廢橡膠對再生混凝土力學性能影響的試驗研究

張衛東，相 軍，王成武

(淮陰工學院建筑工程學院，江蘇淮安223001)

0 引言

目前，我國每年輪胎報廢量約360萬噸，并以每年15%的速度遞增;每年因拆遷而產生的廢棄混凝土總量約1 360萬噸，大部分廢舊橡膠和廢棄混凝土得不到綜合利用，成為工業垃圾，嚴重影響人類的生活環境，對廢棄橡膠及廢棄混凝土再生利用有利于節省資源、保護環境，具有重大意義.

近年來國內外對再生混凝土或廢橡膠混凝土進行了大量的研究［1-5］，所謂再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)，再加入水泥、水等配成的新混凝土.但關于兩者同時摻入時混凝土的力學性能研究較少，若廢橡膠再生混凝土相關力學性能等滿足工程要求，則會進一步提高廢橡膠及再生混凝土的利用率.肖建莊［6］和 Ravindrarajah［7］等研究成果表明:隨著再生混凝土取代率的提高，混凝土抗壓強度會隨之下降，最大降幅約為30%.關于廢橡膠混凝土，國外早在20世紀80年代就開始研究，而國內此方面的研究起步較晚.劉日鑫［8］研究成果表明:廢橡膠的摻量對混凝土的強度影響較大，當廢橡膠摻量達到20%時，廢橡膠顆粒混凝土的抗壓、抗折強度分別下降了59.9%和50%.鑒于此，本課題組展開了橡膠粒徑、橡膠取代率(0、5%、10%、15%)及再生混凝土取代率(20%、30%)對混凝土基本力學性能影響的試驗研究，并探討了橡膠再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂強度之間的關系.

1 原材料及試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥為宿遷淮河水泥有限公司生產的“猿洲”牌P.O42.5水泥;石子為粒徑5～30 mm的天然碎石，級配合格，表觀密度為2 725 kg/m3;砂為天然中粗河砂，連續級配，細度模數為2.6，表觀密度為2 580 kg/m3.再生粗骨料由市內老開發區住宅樓梁柱經鄂式破碎機破碎而成，粒徑5～30 mm，級配良好;攪拌水為飲用自來水.

橡膠A為0.425 mm橡膠粉，表觀密度為1 035 kg/m3;橡膠B為顆粒，粒徑2～3 mm，表觀密度為1 280 kg/m3，橡膠均為宿遷市興亞橡膠有限公司生產.

1.2 試驗設計

按照普通 C35混凝土設計配合比，具體見表1.其中再生混凝土按照等質量的原則替換粗骨料質量的20%、30%，廢棄橡膠同樣按照等質量的原則替換粗骨料的5%、10%、15%，鑒于再生混凝粗土骨料的吸水率略高于普通粗骨料的考慮，筆者以附加水對其進行補償.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

1.3 試驗方法

本試驗采用強制式攪拌機進行攪拌，澆筑試件為邊長150 mm的立方體，在振動臺上振動成型，24 h后拆模并立即搬入標準養護室進行養護.28 d后按照《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)［9］中的試驗方法測定立方體抗壓強度和劈裂強度，抗壓強度試驗加載速度為0.4～0.5 MPa/s，劈裂試驗加載速度為0.04～0.05 MPa/s.

2 試驗結果及分析

2.1 廢橡膠取代率對抗壓、劈裂強度的影響

廢橡膠取代率(y)與橡膠再生混凝土28 d的立方體抗壓強度fcu關系曲線，與劈裂強度ft關系曲線分別如圖1、圖2所示.

由圖1、圖2可知，廢橡膠取代率對再生混凝土的強度影響較為顯著.再生混凝土取代率為20%，廢橡膠B取代率為5%、10%、15%時，抗壓強度分別為再生混凝土抗壓強度的86.2%、72.5%和56.9%，劈裂強度分別為再生混凝土劈裂強度的89.7%、81.2%和69.2%.此數據表明:①混凝土立方體抗壓及劈裂強度與廢橡膠取代率線性關系明顯;②橡膠對抗壓強度的不利影響程度略大;③當廢橡膠B取代率為15%時，橡膠再生混凝土的立方體抗壓強度(21.0 MPa)和劈裂強度(1.44 MPa)相比于再生混凝土而言均有較大幅度的下降，但其均達到普通C15混凝土強度標準，具有一定的工程使用價值.

廢橡膠導致混凝土強度下降的主要原因是:①橡膠為彈性材料，模量較低，其強度低于混凝土強度，從而降低了橡膠再生混凝土強度;②橡膠為憎水性材料，與水泥基體不能很好地結合和粘結，導致橡膠與混凝土之間形成孔隙，使其內部孔隙率加大;③摻入橡膠后增加了混凝土的含氣量，進一步降低混凝土的強度.隨著橡膠取代率的增大，這些不利作用會更加凸顯，導致混凝土強度隨橡膠取代率的增加而降低.劈裂強度下降幅度低于抗壓強度是由于橡膠的抗撕裂能力、抗拉強度及變形能力均高于混凝土.

