廢舊橡膠顆粒再生骨料對SCC50性能的影響研究

陳成芹， 張 微， 張 瀟， 王劍萍

(1.西北民族大學 土木工程學院， 蘭州 730124； 2.甘肅省新型建材與建筑節能重點實驗室， 蘭州 730124)

廢舊輪胎是目前世界上最為豐富的廢棄物之一。據世界環境衛生組織統計，世界廢舊輪胎積存量已達30億條，并以每年約10億條的數字增長，高價值、低成本的橡膠回收技術，一直是世界范圍內的重要課題[1]。而將廢舊輪胎顆粒摻入混凝土中取代粗、細骨料，不僅可以減輕混凝土的表觀密度，降低彈性模量，增加韌性及抗沖擊性，減振降噪，而且可以大量消耗這些固體廢棄物，解決環保問題。自密實混凝土[2](self compacting concrete,SCC)以澆筑過程中不離析、不泌水，能夠不經過振搗而填充滿模板以及包裹鋼筋的混凝土而著稱。橡膠集料自密實混凝土(self compacting rubberised concrete，SCRC)，是廢舊橡膠顆粒再生骨料替代部分細骨料摻入到混凝土中，配制成靠自重填充模具、自主密實、無振搗大流動性混凝土，可保證結構均質性和體積穩定性。國內外學者對其進行了大量研究，如M.C.Bignozi等[3]研究發現在不同橡膠顆粒摻量下，膠凝材料和用水量等同條件下， SCRC所需高效減水劑比SCC略高；隨橡膠摻加量增多，SCRC抗壓強度及剛度均減小，在橡膠顆粒摻量相同時，摻橡膠顆粒自密實混凝土的強度高于普通混凝土的強度。A.Turatsinzea等[4]研究了SCRC的彈性模量與應變能力，相對SCC，橡膠顆粒降低了SCRC的抗壓強度及彈性模量。龍廣成等[5-6]針對橡膠集料和乳化瀝青對自密實混凝土性能的影響進行了研究，發現橡膠含量越多，混凝土抗壓強度越小。楊衛坤等[7]研究了以橡膠顆粒等體積取代細骨料、橡膠顆粒取代量在15%(體積分數，下同)以內時，橡膠顆粒的摻入能改善新拌自密實混凝土工作性；當橡膠顆粒取代量大于10%時，對強度、抗凍性能有明顯不利影響。李哲[8]研究發現橡膠顆粒摻入后，與普通混凝土相比，摻橡膠顆粒對自密實混凝土的抗壓強度影響較小。因此，本文采用對比分析法，分別研究不同粒徑(1～3 mm、2～4 mm)以及不同摻量橡膠顆粒采用單摻和雙摻法等體積取代砂對SCC工作性能和強度的影響，從中找出規律，并確定最佳配合比，為橡膠瀝青混凝土在土木工程中的應用提供一定的參考依據。

1 原材料

膠凝材料：水泥，選擇甘肅祁連山生產的祁連山水泥P.O42.5，密度為3.10 g/cm3，比表面積350 m2/kg，細度394 m2/kg；礦渣，采用S95礦渣，密度為2.94 g/cm3，比表面積430 m2/kg，活性指數103%，玻璃體含量90%。

橡膠顆粒：橡膠集料的粒徑為1～3 mm、2～4 mm，拉伸強度4.5 MPa，拉伸伸長率51.0%，硬度65度，彈性35%，密度700 kg/m3。

骨料：細集料，采用天然河沙，堆積密度為1 578 kg/m3，表觀密度為2 715 kg/m3，屬于中砂；粗集料，粒徑在5～16 mm之間，表觀密度2 735 kg/m3，堆積密度1 563 kg/m3， 針片狀顆粒含量5%。

