廢舊輪胎橡膠粉對再生混凝土力學特性的試驗研究

王海龍，王 磊，王 培，張 克

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

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廢舊輪胎橡膠粉對再生混凝土力學特性的試驗研究

王海龍，王 磊，王 培，張 克

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

再生混凝土被視為節約材料的一種重要舉措，同時，廢舊輪胎橡膠粉的適量摻入可以優化混凝土的性能。為使兩種廢棄材料合理利用，本文以廢舊輪胎橡膠粉和廢棄混凝土加工生成的再生骨料為研究對象，研究了外摻廢舊輪胎橡膠粉對再生混凝土力學特性的影響。通過對再生混凝土基準組的試驗研究，得到了再生混凝土前28 d的強度發育規律，結合此規律并在其他學者研究的基礎上擬合出再生混凝土早期抗壓強度數學模型；同時，對再生混凝土外摻不同粒徑(20目、60目、80目、100目、120目)和不同摻量(3%、6%、9%)的橡膠粉，并研究此情況下橡膠粉對不同齡期再生混凝土的抗壓強度的影響。試驗結果表明：摻入橡膠粉會降低再生混凝土的抗壓強度；當摻入粒徑為20目，摻量為3%的橡膠粉時，再生混凝土抗壓強度最好。

廢舊輪胎橡膠粉； 再生混凝土； 抗壓強度； 微觀分析

1 引 言

近年來，再生混凝土成為學者們研究的熱點。再生混凝土是對廢棄建筑材料的再生利用，符合科學發展的觀點。大多數學者比較關注對再生混凝土基本力學性能的研究，如對其進行早期抗壓、抗折強度的研究[1]；劈裂抗拉、靜力彈性模量[2]的分析；有的學者還研究其碳化性能、應力-應變本構關系、抗凍融性和配合比設計[3-6]。對于廢舊輪胎橡膠粉的研究也備受學者們關注。如學者王海龍[7,8]的研究表明：橡膠粉的摻入，混凝土抗壓強度和彈性模量將會降低；可以調節混凝土的和易性；增加塑性性能。同時學者許金余[9]研究發現：當凍融循環次數相同時，摻量小于100 L/m3時，3種粒徑(16目、20目、40目)的橡膠混凝土的質量損失率小于基準混凝土。所以橡膠混凝土具有良好的耐久性、減震性能、抗沖擊性、抗爆裂性、隔音隔熱等優點[10]。再生混凝土與廢舊輪胎橡膠粉具有各自的優點，相比較而言，將兩者結合起來進行研究的較少，仍缺乏相關數據的積累。所以，本試驗將研究摻入橡膠粉的再生混凝土基本力學性質。

2 試 驗

2.1 試驗材料

(1)水泥：采用冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,密度3093 kg/m3；(2)砂：普通河沙，中砂，細度模數2.5，表觀密度2623 kg/m3；含水率1%，級配良好；(3)粗骨料：采用廢棄的C30強度的混凝土經過顎式破碎機破碎而成的再生骨料，粒徑5～20 mm,表觀密度2483 kg/m3，含水率2.45%；(4)橡膠粉：20目(A級)、60目(B級)、80目(C級)、100目(D級)、120目(E級)；(5)減水劑：采用DNF高效減水劑，減水率20%，以膠凝材料的2.5%摻入；(6)水：自來水。

2.2 試驗設計

本試驗以未摻橡膠粉的再生混凝土，設計強度等級C40 為基準組。結合《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)和張永娟[6]的計算方法確定基準組(J組)的配合比為m(水泥)∶m(砂)∶m(再生骨料)∶m(水)∶m(減水劑)=1∶1.975∶2.963∶0.449∶0.025。橡膠粉是根據膠凝材料的3%、6%、9%(質量百分比)摻入。

3 結果與討論

3.1 再生混凝土基準組強度發育分析

根據表1再生混凝土基準組抗壓強度與齡期關系可以得到，從強度增長速率分析：再生混凝土組前3 d強度增長速率最快，在8 MPa/d左右；3 d到7 d強度增長速率明顯降低，為1.701 MPa/d，但仍高于7 d到14 d以后的強度增長速率；14 d以后強度增長速率較之前下降更大，均小于1 MPa/d，而21 d到28 d的強度增長速率明顯要高于14 d到21 d的強度增長速率，所以前7 d的強度增長速率最大。 從相對強度增長率也可以看出：再生混凝土組3 d到7 d相對強度增長率較高，在20%左右；7 d到14 d相對強度增長率降低到10%左右；14 d到21 d最低，在4%左右；21 d到28 d增長速率在6%左右。這說明7 d以后強度增長變慢。從相對抗壓強度可以發現：前7 d相對抗壓強度可達到72.671%，后21 d僅增長了27.329%，因此前7 d齡期養護產生的強度貢獻大。

