Fig.1 Effect of rubber content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

圖2 摻量3%的不同粒徑橡膠粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of different rubber particle size with the 3%content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

從圖1可以得到橡膠粉3%摻量為最佳摻量，為了更好的對(duì)比不同橡膠粒徑對(duì)再生混凝了力學(xué)性能的影響(以3%摻量為例)，從圖2(摻量3%的不同粒徑橡膠粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響)中可以看到，隨著目數(shù)的增大(粒徑的減小)，再生混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢(shì)(前28 d強(qiáng)度)；并且是以80目為拐點(diǎn)。當(dāng)齡期為90 d時(shí)，摻入橡膠粉的目數(shù)越大，再生混凝土強(qiáng)度越低。

歸結(jié)于以下原因：一是因?yàn)橄鹉z粉是惰性材料，分布在水泥膠砂的內(nèi)部，但是分布的不太均勻[7]，且隨著目數(shù)的增加，比表面積越大，越不易拌合，將導(dǎo)致橡膠粉“聚堆”現(xiàn)象的大量出現(xiàn)，從而形成大量的強(qiáng)度薄弱集中區(qū)域，導(dǎo)致20目增加到80目時(shí)強(qiáng)度降低；二是因?yàn)槟繑?shù)越大，對(duì)再生混凝土中的微小空隙和裂縫的填充效果就越明顯；并且，橡膠粉的粒徑越細(xì)抑制堿骨料反應(yīng)的效果越好，119 μm(120目)的橡膠粉抑制堿骨料反應(yīng)的效果最好[15]，因此導(dǎo)致80目增加到120目時(shí)強(qiáng)度回升，使得80目橡膠粉的摻入成為強(qiáng)度拐點(diǎn)；三是，90 d時(shí)，橡膠粉表面水泥漿基本水化完全，與橡膠粉形成薄弱核心，摻量相同時(shí)，目數(shù)越大，薄弱核心就越多，強(qiáng)度損失就越大。

3.3 建立橡膠再生混凝土早期抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型

為了更好的在工程實(shí)際分析再生混凝的力學(xué)性能，本節(jié)參考各個(gè)學(xué)者的對(duì)普通混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)橡膠再生混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型。

學(xué)者朱伯芳[11]提出了普通混凝土的早期抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

(1)

我國(guó)建筑材料規(guī)范給出了普通混凝土的早期抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

(2)

式中t為齡期；fcut與fcu,28為齡期為t和28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度，單位MPa；對(duì)于普通硅酸鹽水泥：λ=0.1727。

但是，學(xué)者苗吉軍[12]的研究發(fā)現(xiàn)：(2)式雖然形式簡(jiǎn)潔，但對(duì)于砼齡期較短(砼澆筑后5～7 d)時(shí)，給出的數(shù)值偏小。因此，該學(xué)者給出了調(diào)整后的強(qiáng)度公式：

y=0.35+0.48·lgt(22.8 ℃)

(3)

式中y為硂早期強(qiáng)度與28 d標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值的比值；t為硂的齡期。

根據(jù)本次再生混凝土試驗(yàn)值特征，擬合出下列方程：

(4)

分別將再生混凝土基準(zhǔn)組帶入上述計(jì)算方程，與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比比較，得到表2。

表2 各公式前28 d抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Tab.2 Comparison of the calculated values with the experimental values of each formula early 28 d compressive strength

由表2可知，(1)、(3)式高估了再生混凝土3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度，而(4)式對(duì)再生混凝土7 d以內(nèi)的抗壓強(qiáng)度估計(jì)較為準(zhǔn)確；雖然(3)式對(duì)14 d強(qiáng)度的估計(jì)偏差最小，但其對(duì)21 d強(qiáng)度估計(jì)的偏差最大，達(dá)到6%左右。綜合來(lái)看，(4)式的計(jì)算值與再生混凝土試驗(yàn)值偏差最??；所以，建議再生混凝土前28 d抗壓強(qiáng)度公式采用(4)式。

模仿(4)式的形式，對(duì)摻入橡膠粉實(shí)驗(yàn)組的強(qiáng)度曲線進(jìn)行擬合。得到其強(qiáng)度計(jì)算系數(shù) ,見表3。

表3 強(qiáng)度計(jì)算系數(shù)Tab.3 Calculation coefficient of strength

3.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

3.4.1 橡膠粉摻量對(duì)再生混凝土力學(xué)特性的影響

圖3和圖4分別為A-3%-28 d和A-9%-28 d電鏡照片，[1]區(qū)為橡膠顆粒，其余部分為水泥漿體。從圖3可以看到，整個(gè)畫面內(nèi)僅有一顆橡膠顆粒，且與水泥漿體還未很好結(jié)合，之間存在明顯的間隙，并且形態(tài)區(qū)分明顯。由于摻量的增加，在圖4中存在三個(gè)橡膠顆粒，橡膠顆粒均與水泥漿體結(jié)合，生成更多的薄弱面；這些橡膠顆粒距離較近，因而形成薄弱區(qū)域，這也證實(shí)了：摻量的增加易使橡膠粉“聚堆”。因此，隨著橡膠粉摻量的增加，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部薄弱面，降低了強(qiáng)度，所以橡膠粉摻量3%的再生混凝土強(qiáng)度更好。