聚羧酸高效減水劑，減水率29%。選用自來水。

2 SCC50配合比設計

根據參考文獻[9]的自密實混凝土配合比設計方法，1 m3混凝土中粗骨料松散體積0.56 m3；砂漿中砂體積分數取0.44；礦物摻合料為S95礦渣粉，最大摻量為30%，則β1取30%；基本可以確定出各個基本參數，即各種原材料的比例關系，通過適配、調整，得到配合比，見表1。其中，橡膠顆粒后面的百分數表示橡膠顆粒等體積取代砂的百分數。

在研究中選用了C1-C9、L1-L9、S1-S9，27個配比，單摻橡膠粒徑2～4 mm的為C組；單摻橡膠粒徑1～3 mm的為L組；等比例復摻兩種橡膠粒徑的為S組，各材料用量見表2。橡膠顆粒摻量(橡膠顆粒等體積取代砂的體積)分別以0%、5%、10%、15%、20%、25%、50%、80%和100%加入混凝土中，研究不同橡膠顆粒摻量下混凝土的工作性及抗壓強度。

表1 SCC50初步配合比設計

表2 各材料用量

3 實驗結果分析

3.1 工作性

3.1.1C組SCC工作性

按照表2中數據試拌C組混凝土，采用坍落度筒法測定SCC的坍落擴展度和坍落度[10]，評價混凝土工作性并分析變化規律，檢測結果見圖1。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖1可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑2～4 mm的C系列混凝土的坍落擴展度及基準混凝土的坍落擴展度變化規律與廢舊橡膠再生骨料的摻量有關。

在廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量不超過15%時，隨著摻量增加，坍落擴展度呈增大趨勢，但幅度比較小，橡膠摻量5%的比基準混凝土提高1.048%，橡膠摻量10%的比基準混凝土提高3.293%，橡膠摻量15%的比基準混凝土提高5.689%，這是因為廢舊橡膠再生骨料的極性比較小，與水的潤濕性較差[11-12]，當廢舊橡膠摻入混凝土中，表面被大量氣泡包裹，在攪拌下更多的氣泡進入并分散在混凝土中，所以引入的氣泡改善了混凝土的流動性；經過磨碎篩分獲得的廢舊橡膠再生骨料含有大量微型凹坑，具有一定的吸水性，增多混凝土拌合過程中的自由水，亦在一定程度上提高了混凝土的流動性[13]。

當廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量超過15%時，隨著摻量增加，坍落擴展度呈下降趨勢、幅度比較大，橡膠摻量20%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低5.099%，橡膠摻量25%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低9.065%，橡膠摻量50%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低19.971%，而且橡膠顆粒摻量越大，混凝土坍落擴展度越小，混凝土特征不但沒有更黏稠，反而隨著摻量增大，出現了嚴重的泌水現象，這再一次說明橡膠顆粒極性小，表面為憎水性，當廢舊橡膠顆粒再生骨料摻入混凝土后，在表面張力的作用下，水分難以進入橡膠顆粒表面凹坑中，所以水泥水化產物與橡膠顆粒結合較差，故出現了嚴重的泌水現象。

3.1.2L組SCC工作性

按照表2中數據試拌L組混凝土，采用坍落度筒法測定SCC的坍落擴展度和坍落度[10]，評價混凝土工作性并分析變化規律，檢測結果見圖2。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖2可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑1～3 mm的L系列混凝土的坍落擴展度及基準混凝土的坍落擴展度變化規律與廢舊橡膠再生骨料的摻量有關。而且與單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑2～4 mm的C系列對混凝土流動性的影響有類似趨勢。在廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量不超過15%時，隨著摻量增加，坍落擴展度呈增大趨勢、但幅度比摻2～4 mm廢舊橡膠再生骨料的小，橡膠摻量5%的比基準混凝土提高0.299%，橡膠摻量10%的比基準混凝土提高1.048%，橡膠摻量15%的比基準混凝土提高2.545%，說明橡膠顆粒摻量比較低時，可以改善混凝土的流動性；當廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量超過15%時，隨著摻量增加，坍落擴展度呈下降趨勢、幅度比2～4 mm的大些，橡膠摻量20%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低6.569%，橡膠摻量25%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低7.299%，橡膠摻量50%的坍落擴展度比橡膠摻量15%的低10.803%，橡膠顆粒摻量越大，混凝土坍落擴展度越小，導致嚴重泌水，這再一次說明廢舊橡膠再生骨料呈憎水性，摻入混凝土后，在表面張力作用下，水分很難進入橡膠顆粒表面凹坑中，所以水泥水化產物與橡膠顆粒結合較差，故出現了嚴重的泌水現象。