表1 再生混凝土基準組抗壓強度與齡期關系Tab.1 Relationship of compressive strength and age of the recycled aggregate concrete baseline group

總之，從強度增長速率、相對強度增長率和相對抗壓強度這三個角度分析再生混凝土基準組的強度發育，均得出結論：前7 d齡期養護產生的強度貢獻大，7 d以后強度貢獻減小。這與學者張興才[1]的研究結論一致。

3.2 橡膠粉對再生混凝土強度的影響

試驗選用五種橡膠粉粒徑(A級、B級、C級、D級、E級)，摻量分別為3%、6%、9%，不同橡膠摻量(相同粒徑)對再生混凝土力學性能的影響(見圖1)，從圖1中的(a)～(e)圖可以看到：相同目數的橡膠粉，隨著橡膠粉摻量的增加，再生骨料的力學性能逐漸降低，其中3%摻量最佳；與基準組相比，摻入橡膠粉的混凝土都出現了降低趨勢，以A組28 d強度為例，對比基準組，隨著摻量的增加，抗壓強度分別降低了1.06%、7.65%、13.27%。

主要原因歸納于：一是因為橡膠顆粒是彈性材料，彈性模量較小，不能與混凝土其他材料協同承壓，所以導致抗壓強度降低；第二是由于橡膠粉的摻量越多，會使得試件內部水泥與橡膠粉弱界面增加，削弱了水泥石強度[13]，導致強度降低；同時，因粗糙的橡膠表面易吸附氣泡而使得混凝土含氣量有一定程度的增加[14]，這都導致強度的降低原因。

圖1 橡膠摻量對再生混凝土力學性能的影響(a)A級;(b)B級;(c)C級;(d)D級;(e)E級Fig.1 Effect of rubber content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

圖2 摻量3%的不同粒徑橡膠粉對再生混凝土力學性能的影響Fig.2 Effect of different rubber particle size with the 3%content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

從圖1可以得到橡膠粉3%摻量為最佳摻量，為了更好的對比不同橡膠粒徑對再生混凝了力學性能的影響(以3%摻量為例)，從圖2(摻量3%的不同粒徑橡膠粉對再生混凝土力學性能的影響)中可以看到，隨著目數的增大(粒徑的減小)，再生混凝土強度呈現先減小再增加的趨勢(前28 d強度)；并且是以80目為拐點。當齡期為90 d時，摻入橡膠粉的目數越大，再生混凝土強度越低。

歸結于以下原因：一是因為橡膠粉是惰性材料，分布在水泥膠砂的內部，但是分布的不太均勻[7]，且隨著目數的增加，比表面積越大，越不易拌合，將導致橡膠粉“聚堆”現象的大量出現，從而形成大量的強度薄弱集中區域，導致20目增加到80目時強度降低；二是因為目數越大，對再生混凝土中的微小空隙和裂縫的填充效果就越明顯；并且，橡膠粉的粒徑越細抑制堿骨料反應的效果越好，119 μm(120目)的橡膠粉抑制堿骨料反應的效果最好[15]，因此導致80目增加到120目時強度回升，使得80目橡膠粉的摻入成為強度拐點；三是，90 d時，橡膠粉表面水泥漿基本水化完全，與橡膠粉形成薄弱核心，摻量相同時，目數越大，薄弱核心就越多，強度損失就越大。

3.3 建立橡膠再生混凝土早期抗壓強度數學模型

為了更好的在工程實際分析再生混凝的力學性能，本節參考各個學者的對普通混凝土抗壓強度數學模型推導橡膠再生混凝土抗壓強度數學模型。

學者朱伯芳[11]提出了普通混凝土的早期抗壓強度計算公式：

(1)

我國建筑材料規范給出了普通混凝土的早期抗壓強度計算公式：

(2)

式中t為齡期；fcut與fcu,28為齡期為t和28 d時的抗壓強度，單位MPa；對于普通硅酸鹽水泥：λ=0.1727。

但是，學者苗吉軍[12]的研究發現：(2)式雖然形式簡潔，但對于砼齡期較短(砼澆筑后5～7 d)時，給出的數值偏小。因此，該學者給出了調整后的強度公式：

y=0.35+0.48·lgt(22.8 ℃)

(3)

式中y為硂早期強度與28 d標準強度值的比值；t為硂的齡期。

根據本次再生混凝土試驗值特征，擬合出下列方程：

(4)

分別將再生混凝土基準組帶入上述計算方程，與試驗值進行對比比較，得到表2。

表2 各公式前28 d抗壓強度計算值與試驗值比較Tab.2 Comparison of the calculated values with the experimental values of each formula early 28 d compressive strength

