劉蘭君，閻宇彤

(商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院,河南 商丘 476000)

0 引言

隨著城市化的快速推進(jìn),城市地表被密實(shí)的混凝土材料所覆蓋,由此引發(fā)諸多問(wèn)題,最為突出的是城市內(nèi)澇,近年來(lái),全國(guó)受暴雨襲擊的城市越來(lái)越多,每逢暴雨就會(huì)出現(xiàn)城市看海的情況,為解決這一問(wèn)題,國(guó)家提出海綿城市發(fā)展戰(zhàn)略[1-3]。

透水混凝土是由歐美、日本等國(guó)家針對(duì)城市道路路面的缺陷開(kāi)發(fā),使用的一種鋪裝材料,這種材料能讓雨水流入地下,有效補(bǔ)充地下水,緩解城市的地下水位急劇下降等等的一些城市環(huán)境問(wèn)題[4-6]。透水混凝土作為海綿城市建設(shè)中重要的材料,發(fā)揮著重要的作用,我國(guó)對(duì)透水混凝土的研究起步相對(duì)較晚,并且由于透水混凝土多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn),導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能及耐久性相對(duì)較差,從而導(dǎo)致透水混凝土在廣泛推廣應(yīng)用中受到限制[7-11]。

廢舊橡膠作為工業(yè)發(fā)展的廢棄物,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車制造業(yè)的發(fā)展,淘汰廢棄的輪胎數(shù)量激增從而導(dǎo)致廢棄橡膠數(shù)量越來(lái)越多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2022年廢舊輪胎的數(shù)量達(dá)到5億條,總重超過(guò)2 100萬(wàn)t作為一種數(shù)量極為豐富的固體廢棄物,通常采用掩埋、焚燒的處理方式,而高分子橡膠是一種難溶難分解的高彈性的材料,簡(jiǎn)單粗暴的處理方式造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[12-14],但是,橡膠具有高彈性、耐磨性特點(diǎn),將其用于透水混凝土中,可以極大的改善透水混凝土的性能,特別是變形性能和耐久性,不僅可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的再利用,還可以有效提高混凝土的性能[15-18]。

試驗(yàn)研究了在一定改性橡膠摻量和粒徑下,天然骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響,研究了改性橡膠粒徑、摻量對(duì)透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)、28 d抗壓抗折強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,為廢棄橡膠在透水混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1)骨料。透水混凝土對(duì)骨料的要求,除了形成骨架,提供強(qiáng)度,還要求保持一定的空隙,提高排水能力。試驗(yàn)采用單一粒徑骨料,分為4組,第1組:2.5 mm～5 mm,第2組:5 mm～10 mm,第3組:10 mm～16 mm,第4組:16 mm～20 mm。各組表觀密度和堆積密度見(jiàn)表1。

表1 骨料表觀密度和堆積密度

2)水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合GB 175—2020通用硅酸鹽水泥的要求,表觀密度為3 100 kg/m3。

3)廢舊橡膠。廢棄橡膠采用河北石家莊市燕西加工廠的橡膠,4組粒徑分別是10目、30目、60目、80目,其粒徑分別對(duì)應(yīng)的是2 mm,0.6 mm,0.25 mm,0.18 mm,其改性方法為:氧化-尿素改性,NaOH溶液改性后,用高錳酸鉀溶液在60 ℃恒溫下氧化,并持續(xù)添加高錳酸鉀,同時(shí)保持pH在2～3之間,保持30 min,清水沖洗2遍。橡膠摻量,以水泥質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記,分別為:5%,10%,15%,20%。

4)水為市政自來(lái)水,滿足JGJ 63—2006混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

5)減水劑為聚羧酸高效減水劑,摻量為水泥質(zhì)量的1%。

6)配合比設(shè)計(jì),透水混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)10目橡膠摻量10%,不同骨料粒徑的配合比見(jiàn)表2。

表2 10目橡膠摻量10%,各組配合比

骨料粒徑10 mm～16 mm時(shí),分別采用10目、30目、60目、80目橡膠,摻量分別為5%,10%,15%,20%時(shí),配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改性橡膠透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

7)拌和。當(dāng)前對(duì)透水混凝土拌和的研究缺乏定量的數(shù)據(jù)佐證,難以全面系統(tǒng)地反映各攪拌方式的特點(diǎn)。主要有一次投料法、水泥凈漿法和石子裹漿法3種,試驗(yàn)采用文獻(xiàn)推薦的石子裹漿法,拌和流程如圖1所示。

