李龍梓，宋秋磊，李酉成，田寅，陳晶晶

（1.蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.江蘇省高耐久混凝土工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，大量的廢舊汽車報(bào)廢，伴隨而生了大量的廢舊輪胎。由于廢舊輪胎是一種難以自然降解的材料，長(zhǎng)期堆放會(huì)造成環(huán)境污染[1]，因此廢舊輪胎也被認(rèn)為是一種“黑色污染”[2]。目前，廢棄輪胎的綜合利用措施主要包括輪胎翻新、熱能利用、熱分解、生產(chǎn)再生膠和橡膠粉等方式，但未能真正解決廢舊輪胎回收利用的問題[3]。

廢棄輪胎加工而成的橡膠粉是一種高彈性材料，在受到外界沖擊和荷載作用下，其具有較強(qiáng)的能量吸收作用，能減緩混凝土在外力下的破壞。文章通過對(duì)橡膠粉混凝土的基本力學(xué)性能、耐磨性能、靜彈性模量和抗凍性等性能的影響研究,并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了闡述分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：采用江南小野田水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5級(jí)水泥。

細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 600 kg/m3。

粗骨料：粒徑為5～10 mm和10～20 mm的碎石，兩種粒徑范圍碎石質(zhì)量比例為1∶1。

橡膠粉：產(chǎn)自蘇州虹磊橡塑科技有限公司，粒徑為0.85 mm，表觀密度為1 030 kg/m3。

外加劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，型號(hào)為PCA-1，固含量20%。

水：普通自來水。

1.2 配合比

首先，為了研究橡膠粉對(duì)混凝土的性能影響，制備了不同橡膠粉摻量替代細(xì)骨料的混凝土，如表1中編號(hào)A-1、A-2、A-3和A-4所示。其次，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)橡膠粉對(duì)混凝土的抗凍性影響，制備了相同橡膠粉摻量不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土以及不同摻量橡膠粉相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，如表1中編號(hào)B-1、B-2、B-3、B-4，以及C-1、C-2、C-3所示。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能和靜彈性模量測(cè)試：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》?；炷聊湍バ詼y(cè)試：按照J(rèn)C/T 421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》。混凝土抗凍性測(cè)試：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和

耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 橡膠粉對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

當(dāng)采用橡膠粉代替細(xì)骨料制備混凝土?xí)r，保證混凝土中的細(xì)骨料總體積不變。通過編號(hào)A-1、A-2、A-3和A-4配合比制備了不同橡膠粉摻量的混凝土，其容重分別為：2.38 kg/m3、2.35kg/m3、2.27 kg/m3和2.22 kg/m3。此外，不同橡膠粉摻量所制備混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同橡膠粉摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

由圖1可得，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)橡膠粉的摻量達(dá)到10%和15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別降低了13%和28%，抗折強(qiáng)度分別降低了9.6%和22%。由此可加，橡膠粉的摻入嚴(yán)重降低了混凝土的力學(xué)性能。橡膠粉取代細(xì)骨料起到填充的作用，其本身并不參與水化過程。此外，橡膠粉是一種增水性材料，其與水泥水化產(chǎn)物之間的粘接較差，制備橡膠粉混凝土相當(dāng)于在混凝土內(nèi)部引入了薄弱區(qū)，從而造成混凝土的力學(xué)性能降低。

2.2 橡膠粉對(duì)混凝土耐磨性能影響

通過編號(hào)A-1、A-2、A-3和A-4配合比制備了不同橡膠粉摻量的混凝土，并對(duì)其耐磨性能進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，隨著橡膠粉摻量增加，混凝土的磨損量會(huì)出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)橡膠粉摻量為0時(shí)，混凝土的磨損量為1.12 kg/m2；當(dāng)橡膠粉摻量為5%時(shí)，混凝土的磨損質(zhì)量為0.69 kg/m2，相對(duì)磨損量降低了38%；而當(dāng)橡膠粉摻量為10%和15%時(shí)，混凝土的磨損量分別為1.15 kg/m2和1.43 kg/m2，且磨損量均要大于無橡膠粉混凝土。橡膠的彈性模量大約為7.8 MPa，而巖石的彈性模量為40 000～90 000 MPa，二者差別較大。在摩擦的過程中，橡膠可以通過自身變形分散應(yīng)力作用，緩解應(yīng)力集中的破壞作用，可以改善橡膠混凝土的耐磨性能。但是，橡膠粉的引入，會(huì)造成混凝土的力學(xué)性能下降，從而降低其耐磨性。因此，在這綜合影響效果下，這也就造成了混凝土的磨損質(zhì)量隨著橡膠粉摻量的增加而出現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象。