圖3 A-3%-28 d的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of A-3%-28 d

圖4 A-9%-28 d的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of A-9%-28 d

3.4.2 橡膠粉粒徑對(duì)再生混凝土力學(xué)特性的影響

圖5和圖6分別為A-3%-28 d、C-3%-28 d的SEM照片，[1]區(qū)為橡膠顆粒，(2)區(qū)為與其接觸的水泥漿體。從圖5可以看到，該橡膠顆粒體型較大，浮于漿體表面，并與漿體存在兩個(gè)接觸面(用(2)表示)。由圖6可以看到，該橡膠顆粒與圖5中的相比較小，且其位于漿體的凹槽內(nèi)，與漿體有三個(gè)接觸面，多出一個(gè)薄弱面。在橡膠粉同等摻量下，當(dāng)粒徑小時(shí)改性水泥混凝土薄弱面會(huì)相對(duì)增多，這就會(huì)出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的減小而減小的情況[16]，這也是20目橡膠粉再生混凝土強(qiáng)度較好的原因。

圖5 A-3%-28 d的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of A-3%-28 d

圖6 C-3%-28 d的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM image of C-3%-28 d

4 結(jié) 論

(1)再生混凝土強(qiáng)度發(fā)育過(guò)程中，前3 d強(qiáng)度發(fā)育最快，強(qiáng)度增長(zhǎng)率在8 MPa/d左右；3 d到7 d相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率可達(dá)到20%； 7 d 以后強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩；

(2)摻入橡膠粉會(huì)降低再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；

(3)當(dāng)摻入相同目數(shù)的橡膠粉時(shí)，隨著摻量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度減??；

(4)當(dāng)橡膠粉摻量固定時(shí)，隨著目數(shù)的增加，再生混凝土前28 d強(qiáng)度先減小再回升，并以80目為拐點(diǎn)。

[1] 張興才,李洪明,朱 磊.再生粗骨料混凝土早期強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].混凝土,2015,(7):75-79.

[2] 周靜海,何海進(jìn),孟憲紅,等.再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2010,26(3):464-468.

[3] 崔正龍,路沙沙,汪振雙.再生骨料特性對(duì)再生混凝土強(qiáng)度和碳化性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2012,15(2):264-267.

[4] 陳宗平,徐金俊,鄭華海,等.再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)及應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系[J].建筑材料學(xué)報(bào),2013,16(1):24-32.

[5] 曹萬(wàn)林,梁夢(mèng)彬,董宏英,等.再生混凝土凍融后基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2012,21(3):184-190.

[6] 張永娟,何 舜,張 雄,等.再生混凝土Bolomey公式的修正[J].建筑材料學(xué)報(bào),2012,15(4),538-543.

[7] 王海龍,申向東,王蕭蕭.廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(7):1662-1666.

[8] 王海龍,申向東,王蕭蕭,等.橡膠輕骨料混凝土的物理力學(xué)性能[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(8):2267-2273.

[9] 許金余,李贊成,羅 鑫.橡膠混凝土抗凍性的對(duì)比研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2014,33(4):800-805.

[10] 韓 陽(yáng),白亞強(qiáng),巴松濤.橡膠集料改性混凝土研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].混凝土,2013,(10):87-90.

[11] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

[12] 苗吉軍,顧祥林,馬 良.鋼筋砼早期強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)抗力[J].住宅科技,1999,(7):24-27.

[13] 額日德木,王海龍,王蕭蕭,等.表面改性廢舊輪胎橡膠粉對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)科技論文,2015,10(1):73-77.

[14] SiddlquelI R,Nalk T R.Properties of concrete containing scrap tire rubber-An overview[J].WasterManagement,2004,24(6):563-569.

[15] 王寶民,韓 瑜,劉艷榮,等.廢舊輪胎橡膠粉對(duì)堿骨料反應(yīng)的抑制作用[J].建筑材料學(xué)報(bào),2013,16(6):987-992.

[16] 彭光達(dá).橡膠粉對(duì)水泥混凝土性能的影響研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2012.

Experimental Research of Waster Tire Rubber Powder on Mechanical Properties of Recycled Coarse Aggregate Concrete

WANGHai-long,WANGLei,WANGPei,ZHANGKe

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Recycled concrete is regarded as an important measure to save material,at the same time,incorporation of an appropriate amount of waste tire rubber powder can optimize the performance of concrete.In order to make rational use of these two waste materials,this article studied how the waste tire rubber powder influence the character of mechanical properties of recycle concrete,based on the waste tire rubber powder and recycled aggregate .Through the experimental study of recycled concrete baseline group,the article discovered the strength development regularities in early 28 days. Based on these regularities and other scholars'researches , this article formed the mathematical equation of the recycled aggregate concrete.It also discovered the influence on the compressive strength of recycled coarse aggregate concrete in different ages by mixing different particle size (20 mesh,60 mesh,80 mesh,100 mesh,120 mesh) and mixing different incorporation amount (3%,6%,9%).The results show that: Strength will be reduced by mixing rubber powder. The recycled aggregate concrete can reach the best compressive strength when mixed with 20 mesh, 3% rubber powder.

waste tire rubber powder;recycled coarse aggregate concrete;compressive strength;microscopic analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51369023)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2015MS0564，2011BS0705)

王海龍(1980-)，博士，副教授，碩導(dǎo).主要從事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3466-05