陳永鋒 袁松年 任雋豐 耿德華 陸志紅 沈亞芳

(1.江蘇先達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213016； 3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096)

1 研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年產(chǎn)生超過(guò)15億條廢舊輪胎，并且這一數(shù)字正在不斷增大[1]，因此廢舊橡膠的處理已經(jīng)成為了亟待解決的一大環(huán)境問(wèn)題，目前主流的處理方法是燃燒、填埋，這些方式效率不高，且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此近年來(lái)有學(xué)者對(duì)將廢舊橡膠粉碎成顆粒，加入到水泥混凝土而制成的橡膠混凝土的性能進(jìn)行了研究，這種材料可以提高混凝土的耐久性能，改善混凝土的使用性能，同時(shí)也能夠有效回收廢舊橡膠，帶來(lái)一定的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。另一方面，透水混凝土因其具有良好的透水性能，能夠有效的緩解城市的熱島效應(yīng)、水侵蝕和水質(zhì)惡化等問(wèn)題，和傳統(tǒng)水泥混凝土相比可以有效改善城市的生態(tài)環(huán)境，因此近年來(lái)也被廣泛使用[3]。因此將在透水混凝土中加入廢舊橡膠顆粒，制作橡膠透水混凝土是一個(gè)新的研究方向，這種材料不僅能夠滿足透水混凝土透水、透氣的使用要求，同時(shí)也能夠回收利用廢舊橡膠，減少橡膠產(chǎn)生的污染，并且能夠使用橡膠對(duì)水泥混凝土進(jìn)行改性，提高材料的韌性，因此是一種更加優(yōu)秀的環(huán)境友好型材料。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)摻有橡膠的透水混凝土，即橡膠透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)的研究較少。土耳其的Mehmet Gesoglu和Erhan Güneyisi等人采用10 mm～12.5 mm的單一級(jí)配的粗骨料和強(qiáng)度為42.5R的硅酸鹽水泥，向其中分別加入摻量為10%和20%的輪胎條、橡膠末和細(xì)橡膠末，并對(duì)試樣的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和透水系數(shù)等進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論：橡膠透水混凝土具有較低的抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度和彈性模量，抗壓強(qiáng)度最低的一組僅有6.45 MPa，但仍能滿足使用需求；橡膠透水混凝土的透水系數(shù)也有所降低，但仍能夠保證將雨水及時(shí)收集起來(lái)排入下層；橡膠透水混凝土能夠使用在停車場(chǎng)、人行道和路肩等地區(qū)[4]。

基于以上研究背景，本課題對(duì)橡膠顆粒對(duì)透水混凝土的影響進(jìn)行了研究，在透水混凝土中加入了不同粒徑、不同摻量的廢舊橡膠顆粒，對(duì)其強(qiáng)度、模量和透水性能進(jìn)行了測(cè)試。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于橡膠是一種柔性較大、彈性模量較小的有機(jī)材料，將橡膠顆粒加入透水混凝土后材料強(qiáng)度會(huì)降低，因此結(jié)合相關(guān)資料，選擇加入一定增強(qiáng)劑如乳膠、硅灰和玄武巖纖維，從而在一定程度上提升材料強(qiáng)度。

2.1 原材料

1)水泥：采用舜安牌P.Ⅱ42.5快干水泥，是強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)的硅酸鹽水泥。

2)水：普通自來(lái)水。

3)粗集料：選用在南京生產(chǎn)的粒徑范圍在5 mm～10 mm的單一級(jí)配碎石。

4)廢舊輪胎橡膠顆粒：采用由機(jī)器破碎制成的粒徑為1 mm～3 mm或3 mm～6 mm的廢舊橡膠顆粒。

5)硅灰：普通硅灰，主要化學(xué)成分為非晶態(tài)的無(wú)定型氧化硅，硅灰能夠改善膠結(jié)料的級(jí)配，提高水泥漿體在硬化后的密實(shí)度，從而提高混合料的強(qiáng)度。

6)乳膠：普通乳膠，能夠有效填充水泥漿體凝結(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)小密閉空腔，提高混合料強(qiáng)度。

7)玄武巖纖維：純天然火山巖為原料經(jīng)過(guò)1 450 ℃～1 500 ℃ 高溫熔融后經(jīng)過(guò)鉑銠合金快速拉制而成的纖維，是一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能材料。玄武巖纖維具有較高的表面粗糙度，與水泥漿體的粘結(jié)性較好，同時(shí)因其具有極高的強(qiáng)度和韌性，能夠提高透水水泥混凝土的強(qiáng)度和耐久性能。