2 試驗(yàn)方法

分別依據(jù)CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程、GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)GB/T 16925—1997混凝土及其制品耐磨性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行孔隙率、透水系數(shù)、抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)當(dāng)10目橡膠摻量10%,氧化-尿素改性后,不同骨料粒徑的抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 10目、摻量10%、不同骨料粒徑28 d抗壓強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到,隨著骨料粒徑增加,28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小,在10 mm～16 mm時(shí)達(dá)到最大。在16 mm以內(nèi)時(shí),骨料粒徑增加,總表面積減小,骨料內(nèi)摩擦增加,與水泥漿的黏結(jié)力增加從而導(dǎo)致透水混凝土力學(xué)性能增加。如果骨料增加到16 mm～20 mm,由于骨料之前的孔隙率增加,孔隙率對(duì)強(qiáng)度的控制超越內(nèi)摩擦力成為主導(dǎo)作用,導(dǎo)致透水混凝土強(qiáng)度開(kāi)始降低。

所以,透水混凝土骨料粒徑控制在10 mm～16 mm較為理想。

2)骨料粒徑10 mm～16 mm時(shí),分別采用10目、30目、60目、80目橡膠,摻量分別為5%,10%,15%,20%時(shí),透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

由表5和圖2可知,廢舊橡膠的摻入降低了透水混凝土的孔隙率,摻量越多,降低的越多。橡膠顆粒10目時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目時(shí),分別降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目時(shí),分別降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目時(shí),分別降低了25%,34%,40%,47%。目數(shù)越大降低的越多。在小摻量5%時(shí),10目橡膠、30目橡膠、60目橡膠對(duì)孔隙率的降低都在10%以內(nèi)。橡膠顆粒越小,對(duì)孔隙率的降低越明顯,80目橡膠對(duì)孔隙率的降低明顯增加。

由表5和圖3可知,廢舊橡膠降低了透水混凝土的透水系數(shù),摻量越大,影響越大,橡膠顆粒越小,降低越顯著,橡膠顆粒為80目,透水混凝土的透水系數(shù)降低程度明顯加劇。橡膠顆粒10目時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目時(shí),分別降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目時(shí),分別降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目時(shí),分別降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目時(shí),在橡膠摻量5%時(shí),降低不超過(guò)5%,80目橡膠摻量為20%,透水系數(shù)降低了63.7%。

由于橡膠的摻入,堵塞了原有透水混凝土滲流通道,降低了孔隙率,從而降低了透水混凝土的滲透系數(shù)。

由表5和圖4可知,摻入10目橡膠時(shí),摻量5%,透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高了12.7%,摻量10%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高6.4%,摻量為15%,20%,分別降低了7.4%和36.7%;摻入30目橡膠時(shí),摻量為5%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高8.8%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了1.4%,14.8%,25.4%;摻入60目橡膠時(shí),摻量5%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高1.7%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了4.2%,8.5%,14.5%;摻入80目橡膠時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。摻入10目的橡膠5%時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大31.9 MPa。在小摻量時(shí),粒徑較大時(shí),廢棄橡膠的摻入,降低了透水混凝土的孔隙率,提高密實(shí)度,從而在一定程度上增加了透水混凝土的強(qiáng)度。但是隨著摻量的增加,顆粒粒徑的減小,透水混凝土的強(qiáng)度開(kāi)始降低,并且摻量越大,粒徑越小,降低程度越大。本文認(rèn)為,在孔隙率較大時(shí),孔隙率對(duì)強(qiáng)度的影響起控制作用,降低孔隙率能明顯提高強(qiáng)度,當(dāng)孔隙率降低到一定程度時(shí),骨料性質(zhì)、骨料與水泥漿之間的截面黏結(jié)力以及骨料的總表面積起控制作用,橡膠摻量增大、粒徑減小時(shí),骨料強(qiáng)度降低,骨料總表面積增大,漿骨比相對(duì)減小,同時(shí),橡膠顆粒與水泥漿黏結(jié)力小于石子與水泥漿的黏結(jié)力,從而導(dǎo)致了在摻量較大、橡膠目數(shù)增加時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