由表2可知，(1)、(3)式高估了再生混凝土3 d、7 d的抗壓強度，而(4)式對再生混凝土7 d以內的抗壓強度估計較為準確；雖然(3)式對14 d強度的估計偏差最小，但其對21 d強度估計的偏差最大，達到6%左右。綜合來看，(4)式的計算值與再生混凝土試驗值偏差最小；所以，建議再生混凝土前28 d抗壓強度公式采用(4)式。

模仿(4)式的形式，對摻入橡膠粉實驗組的強度曲線進行擬合。得到其強度計算系數 ,見表3。

表3 強度計算系數Tab.3 Calculation coefficient of strength

3.4 微觀結構分析

3.4.1 橡膠粉摻量對再生混凝土力學特性的影響

圖3和圖4分別為A-3%-28 d和A-9%-28 d電鏡照片，[1]區為橡膠顆粒，其余部分為水泥漿體。從圖3可以看到，整個畫面內僅有一顆橡膠顆粒，且與水泥漿體還未很好結合，之間存在明顯的間隙，并且形態區分明顯。由于摻量的增加，在圖4中存在三個橡膠顆粒，橡膠顆粒均與水泥漿體結合，生成更多的薄弱面；這些橡膠顆粒距離較近，因而形成薄弱區域，這也證實了：摻量的增加易使橡膠粉“聚堆”。因此，隨著橡膠粉摻量的增加，增強了混凝土內部薄弱面，降低了強度，所以橡膠粉摻量3%的再生混凝土強度更好。

圖3 A-3%-28 d的SEM照片Fig.3 SEM image of A-3%-28 d

圖4 A-9%-28 d的SEM照片Fig.4 SEM image of A-9%-28 d

3.4.2 橡膠粉粒徑對再生混凝土力學特性的影響

圖5和圖6分別為A-3%-28 d、C-3%-28 d的SEM照片，[1]區為橡膠顆粒，(2)區為與其接觸的水泥漿體。從圖5可以看到，該橡膠顆粒體型較大，浮于漿體表面，并與漿體存在兩個接觸面(用(2)表示)。由圖6可以看到，該橡膠顆粒與圖5中的相比較小，且其位于漿體的凹槽內，與漿體有三個接觸面，多出一個薄弱面。在橡膠粉同等摻量下，當粒徑小時改性水泥混凝土薄弱面會相對增多，這就會出現抗壓強度隨著粒徑的減小而減小的情況[16]，這也是20目橡膠粉再生混凝土強度較好的原因。

圖5 A-3%-28 d的SEM照片Fig.5 SEM image of A-3%-28 d

圖6 C-3%-28 d的SEM照片Fig.6 SEM image of C-3%-28 d

4 結 論

(1)再生混凝土強度發育過程中，前3 d強度發育最快，強度增長率在8 MPa/d左右；3 d到7 d相對強度增長率可達到20%； 7 d 以后強度增長變緩；

(2)摻入橡膠粉會降低再生混凝土的抗壓強度；

(3)當摻入相同目數的橡膠粉時，隨著摻量的增加，再生混凝土抗壓強度減小；

(4)當橡膠粉摻量固定時，隨著目數的增加，再生混凝土前28 d強度先減小再回升，并以80目為拐點。

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Experimental Research of Waster Tire Rubber Powder on Mechanical Properties of Recycled Coarse Aggregate Concrete

WANGHai-long,WANGLei,WANGPei,ZHANGKe

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Recycled concrete is regarded as an important measure to save material,at the same time,incorporation of an appropriate amount of waste tire rubber powder can optimize the performance of concrete.In order to make rational use of these two waste materials,this article studied how the waste tire rubber powder influence the character of mechanical properties of recycle concrete,based on the waste tire rubber powder and recycled aggregate .Through the experimental study of recycled concrete baseline group,the article discovered the strength development regularities in early 28 days. Based on these regularities and other scholars'researches , this article formed the mathematical equation of the recycled aggregate concrete.It also discovered the influence on the compressive strength of recycled coarse aggregate concrete in different ages by mixing different particle size (20 mesh,60 mesh,80 mesh,100 mesh,120 mesh) and mixing different incorporation amount (3%,6%,9%).The results show that: Strength will be reduced by mixing rubber powder. The recycled aggregate concrete can reach the best compressive strength when mixed with 20 mesh, 3% rubber powder.

waste tire rubber powder;recycled coarse aggregate concrete;compressive strength;microscopic analysis

國家自然科學基金資助項目(51369023)；內蒙古自然科學基金項目資助(2015MS0564，2011BS0705)

王海龍(1980-)，博士，副教授，碩導.主要從事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3466-05