2.2 廢棄橡膠粒徑對抗壓、劈裂強度的影響

圖3、圖4為廢橡膠粒徑與抗壓強度和劈裂強度的關系.由圖3、圖4可見，再生混凝土取代率為30%，廢橡膠取代率為5%、10%、15%時，廢橡膠A再生混凝土的抗壓強度分別為廢橡膠B再生混凝土抗壓強度的97.5%、99.5%和99.0%，劈裂強度分別為95.8%、98.7%和99.3%.此數據表明再生混凝土和廢橡膠取代率相同的情況下，廢橡膠粒徑越大混凝土強度越大，但是影響程度均不是很顯著.究其原因可能是在相同質量取代率的前提下，廢橡膠B雖單個體積較大，但是總表面積沒有廢橡膠A大，導致廢橡膠A與混凝土的接觸面較大，形成更多的孔隙，導致廢橡膠A再生混凝土的強度略低，再者由于橡膠顆粒越大則混凝土中含氣量越大，廢橡膠取代率越大該效應越明顯，進而使混凝土強度降低，由于兩者的共同影響，故橡膠粒徑對混凝土強度的影響程度不顯著.

2.3 再生混凝土取代率對抗壓、劈裂強度的影響

圖5、圖6為混凝土取代率與抗壓強度，劈裂強度的關系.由圖5、圖6可見，再生混凝土取代率對橡膠混凝土的強度影響比較明顯.當橡膠種類或橡膠取代率相同時，隨著再生混凝土取代率的提高，橡膠再生混凝土的抗壓強度、劈裂強度均下降，抗壓強度最多下降約6%，劈裂強度約4.5%.原因主要有兩點:①摻入的骨料通過破碎得到，導致再生混凝土內部存在微裂縫，從而降低骨料強度;②再生混凝土外圍被舊砂漿包裹，從而會減弱再生混凝土與水泥砂漿之間的粘結力.隨著再生混凝土取代率的增高，兩者的不利作用更為明顯，進而降低混凝土強度.

2.4 抗壓強度與劈裂強度的關系

普通混凝土規范［10］給出了立方體抗壓強度與劈裂強度關系的公式

式中:fts為劈裂強度;fcu為立方體抗壓強度.

由圖7可知，實測的橡膠再生混凝土劈裂強度比按照公式(1)計算的劈裂強度低，約降低25.4%，故普通混凝土的立方體抗壓強度與劈裂強度之間的關系不再適用于橡膠再生混凝土，需要進行相應的修正.在公式(1)的基礎上，根據試驗結果，通過回歸修正后的橡膠再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂強度之間關系曲線如圖7所示，具體關系式為

公式(2)的回歸系數R2=0.992 8，表明兩者相關性很好，式中別表示橡膠再生混凝土立方體抗壓強度和劈裂強度.

圖7 fcu-ft關系曲線Fig.7 Curve relationship of fcu-ft

3 結論

(1)摻入廢橡膠的再生混凝土立方體抗壓強度及劈裂強度均低于再生混凝土，且有隨著橡膠取代率增加而強度下降的趨勢，其中對抗壓強度的影響程度略大.

(2)廢橡膠粒徑對橡膠再生混凝土的強度影響不是非常顯著，但顯示出廢橡膠粒徑越大橡膠再生混凝土的強度略大的趨勢.

(3)再生混凝土取代率對橡膠混凝土的強度影響比較明顯，且有隨著再生混凝土取代率增加而強度下降的趨勢.

(4)通過對試驗數據的統計回歸，得出了橡膠再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂強度之間關系的推薦公式，為橡膠再生混凝土的研究提供參考.

［1］劉長.中國輪胎資源循環利用行業發展及政策導向［J］.橡膠技術與裝備，2008，34(3):5-15.

［2］TOUTAN TOUTANJI H A.The use of rubber tire particle in concrete to replace mineral aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，1996，18(2):135-139.

［3］BENAZZOUK A，MEZREB K，DOYEN G，et al.Effct to robber aggregates of physico-mechanical behaviour of cement-rubber composites-influence of the alveolar texture of rubber aggregates ［J］.Cement＆Concrete Composites，2003，25(7):711-720.

［4］王占鋒，王社良，翁光遠.不同粗骨料取代率再生混凝土力學性能試驗研究［J］.鄭州大學學報:工學版，2012，33(4):32-35.

［5］亢景付，任海波，張平祖.橡膠混凝土的抗裂性能和彎曲變形性能［J］.復合材料學報，2006，23(6):158-162.

［6］肖建莊，李佳彬，孫振平，等.再生混凝土的抗壓強度研究［J］.同濟大學學報:自然科學版，2004，32(12):1558-1561.

［7］RAVINDRARAJAH R，TAM C T.Recycled concrete as fine and coarse aggregate in concrete［J］.Magazine of Concrete Research，1987，39(141):214-220.

［8］劉日鑫，侯文順，徐永紅，等.廢橡膠顆粒對混凝土力學性能的影響［J］.建筑材料學報，2009(3):341-344.

［9］GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［10］GB/T 50010—2010，混凝土結構設計規范 ［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.