劉 姿

(商丘市睢陽(yáng)區(qū)水務(wù)局，河南 商丘 476000)

1 概 述

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量也逐年攀升，這給人們的出行帶來(lái)方便，同時(shí)也不可避免地產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎。對(duì)廢舊輪胎的處理，特別是資源化利用成為一個(gè)十分重要而緊迫的社會(huì)性問(wèn)題。相關(guān)研究顯示，利用廢舊輪胎制作的再生橡膠顆粒摻入混凝土，可有效改善混凝土的物理和力學(xué)性能[1]，具有較為廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值，是廢舊輪胎資源化利用的重要方式和途徑，已經(jīng)成為業(yè)界所關(guān)注的重要課題[2]。

混凝土是水利工程建設(shè)的重要材料，也是使用量最大的材料，其性能對(duì)水工結(jié)構(gòu)和建筑物的質(zhì)量和耐久性具有十分顯著的影響。在北方寒區(qū)的水利工程建設(shè)領(lǐng)域，抗凍性能是衡量混凝土性能的重要指標(biāo)[3]。從目前的研究來(lái)看，橡膠混凝土的研究主要集中于其物理和力學(xué)性能，針對(duì)再生橡膠顆粒對(duì)水工混凝土抗凍性能影響的研究不多[4]。基于此，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討再生橡膠顆粒摻量對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響，為再生橡膠顆粒在水工混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持和幫助。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥是混凝土中的主要膠凝材料，其性能會(huì)對(duì)混凝土質(zhì)量影響顯著。此次研究中使用的是天津冀北水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為1.98 cm3/g，初凝和終凝時(shí)間分別為190和246 min，比表面積為345 cm2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度為52.8 MPa，抗折強(qiáng)度為9.5 MPa。各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)用骨料包括粗骨料和細(xì)骨料。其中，試驗(yàn)用細(xì)骨料為級(jí)配良好的天然河沙，其表觀密度為2 338 kg/m3，含泥量為1.5%，細(xì)度模數(shù)為2.21；試驗(yàn)用粗骨料為天然卵礫石，其壓碎率為2.5%，粒徑范圍為15～47 mm。

試驗(yàn)中選擇粉煤灰作為礦物摻合料，其來(lái)自于唐山冀東熱電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰；試驗(yàn)用減水劑為青島方北建材有限公司出品的聚羥酸系列高效減水劑；試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室當(dāng)?shù)氐钠胀ㄗ詠?lái)水。

再生橡膠顆粒是此次研究的重要材料，通過(guò)廢舊輪胎破碎篩分獲得。經(jīng)測(cè)定，其粒徑范圍為0.44～1.03 mm，表觀密度為1 088 g/cm3，纖維含量為8.3%，灰分小于8.7%。在各種輪胎的生產(chǎn)過(guò)程中，為提高橡膠的性能，往往會(huì)添加一定量的硬質(zhì)酸辛。這種添加劑會(huì)對(duì)橡膠顆粒和混凝土材料的黏結(jié)作用明顯下降。為了解決這一問(wèn)題，需要將制備好的橡膠顆粒在5%的NaOH溶液中浸泡12 h，然后再用清水洗凈，晾干備用[5]。

2.2 試件制作

試驗(yàn)采用的是150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。在試件制作過(guò)程中，首先將稱量好的再生橡膠顆粒和粗骨料倒入攪拌機(jī)攪拌2 min，然后加入水泥、粉煤灰和細(xì)骨料繼續(xù)攪拌1 min，最后加入水和減水劑再攪拌3 min[6]。將拌制好的改性橡膠混凝土裝入試模，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2～3 min，振動(dòng)密實(shí)之后放在陰涼、通風(fēng)處?kù)o置24 h脫模，然后再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期[7]。

2.3 試驗(yàn)方法

將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試塊在清水中浸泡48 h，然后取出擦干稱重，放入橡膠桶，再放入冷凍箱開(kāi)始凍融試驗(yàn)[7]。凍融循環(huán)試驗(yàn)在清水中進(jìn)行，每個(gè)凍融循環(huán)的周期為4 h，試驗(yàn)中進(jìn)行50次凍融循環(huán)，每10次循環(huán)測(cè)定一次質(zhì)量數(shù)據(jù)，在50次凍融循環(huán)之后，測(cè)量試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度[8]。

