王堯鴻，晁 磊，楊曉明*，李志強，董 偉

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學重點實驗室，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院，呼和浩特 010051；3.石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003；4.內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010)

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車廢舊輪胎的處理成為了當今社會亟待解決的問題。據(jù)統(tǒng)計，輪胎產(chǎn)量在中國每年達到2.39×108條，并以8%～10%的速度急劇增加，到2020年末，廢舊輪胎在中國產(chǎn)量已達2 000萬t，解決廢舊輪胎的回收再利用具有重要意義[1-2]。橡膠集料混凝土指采用廢舊輪胎橡膠屑取代部分骨料組成的混凝土，其性能介于普通混凝土和瀝青混凝土之間。為了解橡膠集料混凝土的作用機理，中外學者開展了廣泛的研究。劉艷華等[3]研究表明，在混凝土中摻入橡膠對混凝土強度、彈性模量有不利影響；Ganjian等[4]研究認為橡膠是一種憎水性材料，吸水性較差，表面光滑，進而減少了與水泥間的相互作用，導致了混凝土強度的降低；劉日鑫等[5]研究表明，橡膠使混凝土強度降低的同時，也提高了混凝土的延性、韌性、耐久性等參數(shù)。王雅婷等[6]研究表明，橡膠混凝土中粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒具有較好的力學性能。

風積沙是經(jīng)自然風吹、積淀作用下形成的一種顆粒細小、均勻、成分穩(wěn)定、SiO2含量偏高[7]的硅質(zhì)材料。利用風積沙制備混凝土不僅可以降低運用成本，解決混凝土中河砂短缺的問題，還能夠治理沙漠化減少環(huán)境危害。中外大量研究表明，在混凝土中摻入適量的風積沙可以改善混凝土的基本力學性能。Al-Harthy等[8]研究表明，風積沙部分取代細集料可以提高混凝土的工作性能，但強度隨著取代率的增大而減少。包建強等[9]研究表明，風積沙取代率為30%時和易性最好，力學性能最佳。

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，材料的單一性已經(jīng)不能滿足工程上的需求，開展復合材料研究是一種新途徑。目前，橡膠集料混凝土和風積沙混凝土已有大量研究，而對于在風積沙混凝土中摻入橡膠顆粒的研究尚少。基于此，選取30%風積沙取代河砂和粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒部分取代河砂，設(shè)計、制作一批混凝土試件，通過基本力學性能試驗、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)電鏡掃描和能量色散譜(energy dispersive spectroscopy,EDS)點掃，對比分析了橡膠集料和風積沙對混凝土力學性能的作用機理，并研究了橡膠集料風積沙混凝土和橡膠集料混凝土2種試件水泥石砂漿界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，為橡膠集料風積沙混凝土實際工程應用提供科學依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥；細骨料選用中砂，細度模數(shù)2.7，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 530 kg/m3；風積沙取自內(nèi)蒙古庫布齊沙漠周邊，細度模數(shù)為0.75，表觀密度為2 520 kg/m3，堆積密度為1 510 kg/m3，化學成分如表1所示；石子粒徑為5～25 mm，表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3；橡膠集料由都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)，粒徑為3～6 mm，密度為1 141 kg/m3，表觀密度為1 052 kg/m3，外觀形態(tài)如圖1所示；粉煤灰由呼和浩特金山電廠提供，Ⅱ級粉煤灰。

圖1 3～6 mm的橡膠顆粒Fig.1 Crumb rubber with size of 3～6 mm

表1 風積沙主要化學成分Table 1 Main chemical constituents of aeolian sand

1.2 試驗設(shè)計與制作

本試驗按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)設(shè)計了10組配合比混凝土，包含4組橡膠集料風積沙混凝土試件、4組橡膠集料混凝土試件、1組風積沙混凝土試件和1組普通混凝土試件，混凝土配合比情況如表2所示。其中風積沙取代率均為30%，橡膠集料替代河砂的取代率分別為10%、20%、30%、40%。參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行了混凝土抗壓、抗折、劈裂抗拉強度試驗。其中，測試抗折強度的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體；測試抗壓、劈裂抗拉強度的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。各試件養(yǎng)護時間均為28d。將具有代表性的試件切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，用于電鏡掃描和EDS分析。為了使橡膠集料在漿體中更為均勻，在攪拌前對橡膠集料進行了預處理，將橡膠集料與水泥攪拌60 s，同時將細骨料和石子倒入攪拌機攪拌60 s，然后將預先拌和好的橡膠水泥拌合物倒入攪拌機中攪拌30 s，最后再加入水攪拌120 s。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mixtureproportions of concrete

