張啟航 郝浩杰

摘 要：采用0～19%的橡膠粉等體積替代細(xì)骨料制備橡膠混凝土，采用0～19%摻量的偏高嶺土等質(zhì)量替代混凝土中的水泥，制備摻偏高嶺土橡膠混凝土。測(cè)試混凝土28d單軸抗壓強(qiáng)度，采用掃描電鏡分析混凝土微觀形貌。結(jié)果表明：摻入0～19%的橡膠粉使混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)生一定程度的下降，摻量越高，強(qiáng)度下降越顯著;摻入偏高嶺土可提升橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，偏高嶺土的最佳摻量為13%左右。

關(guān)鍵詞：偏高嶺土;橡膠混凝土;單軸抗壓強(qiáng)度;微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU528.41? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）09-0082-04

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)輪胎年產(chǎn)量高達(dá)6億多條，橡膠年消耗量500萬(wàn)噸左右，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)廢舊輪胎將達(dá)到2000萬(wàn)噸[1，2]。我國(guó)是一個(gè)橡膠資源匱乏的國(guó)家，廢舊橡膠的再生利用對(duì)于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

目前，許多學(xué)者開展了將橡膠粉作為混凝土細(xì)骨料的研究。大量研究表明，混凝土中摻入橡膠可以改善其韌性，提高抗裂性能等，如聞洋和劉培培[3]的研究表明，將橡膠粉摻入混凝土可以有效提高混凝土的抗沖擊性能，降低其脆性。李贊成等[4]從折壓比和韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)得出，制備橡膠混凝土的最佳粒徑為40目，摻量應(yīng)當(dāng)大于10L/m3。然而，橡膠的摻入也會(huì)帶來(lái)一些不良影響，如楊若沖等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的密度、抗折、劈裂強(qiáng)度逐漸降低;Ayman Abdelmonem等[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土中的橡膠以30%比例取代細(xì)骨料時(shí)，混凝土抗沖擊性能提高了83%，但其抗拉、抗壓、抗折性能都下降近50%。因此，研究如何在保證橡膠混凝土良好韌性的同時(shí)，改善其抗壓、抗拉等力學(xué)性能，具有重要意義。

方勇浩等[7]發(fā)現(xiàn)偏高嶺土（metakaolin，簡(jiǎn)稱MK）作為一種非常有效的火山灰材料，將其加入混凝土中，火山灰反應(yīng)會(huì)填充內(nèi)部孔隙，使水泥石中孔細(xì)化，并且會(huì)消耗大量Ca（OH）2，改善水泥漿體和集料界面，從而提高混凝土強(qiáng)度，抑制堿集料反應(yīng);劉紅彬等[8]發(fā)現(xiàn)MK的摻入能提升混凝土的抗壓、劈裂和彎折強(qiáng)度，當(dāng)摻量在15%時(shí)各強(qiáng)度提升效果最佳;董偉等[9]研究表明MK對(duì)浮石輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有很大提高，尤其對(duì)早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較大，當(dāng)MK以10%質(zhì)量替代水泥時(shí)性能最優(yōu);錢曉倩等[10]發(fā)現(xiàn)摻10～15%MK的高性能混凝土的軸拉強(qiáng)度有較為明顯的提高;Nikhil Saboo等[11]發(fā)現(xiàn)MK可以顯著降低混凝土孔隙率，且2%的MK可使孔隙率降低10%。將MK按一定比例替代混凝土中的水泥也是另一種優(yōu)化混凝土性能的好方法，水泥用量減少可以有效降低水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放量，提升材料性能的同時(shí)能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[12，13]。

以上研究分別體現(xiàn)了橡膠粉與MK在混凝土中的應(yīng)用價(jià)值，但目前罕有人研究在混凝土中同時(shí)摻入MK與橡膠粉后的力學(xué)強(qiáng)度變化。所以決定通過(guò)研究MK對(duì)橡膠混凝土抗壓性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，探索同時(shí)發(fā)揮橡膠粉和MK對(duì)混凝土性能改善作用的技術(shù)途徑，為相關(guān)領(lǐng)域研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)規(guī)劃

1.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)選用淮南八公山水泥廠產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其物理參數(shù)和化學(xué)成分含量見表1;粗骨料選用5～20mm連續(xù)級(jí)配的普通碎石子，表觀密度為2650kg/m3;細(xì)骨料選用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度為2550kg/m3;水選用淮南市自來(lái)水;摻合料為焦作市煜坤礦業(yè)有限公司產(chǎn)的1250目活性指數(shù)≥110%的MK，其成分詳見表2;都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40目橡膠粉，表觀密度為1030kg/m3。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