圖2 為不同摻量橡膠混凝土的磨損質(zhì)量

2.3 橡膠粉對(duì)混凝土靜彈性模量影響

圖3為編號(hào)A-1、A-2、A-3和A-4配合比所制備的不同橡膠粉摻量混凝土的靜彈性模量測(cè)試結(jié)果。

圖3 不同摻量橡膠混凝土靜彈性模量

從圖3可知，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠混凝土的靜彈性模量會(huì)逐漸降低。當(dāng)橡膠粉摻量分別為5%、10%和15%時(shí)，橡膠混凝土的靜彈性模量分別降低了5.4%、8.2%和9.6%。靜彈性模量是表征材料的彈性能力大小的指標(biāo)，靜彈性模量越大，材料的彈性能力越差。普通混凝土中的砂子、石子和水泥石均是脆性材料，彈性模量較大。相比于細(xì)骨料而言，橡膠粉是一種高彈性體材料，有較大的變形能力。在混凝土中加入橡膠粉顆粒，相當(dāng)于加入了大量的彈性球體，在外應(yīng)力作用過程中橡膠混凝土?xí)嬖谝粋€(gè)應(yīng)變的過程，從而使橡膠混凝土的彈性模量迅速降低。

2.4 橡膠粉對(duì)混凝土抗凍性影響

混凝土抗凍融循環(huán)能力是評(píng)價(jià)混凝土抗凍性的重要指標(biāo)。混凝土在凍融循環(huán)下的破壞形式主要有兩種：表面剝落和內(nèi)部開裂。其中，混凝土的表面剝落，主要體現(xiàn)在混凝土的質(zhì)量損失。而混凝土的內(nèi)部開裂，主要體現(xiàn)在混凝土的動(dòng)彈模量變化。

表2為相同橡膠粉摻量不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土和不同摻量相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率。

表2 橡膠混凝土抗凍質(zhì)量損失率

圖4和5分別為不同橡膠粉摻量相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土和相同橡膠粉摻量不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的彈性模量損失率。

圖4 相同摻量不同強(qiáng)度的彈性模量損失率

圖5 不同摻量相同強(qiáng)度的彈性模量損失率

由表2可知：①隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增大，橡膠混凝土的質(zhì)量損失率會(huì)逐漸增大；②在相同橡膠粉摻量情況下，隨著強(qiáng)度等級(jí)提高橡膠混凝土的質(zhì)量損失量逐漸降低；③在相同強(qiáng)度等級(jí)的情況下，橡膠粉摻量不同，橡膠混凝土的質(zhì)量損失率差異也是很大的。尤其是在同等凍融循環(huán)次數(shù)下，C2組別的C40混凝土的質(zhì)量損失率最小。

從圖4中可以看到，隨著混凝土強(qiáng)度逐漸增大，橡膠混凝土的彈性模量損失幅度逐漸降低。在凍融循環(huán)的過程中，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔壁會(huì)由于收到自由水狀態(tài)變化帶來的壓力，直至孔結(jié)構(gòu)的破壞，從而引起混凝土質(zhì)量以及彈性模量的損失。一般來說，混凝土內(nèi)部的自由水含量越高，其凍融破壞越嚴(yán)重。并且，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土表面的質(zhì)量損失也會(huì)加大外加水進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，會(huì)加速混凝土的凍融破壞。

此外，從圖4可知，隨著橡膠混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，但不同摻量橡膠混凝土的彈性模量損失幅度是不同的。其中，橡膠粉摻量為10%的混凝土的彈性模量損失幅度最小，而當(dāng)橡膠粉摻量大于10%時(shí)，橡膠混凝土的彈性模量降低幅度逐漸增大。這主要是由于一方面橡膠粉的材質(zhì)造成其可以有效提高混凝土抵抗變形的能力，但是另一方面橡膠粉的加入亦會(huì)在混凝土內(nèi)部形成薄弱區(qū)，造成內(nèi)部容易產(chǎn)生破壞。綜合作用下，這也就造成了10%橡膠粉摻量的C2組別混凝土，雖然其水灰比相對(duì)較大，但其彈性模量損失率與質(zhì)量損失率是最低的。

3 結(jié)論

（1）隨著橡膠粉摻量增加，橡膠混凝土的容重、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均逐漸降低。

（2）隨著橡膠粉摻量增加，橡膠混凝土的靜彈性模量也逐漸降低。摻入橡膠粉后，橡膠混凝土的耐磨性先增大后減小。在橡膠粉摻量為5%時(shí)，橡膠混凝土的耐磨性較好。

（3）隨著凍融次數(shù)的增加，橡膠混凝土的破壞越來越嚴(yán)重。在相同摻量不同強(qiáng)度等級(jí)的情況下，橡膠混凝土的強(qiáng)度越高，其抗凍性越好。在不同摻量相同強(qiáng)度等級(jí)的情況下，當(dāng)橡膠粉摻量為10%時(shí)，橡膠混凝土的抗凍性最好。

（4）橡膠粉顆粒與混凝土的界面過渡區(qū)是影響橡膠混凝土性能的關(guān)鍵。