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度與劈裂抗拉強度

圖2為橡膠取代率對試件28 d齡期的抗壓強度的影響曲線?？梢钥闯?，隨著橡膠取代率的增加，橡膠集料混凝土試件(R試件)和橡膠集料風積沙混凝土試件(AR試件)的抗壓強度均有所降低。當橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時，R試件的抗壓強度分別為37.02 MPa、31.43 MPa、24.26 MPa、22.32 MPa，較普通混凝土試件(C-0試件)分別降低了11%、24%、42%、46%。當橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時，AR試件的抗壓強度為41.03、36.57、30.31、27.91 MPa，較風積沙取代率為30%的混凝土試件(A-0試件)分別降低了9%、19%、33%、38%。圖2中AR試件的抗壓強度比R試件的抗壓強度提高了8%～25%。此外，隨著橡膠取代率的增加，橡膠集料風積沙混凝土試件的抗壓強度退化速率比橡膠集料混凝土試件更為緩慢。

圖2 橡膠取代率對混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Compressive strength relationship of different rubber content

圖3為橡膠取代率對試件28 d齡期的劈裂抗拉強度的影響曲線。可以看出，隨著橡膠取代率的增加，R試件和AR試件的劈裂抗拉強度均有所降低。橡膠取代率在10%、20%、30%、40%時，R試件的劈裂抗拉強度分別為2.9、2.63、2.41、2.01 MPa，比C-0試件分別降低了15%、23%、29%、41%。當橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時，AR試件的劈裂抗拉強度分別為3.54、3.01、2.83、2.51 MPa，比A-0試件分別降低了12%、25%、30%、38%。圖3中AR試件的劈裂抗拉強度較R試件提高了12%～24%。

圖3 橡膠取代率對混凝土劈裂抗拉強度的影響Fig.3 Splitting tensile strength relationship of different rubber content

以上試驗現(xiàn)象的原因是橡膠集料表面為非極性，而水泥漿體為極性，在張力的作用下，兩者結(jié)合不緊密，致使試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度有所降低，且隨著橡膠取代率的增加，這種現(xiàn)象更為明顯[10]。風積沙屬于超細砂，試件加入30%取代率的風積沙后，風積沙可以通過加強橋接改善橡膠與水泥間的相互作用，使橡膠集料在混凝土中更為緊密，進而提高了混凝土的強度。

圖4為立方體試件抗壓試驗的破壞形態(tài)，取橡膠集料風積沙混凝土AR-10、橡膠集料混凝土R-10、風積沙混凝土A-0和普通混凝土C-0進行比較。試驗發(fā)現(xiàn)C-0試件和A-0試件在裂縫出現(xiàn)后會較快地貫通整個試件，整體破壞較為嚴重。摻入橡膠顆粒后，試件在受壓破壞時會發(fā)生較多的細小裂縫，且未發(fā)生迅速破壞，試件整體保留完整，其中R-10試件完整性最佳。這說明摻入橡膠顆?？梢愿纳苹炷恋拇嘈约白冃文芰?，使試件的韌性更好[11]。

圖4 混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of concrete specimen

2.2 抗折強度和折壓比

圖5為橡膠取代率與試件28d齡期抗折強度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯S著橡膠取代率的增加，AR試件和R試件的抗折強度呈現(xiàn)出下降趨勢。在橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時，AR試件抗折強度分別為3.98、3.66、3.58、3.39 MPa，較風積沙混凝土A-0試件分別降低了4%、12%、13%、18%。在橡膠取代率為10%、20%、30%、40%時，R試件抗折強度分別為3.67、3.33、3.1、2.94 MPa，較普通混凝土C-0試件的抗折強度分別降低了4%、13%、19%、23%。此外，摻入30%取代率的風積沙后，AR試件比R試件的抗折強度提高了8%～16%。試驗中同樣發(fā)現(xiàn)與C-0試件和A-0試件相比，AR試件和R試件在受到極限荷載時，試件破壞時所發(fā)出的聲音較沉悶，且未發(fā)生突然破壞。與AR試件相比，R試件破壞用時較長，說明R試件具有較好的韌性。

圖5 橡膠取代率對試件抗折強度的影響Fig.5 Flexural strength relationship of different rubber content

折壓比是衡量混凝土的脆性指標，折壓比越大，混凝土的變形能力越大，韌性越好。圖6為橡膠取代率與試件折壓比的關(guān)系曲線。在未摻入橡膠時，A-0試件的折壓是C-0試件的109.5%。橡膠取代率為10%時，R試件的折壓比較AR試件反而提高了2.1%，且隨著橡膠取代率的增加，R試件的折壓比較AR試件的提高幅度也隨之增加。造成以上試驗結(jié)果的原因是橡膠本身是一種彈性材料，且變形能力較好，摻入混凝土中可以抑制裂縫的擴展，進而增加了混凝土的韌性和變形能力[12]。雖然風積沙的摻入對橡膠與水泥砂漿之間產(chǎn)生的裂縫起到了填充作用，但裂縫的變小阻礙了橡膠的變形能力，導致橡膠集料風積沙混凝土韌性不如橡膠集料混凝土。

圖6 橡膠取代率對試件折壓比的影響Fig.6 Flexural compressive ratio relationship of different rubber content