在參考文獻(xiàn)[1-3]中，本試驗(yàn)的橡膠混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，采用的水膠比為0.42，砂率為33%。將橡膠粉以0、10%、13%、16%、19%等體積替代砂子制備橡膠混凝土，對(duì)每組橡膠混凝土，分別采用MK以0、10%、13%、16%、19%等質(zhì)量替代水泥，制備摻MK的橡膠混凝土，所有配比完全正交，共制備25組混凝土。列舉其中5組混凝土的配合比，見下表3，其余組均按此規(guī)律制作。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

先將碎石子和河砂放入攪拌機(jī)中干拌90s，然后將水泥和MK分別倒入攪拌機(jī)干拌60s，再把橡膠粉均勻倒入攪拌機(jī)中干拌60s，倒入水?dāng)嚢?20s，將新拌混凝土裝進(jìn)邊長(zhǎng)為100mm的三聯(lián)立方體塑料模具中，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)20～30s，最后抹平試塊上表面。制作完成后在模具上表面覆蓋一層保鮮膜，防止試塊水分蒸發(fā)，放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室24h后脫模，再將試塊放入室溫下的飽和Ca（OH）2溶液中水浴養(yǎng)護(hù)28d，取出用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）規(guī)定，抗壓試驗(yàn)每組制作三個(gè)邊長(zhǎng)為100mm的正方體試塊，試驗(yàn)機(jī)的加載速度為每秒鐘0.5～0.8MPa。強(qiáng)度試驗(yàn)后，挑選R10M0、R10M13試塊碎片放入乙醇中浸泡24h，再置于50℃烘箱中烘烤48h取出，將樣品抽真空，然后在樣品表面噴金屬膜用以掃描電鏡測(cè)試，電鏡型號(hào)為FEI? Versa3D。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)試件的破壞形態(tài)見圖1?？梢钥吹綄?duì)于不摻橡膠粉的混凝土，裂縫數(shù)目較多且多為貫穿狀;摻加橡膠粉的混凝土試件破壞時(shí)裂縫少且沒有貫通整個(gè)截面，考慮為橡膠粉使混凝土基質(zhì)具備更好的韌性，在一定程度上阻礙受壓構(gòu)件的裂縫發(fā)展。以R0M0混凝土47.5MPa的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，所有單摻MK的混凝土抗壓強(qiáng)度較之有顯著提升。在復(fù)摻MK和橡膠粉的混凝土中，R10M10、R10M13、R10M16、R10M19、R13M13、R13M16的抗壓強(qiáng)度也都高于47.5MPa。具體數(shù)值變化見下圖2。

圖2（a）中，當(dāng)MK的質(zhì)量替代率保持不變時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度隨橡膠粉替代率的提升而逐漸降低，MK摻量為0時(shí)，在0～10%區(qū)間，抗壓強(qiáng)度下降5.1MPa，較R0M0抗壓強(qiáng)度下降10.7%。在10%～19%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降11.5MPa，較R0M0抗壓強(qiáng)度下降34.9%，下降趨勢(shì)為先慢后快，在不摻加MK時(shí)，若橡膠粉摻量≥13%，混凝土的抗壓強(qiáng)度不能達(dá)到C40強(qiáng)度等級(jí)要求;MK摻量為10%、13%、16%、19%時(shí)，抗壓強(qiáng)度在0～10%分別下降13.5%、15.9%、16.8%、17.6%，在10%～19%又分別下降23.1%、16.9%、15.0%、17.3%。隨著MK摻量增加，特別當(dāng)MK摻量≥13%時(shí)能明顯減緩橡膠混凝土因?yàn)橄鹉z粉體積分?jǐn)?shù)的上升導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度驟降，對(duì)橡膠混凝土起到一定的保護(hù)作用。

圖2（b）中，當(dāng)橡膠粉的體積替代率保持不變時(shí)，隨MK摻量的上升，各組橡膠混凝土的28d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且最高點(diǎn)都在區(qū)段10%～16%，當(dāng)橡膠粉摻量為0、10%、13%、16%、19%時(shí)，隨著MK摻量的增加，試塊的最高抗壓強(qiáng)度與MK摻量為0時(shí)的試塊強(qiáng)度相比分別提高了32.4%、24.8%、30.4%、33.0%、36.9%。由此可見，MK的使用對(duì)于橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度具有顯著的提升作用，在配置C40強(qiáng)度等級(jí)的橡膠混凝土?xí)r，當(dāng)采用適當(dāng)摻量的MK作為摻合料，橡膠粉的替代率可達(dá)到19%。