2.4 試驗(yàn)方案

在橡膠混凝土抗凍性能方面，橡膠摻量是最主要的影響因素。因此，研究中選擇水工建設(shè)領(lǐng)域常用的C30混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中保持其余參數(shù)不變，設(shè)置0%、5%、10%、15%和20%等5種不同的比例，利用再生橡膠顆粒等體積替代混凝土中的細(xì)骨料，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探討橡膠混凝土摻量對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響。具體的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案配合比 /kg·(m3)-1

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)不同再生橡膠顆粒替代率方案下試件的質(zhì)量損失率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2中的計(jì)算結(jié)果可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)和再生橡膠顆粒的替代率均會(huì)對(duì)水工混凝土的質(zhì)量損失率產(chǎn)生比較顯著的影響。為了進(jìn)一步獲取相關(guān)的變化規(guī)律。研究中以表2中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出不同試驗(yàn)方案下的試件質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先緩慢增加、后迅速增加、然后增速又趨于緩慢的變化特點(diǎn)，且各方案的變化特征相似。由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加再生橡膠顆粒，不會(huì)對(duì)混凝土的質(zhì)量損失率變化規(guī)律造成顯著影響。從不同的方案對(duì)比來(lái)看，摻加再生橡膠顆粒方案的質(zhì)量損失率均明顯偏小，說(shuō)明在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒有助于提高混凝土的抗凍性。在各個(gè)方案中，質(zhì)量損失率最小的為方案3。由此可見(jiàn)，從質(zhì)量損失率的指標(biāo)來(lái)看，最優(yōu)方案為方案3，也就是選擇10%的再生橡膠顆粒取代率。

表2 質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

圖1 質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

3.2 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)50次凍融試驗(yàn)完畢之后的抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生橡膠顆粒取代率的變化曲線，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著再生橡膠顆粒取代率的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小的變化特點(diǎn)。同時(shí)，摻加再生橡膠顆粒方案的抗壓強(qiáng)度值均大于沒(méi)有摻加再生橡膠顆粒的方案1。由此可見(jiàn)，在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效提高凍融循環(huán)作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度。究其原因，主要是橡膠顆粒為典型的彈性體材料，在分散到混凝土中之后，可以充當(dāng)混凝土受凍過(guò)程中的應(yīng)力中心，緩解凍融循環(huán)作用下的溫度應(yīng)力影響以及凍結(jié)過(guò)程中的膨脹應(yīng)力，從而有效阻止了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，減少混凝土內(nèi)部的應(yīng)力破壞，因此提高混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)然，由于橡膠顆粒本身的強(qiáng)度較低，過(guò)量摻入橡膠顆粒，反而不利于混凝土強(qiáng)度的提高。從具體的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)再生橡膠顆粒取代率為10%時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度值最大，為38.42 MPa，與沒(méi)有摻加再生橡膠顆粒方案35.25 MPa的抗壓強(qiáng)度值相比，增加約8.99%。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨再生橡膠顆粒取代率變化曲線

3.3 抗折強(qiáng)度

根據(jù)50次凍融試驗(yàn)完畢之后的抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出混凝土抗折強(qiáng)度隨再生橡膠顆粒取代率的變化曲線，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律類似，隨著再生橡膠顆粒取代率的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小的變化特點(diǎn)。同時(shí)，摻加再生橡膠顆粒方案的抗折強(qiáng)度值均大于沒(méi)有摻加再生橡膠顆粒的方案1。由此可見(jiàn)，在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效提高凍融循環(huán)作用下混凝土的抗折強(qiáng)度。鑒于其原因和抗壓強(qiáng)度類似，這里不再贅述。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)再生橡膠顆粒的取代率為10%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度值最大為5.23 MPa，與未摻加再生橡膠顆粒方案4.66 MPa的抗壓強(qiáng)度值相比，提高約12.23。

圖3 抗折強(qiáng)度隨再生橡膠顆粒取代率變化曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了再生橡膠顆粒摻量對(duì)水工混凝土抗凍性的影響，主要結(jié)論如下：

1) 在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效降低混凝土的質(zhì)量損失率，提高其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2) 當(dāng)再生橡膠顆粒的取代率為10%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率最小，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大。

3) 在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可有效提升其抗凍性能，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其最佳取代率為15%。