由表5和圖5可知,摻入10目橡膠時(shí),摻量5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了13%,4.3%,摻量為15%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低34.8%,56.5%;摻入30目橡膠時(shí),摻量為5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了0,21.7%,摻量為15%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低26.1%,34.8%;摻入60目橡膠時(shí),摻量為5%,10%,15%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了13%,26%,4.3%,摻入20%時(shí),降低了47.8%;摻入80目橡膠時(shí),摻量為5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了4.4%,8.7%,摻量為5%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低13%,34%。60目,摻量為15%時(shí),抗折強(qiáng)度提高最大,達(dá)到2.9 MPa,其次是30目、摻量15%時(shí),達(dá)到2.8 MPa。

由于普通混凝土是脆性材料、透水混凝土孔隙率大,抗折強(qiáng)度較低,廢舊橡膠填充了透水混凝土孔隙,同時(shí)橡膠固有彈性比混凝土好,所以出現(xiàn)粒徑不同、摻量不同時(shí),導(dǎo)致透水混凝土抗折強(qiáng)度不同程度的提高,但是,當(dāng)摻量比較大,粒徑較小時(shí),漿骨比、截面黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗折強(qiáng)度起控制作用,抗折強(qiáng)度開(kāi)始降低。

對(duì)比橡膠顆粒對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響,橡膠對(duì)抗折強(qiáng)度的改善較為有利。

3)改性橡膠透水混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。為分析改性橡膠透水混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓之間的變化關(guān)系,取10目橡膠的各摻量下的抗折和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合,如圖6所示。

擬合結(jié)果顯示,改性橡膠透水混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓之間呈線性關(guān)系,斜率0.118,R2=0.9。

4 結(jié)論

試驗(yàn)考察了氧化-尿素改性橡膠對(duì)透水混凝土基本性能的影響。

1)考察了不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,10目橡膠摻量10%時(shí),粒徑分別是2.5 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～16 mm,16 mm～20 mm 4組,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著骨料粒徑增加,28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小,在10 mm～16 mm時(shí)達(dá)到最大。

2)橡膠顆粒10目時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目時(shí),分別降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目時(shí),分別降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目時(shí),分別降低了25%,34%,40%,47%。目數(shù)越大降低的越多。在小摻量5%時(shí),10目橡膠、30目橡膠、60目橡膠對(duì)孔隙率的降低都在10%以內(nèi)。橡膠顆粒越小,對(duì)孔隙率的降低越明顯,80目橡膠對(duì)孔隙率的降低明顯增加。

3)廢舊橡膠降低了透水混凝土的透水系數(shù),摻量越大,影響越大,橡膠顆粒越小,降低越顯著,橡膠顆粒為80目,透水混凝土的透水系數(shù)降低程度明顯加劇。橡膠顆粒10目時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目時(shí),分別降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目時(shí),分別降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目時(shí),分別降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目時(shí),在橡膠摻量5%時(shí),降低不超過(guò)5%,80目橡膠摻量為20%,透水系數(shù)降低了63.7%。

4)摻入10目橡膠時(shí),摻量5%,透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高了12.7%,摻量10%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高6.4%,摻量為15%,20%,分別降低了7.4%和36.7%;摻入30目橡膠時(shí),摻量為5%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高8.8%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了1.4%,14.8%,25.4%;摻入60目橡膠時(shí),摻量5%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高1.7%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了4.2%,8.5%,14.5%;摻入80目橡膠時(shí),摻量為5%,10%,15%,20%,抗壓強(qiáng)度分別降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。摻入10目的橡膠5%時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大31.9 MPa。

5)摻入10目橡膠時(shí),摻量5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了13%,4.3%,摻量為15%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低34.8%,56.5%;摻入30目橡膠時(shí),摻量為5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了0,21.7%,摻量為15%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低26.1%,34.8%;摻入60目橡膠時(shí),摻量為5%,10%,15%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了13%,26%,4.3%,摻入20%時(shí),降低了47.8%;摻入80目橡膠時(shí),摻量為5%,10%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了4.4%,8.7%,摻量為5%,20%時(shí),透水混凝土抗折強(qiáng)度分別降低13%,34%。60目,摻量為15%時(shí),抗折強(qiáng)度提高最大,達(dá)到2.9 MPa,其次是30目、摻量15%時(shí),達(dá)到2.8 MPa。

6)改性橡膠透水混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為y=-1.221+0.118x。