3 作用機(jī)理分析

橡膠粉作為一種憎水性有機(jī)材料，難以與作為無(wú)機(jī)材料的水泥和石子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用[15]，與混凝土基質(zhì)的粘結(jié)程度遠(yuǎn)小于砂子與混凝土基質(zhì)的粘結(jié)程度;其次橡膠粉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土，導(dǎo)致?lián)接邢鹉z粉的混凝土在受力變形過(guò)程中，軟弱點(diǎn)增多，實(shí)際承載面積縮小[16]。所以當(dāng)橡膠粉摻入混凝土后，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

MK的摻入之所以能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，其一是因?yàn)樗念w粒小，摻入混凝土中能充分發(fā)揮填充效果，起到粉體顆粒密實(shí)堆積作用，填充混凝土內(nèi)部孔隙，增加混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性;其二是因?yàn)镸K具有超高火山灰活性，當(dāng)它處于堿性環(huán)境時(shí)，內(nèi)部會(huì)溶出大量的活性SiO2、Al2O3，這些活性物質(zhì)會(huì)與水泥水化析出的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而促進(jìn)水化產(chǎn)物中C-S-H和C-A-S-H凝膠的生成，詳見下圖3a、b（R10M13試樣SEM成像），使水化凝膠的結(jié)構(gòu)更加致密，從而增強(qiáng)混凝土的抗壓能力。此外，混凝土中骨料和漿體之間的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）對(duì)混凝土的力學(xué)性能有著重要影響，界面過(guò)渡區(qū)的多孔、大尺寸Ca（OH）2晶體定向生長(zhǎng)等特征會(huì)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度帶來(lái)不利影響。對(duì)于橡膠混凝土，橡膠粉與水泥漿體之間的結(jié)合狀態(tài)通常比普通細(xì)骨料混凝土更差。因此，改善橡膠混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵之一就是改善其ITZ的性能。圖3（c）所示，摻13%MK的混凝土骨料與漿體界面區(qū)微觀形貌，可以看出，該混凝土的ITZ內(nèi)未見大尺寸孔隙或Ca（OH）2晶體定向生長(zhǎng)，界面處漿體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，與圖3（d）中R10M0混凝土的ITZ相比，很明顯加入MK能有效改善混凝土的ITZ性能，優(yōu)化骨料和漿體之間的結(jié)合狀態(tài)，從而提高混凝土的抗壓性能。

隨著MK摻量逐漸增加，混凝土中水泥質(zhì)量逐漸減少，水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2減少，影響了MK火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，而MK本身并不具備膠凝性能，因此當(dāng)MK摻量過(guò)高時(shí)，造成混凝土抗壓強(qiáng)度的下降。故MK只有在適當(dāng)?shù)谋壤秶鷥?nèi)替代水泥才能發(fā)揮其促?gòu)?qiáng)作用，本試驗(yàn)得出在不摻加額外物質(zhì)（如激發(fā)劑、減水劑等）時(shí)，宜選用13%為最優(yōu)MK摻量。

3 結(jié)論

（1）采用橡膠粉取代混凝土中的天然河砂時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度下降，且隨摻量提高，強(qiáng)度下降更加明顯;MK能明顯減緩橡膠混凝土因?yàn)橄鹉z粉體積分?jǐn)?shù)的上升導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度驟降，在橡膠混凝土中摻入MK，其28d抗壓強(qiáng)度都有明顯提升，且隨MK摻量的增加，促?gòu)?qiáng)效果先增強(qiáng)后減弱。（2）MK對(duì)橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)作用與其良好的填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及ITZ改善效果有關(guān)。其表現(xiàn)為MK的摻入能減少橡膠混凝土內(nèi)部孔隙，促進(jìn)具有正向作用的C-S-H和C-A-S-H凝膠生成，抑制不良Ca（OH）2晶體的定向發(fā)展?？紤]抗壓強(qiáng)度的提升作用，本試驗(yàn)得出MK的最優(yōu)摻量為13%，其對(duì)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度提升效果最大可達(dá)36.9%。（3）綜合考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度、MK的制作成本以及橡膠粉的再生利用，在制備C40強(qiáng)度等級(jí)的橡膠混凝土?xí)r，可考慮采用R19M13的摻配方式。

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