2.3 電鏡分析和EDS分析

圖7為不同試件電鏡掃描形貌圖，從圖7(a)中觀察發(fā)現(xiàn)，普通混凝土中的水泥漿體存在一些裂縫和孔隙，內(nèi)部不夠密實。圖7(b)中風積沙與水泥漿體間存在微小孔洞，與普通混凝土相比內(nèi)部裂縫減少，且微觀結(jié)構(gòu)較為緊密?？锥吹淖冃∈怯捎诨炷林袚饺腼L積沙可以優(yōu)化水化產(chǎn)物的分布，使水泥石中生成了大量的C-S-H凝膠體，而這些凝膠體可以改善砂漿結(jié)構(gòu)的密度和集料與水泥漿體間的黏結(jié)強度，這也間接提高了混凝土的強度[13]。圖7(c)中橡膠顆粒與水泥漿體交界處裂縫明顯，微觀結(jié)構(gòu)不緊密，且該區(qū)域水化產(chǎn)物較少，起不到填充作用，范德瓦爾茲引力減小，進而導致漿體強度降低[14]。圖7(d)中橡膠顆粒與風積沙水泥漿體之間的微觀結(jié)構(gòu)較為完整、緊密。因為橡膠是非極性彈性材料，與水泥之間存在明顯差異，且剛度相差較大，兩者的結(jié)合較大程度影響了混凝土的強度，但風積沙的摻入能夠改善兩者結(jié)合的缺陷，進而填充了橡膠顆粒與水泥漿體界面的裂縫。

Taylor等[15]通過EDS點掃描分析了混凝土中的水化產(chǎn)物，得出硅鈣比可以間接反映出界面過渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)的水泥水化產(chǎn)物?；诖?，對混凝土試件進行了EDS分析，進一步研究橡膠集料的摻入對混凝土力學性能的作用機理。

選取橡膠取代率為10%的AR-10試件、R-10試件、A-0試件和C-0試件，AR-10試件和R-10試件以橡膠到水泥漿體間的距離，A-0試件和C-0試件以石子到水泥漿體間的距離，取0、20、40、60 μm4個等分點作為定點，進行EDS分析比較。表3為集料-水泥砂漿體界面過渡區(qū)EDS分析結(jié)果，可以看出，A-0試件和AR-10試件的Si、Ca元素界面過渡區(qū)的水化產(chǎn)物含量均高于C-0試件和R-10試件，說明風積沙的摻入可以提高混凝土中的水化產(chǎn)物，進而能夠提升混凝土的強度。

表3 集料-水泥漿體界面過渡區(qū)EDS分析Table 3 EDS analysis of aggregate and cement matrix ITZ

圖8為混凝土試件Ca/Si曲線，可得出如下結(jié)論。

圖8 混凝土試件Ca/Si曲線Fig.8 Ca/Si curve of concrete specimen

(1)普通混凝土中在石子距離水泥漿體0～60 μm時，Ca/Si值先增大后減小，再持續(xù)緩慢增加，說明C-S-H先減小再緩慢提升后最終趨于穩(wěn)定，CH含量在20 μm處較為集中，CH、AFt和AFm在整個區(qū)間內(nèi)是先增大后減小最終趨于平穩(wěn)。

(2)風積沙混凝土中在水泥漿體距離石子0～60 μm時，鈣硅比升降趨勢與普通混凝土類似，其鈣硅比比值較普通混凝土有所減小，原因是風積沙本身是一種Si元素含量較高的材質(zhì)，這也表明風積沙混凝土中以C-S-H為主要的水化產(chǎn)物含量高于普通混凝土[16]。

(3)橡膠集料風積沙混凝土和橡膠集料混凝土的Ca/Si值在0～20 μm先減小，20～40 μm再增大，40～60 μm緩慢減小，說明C-S-H含量在0～20 μm時在增大，20～60 μm先減小后緩慢增大，其界面過渡區(qū)趨于不穩(wěn)定。在整個區(qū)間AR-10試件硅鈣比比值低于R-10試件，說明前者的界面過渡區(qū)中C-S-H含量大于后者，且二者的硅鈣比比值均大于A-0試件和C-0試件。這也表明混凝土中加入橡膠顆粒，會使水化產(chǎn)物CH、AFt、AFm含量增加，C-S-H含量減少，進而導致了界面過渡區(qū)不穩(wěn)定，水泥水化不充分，水泥漿體強度降低[17]。

3 結(jié)論

(1)橡膠集料風積沙混凝土和橡膠集料混凝土試件的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度均隨著橡膠取代率的增加而降低；折壓比隨橡膠取代率的增加而增加。

(2)橡膠顆粒的摻入使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在微裂縫，造成混凝土強度的降低；但橡膠本身又可以抑制和減緩微裂縫的延伸擴展，使裂縫不易貫通試件，進而提高了混凝土的韌性。

(3)在橡膠集料混凝土中摻入取代率為30%的風積沙可以提高混凝土的受力性能。

(4)電鏡掃描和EDS分析表明，橡膠顆粒的摻入會減少界面區(qū)的水化產(chǎn)物C-S-H，導致界面過渡區(qū)不穩(wěn)定，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生明顯微裂縫；適量風積沙的摻入，使界面區(qū)微裂縫寬度變小，結(jié)構(gòu)更為緊密，進而可以適度提高混凝土的力學性能。