8)減水劑：JM-A高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況，確定試驗(yàn)變量為橡膠顆粒粒徑(1 mm～3 mm,3 mm～6 mm)和橡膠顆粒摻量(總集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%和20%)。共設(shè)計(jì)1個(gè)對(duì)照組和4個(gè)試驗(yàn)組，每組制作9個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件和3個(gè)直徑為100 mm，高為100 mm的圓柱體試件，分別用于強(qiáng)度和透水性能的測(cè)試。將試驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容列于表1，表2中。

表1 統(tǒng)一設(shè)計(jì)配合比 kg/m3

表2 各組的橡膠粒徑和用量

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

每組制作9個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件和3個(gè)直徑為100 mm，高為100 mm的圓柱體試件，放入養(yǎng)護(hù)室中在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

以3個(gè)立方體試件為一組，檢測(cè)試件7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度以及28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度。試件制作及成型養(yǎng)護(hù)要求按照J(rèn)TG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[5]進(jìn)行。以3個(gè)圓柱體試件為一組，采用常水頭法測(cè)定透水系數(shù)，每個(gè)試件測(cè)試三次。同時(shí)按照陶卓輝[6]的方法，對(duì)真正影響透水性能的有效孔隙率這一參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，具體方式如下：

首先測(cè)量試件外形尺寸，并計(jì)算出試件的外形體積V0；將試件浸泡在水中使其飽水后稱其在水中的重量W1，考慮多孔水泥混凝土的吸水特別厲害，取出試件在常溫下放置1 h～2 h，使多孔水泥混凝土內(nèi)部多余的水全部滲出，在20 min內(nèi)空氣重測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定后，確定試件在空氣中的重量W2，則有效孔隙率p按下式計(jì)算：

以每組3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值為測(cè)定值，如一個(gè)測(cè)值與中值的差值超過(guò)中值的15%，則取中值為測(cè)定值；如有兩個(gè)測(cè)值與中值的差值超過(guò)中值的15%，則該組試驗(yàn)結(jié)果作廢。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)按照規(guī)范要求制作，采用室內(nèi)搗實(shí)成型，成型后24 h拆模放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度20 ℃±3 ℃，相對(duì)濕度大于90%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在到達(dá)7 d或28 d齡期時(shí)取出對(duì)應(yīng)試件進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行7 d抗壓強(qiáng)度、28 d劈裂強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度、圓柱體抗壓彈性模量、透水系數(shù)和有效孔隙率的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各組試驗(yàn)結(jié)果

各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖6。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和相應(yīng)圖表進(jìn)行分析可得：

2)28 d劈裂抗拉強(qiáng)度是反映透水混凝土抗拉性能的一個(gè)指標(biāo)，在養(yǎng)護(hù)28 d過(guò)后，加入橡膠顆粒的組強(qiáng)度明顯低于組1，其強(qiáng)度變化情況類似抗壓強(qiáng)度，摻量為20%，粒徑為3 mm～6 mm的組3有最低的劈裂抗拉強(qiáng)度，僅為1.03 MPa，不適合路用需求。

3)橡膠顆粒的加入較大程度的降低了透水混凝土的模量，對(duì)于組3，模量降低了超過(guò)50%，使得材料具有一定的塑性，成為了一種半柔性材料。橡膠顆粒摻量越多，橡膠顆粒粒徑越大，模量下降越多。這一現(xiàn)象的原意在于橡膠具有較強(qiáng)的柔性，橡膠顆粒越多，粒徑越大，對(duì)原有的骨料組成的骨架空隙結(jié)構(gòu)的破壞越大，從而使結(jié)構(gòu)的柔性增加，彈性模量降低。

4)透水系數(shù)和有效孔隙率能夠反映出透水混凝土的透水性能，綜合來(lái)看，盡管加入了一定量的較小粒徑的橡膠顆粒，各組仍有足夠的透水性能；廢舊橡膠顆粒的粒徑對(duì)透水性能的影響比摻量大。透水性能最差的一組是摻量為20%，粒徑為1 mm～3 mm的組5，但該組仍能夠滿足透水要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將廢舊橡膠粉碎成顆粒加入透水混凝土中制成橡膠透水混凝土，能夠有效的回收利用這種難以回收利用的材料，而本研究對(duì)橡膠透水混凝土的強(qiáng)度與透水性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)橡膠的加入較大程度的降低了透水混凝土的強(qiáng)度，較大提升了材料的柔韌性，使橡膠透水混凝土成為半柔性材料，而對(duì)透水性能的影響不大，具有一定的實(shí)用性，能夠應(yīng)用于人行道、路肩等輕交通地區(qū)。通過(guò)對(duì)比，最終推薦使用試驗(yàn)組4(摻量為10%，粒徑為1 mm～3 mm)。