3.1.3S組SCC工作性

按照表2中數據試拌S組混凝土，采用坍落度筒法測定SCC的坍落度擴展度和坍落度[10]，評價混凝土工作性并分析變化規律，檢測結果圖3。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖3可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，雙摻廢舊橡膠再生骨料2種粒徑的S系列混凝土的坍落擴展度及基準混凝土的坍落擴展度變化規律與單摻廢舊橡膠再生骨料的摻量有關。在摻量低于15%時，可以提高混凝土的流動性；摻量高于15%時，使混凝土流動性大幅度降低，而且隨著摻量的提高，還出現了嚴重的泌水現象。

綜述3組混凝土配合比坍落擴展度變化規律，詮釋了橡膠顆粒在吸水和引氣這兩方面的雙重性特點，當廢舊橡膠再生骨料低摻量時，引氣特點起主導作用，坍落擴展度增大；當高摻量時，吸水性比引氣性明顯，導致坍落擴展度下降，橡膠顆粒取代量增加到一定程度時，內部孔隙成主導作用，導致離析、泌水現象。由于橡膠顆粒表面較細集料光滑，對細集料取代量增加，離析泌水的現象越來越嚴重，橡膠顆粒膠凝材料漿體、粗骨料之間是完全分離的。橡膠顆粒代替細骨料越多，混凝土中的砂漿體積削減，屈服剪切應力也就越大，通過間隙的能力也就越差，達到T50 cm的時間也就越長，橡膠顆粒摻入混凝土中會造成混凝土中的砂漿表觀密度減小，均勻性及流動性變差，讓自密實混凝土的工作性能降低。對比廢舊橡膠再生骨料單摻和雙摻的變化規律得知：在低摻量時，粒徑越小，越有利于提高SCC拌合物的流動性；反之，高摻量時，則粒徑越小越不利。

3.2 抗壓強度

將試件在標準養護條件養護到規定齡期(7、14、28 d)，0.5 MPa/s下加載，測試其峰值荷載，實驗結果如圖4～6所示，28 d條件下3組抗壓強度對比變化如圖7所示。

水膠比0.338

水膠比0.338

水膠比0.338

從圖4～6所示的數據可以看出，隨廢舊橡膠再生骨料摻量增多，SCC抗壓強度都有下降趨勢，采用單摻和復摻方式混凝土抗壓強度下降趨勢大致相同； 與普通混凝土相比，橡膠顆粒摻入后強度下降比較明顯；摻量在5%～20%時下降比較緩慢[14-15]， 當廢舊橡膠再生骨料摻量不超過25%時，說明廢舊橡膠再生骨料摻量的摻量和粗細程度對混凝土無論是7、14 d，還是28 d抗壓強度影響都特別顯著。造成這種現象的主要原因是：廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質，與水泥石的黏結性比較差，導致黏結強度很低，最終導致混凝土中骨料與水泥石之間的界面強度降低[16-19]；廢舊橡膠再生骨料自身強度比較小，屬于柔性物質[11]，加入混凝土中使混凝土薄弱點增多，最終使混凝土強度降低。在抗壓強度試驗過程中還發現：從實驗過程裂縫出現的數量和時間也可以得出摻入橡膠顆粒能改善SCC脆性大的缺點。以C1、L1、S1組試塊為代表的基準混凝土，荷載較小時，表面并沒有出現明顯的裂縫，當荷載持續增加達到極限值時，試塊突然發生崩裂，發生脆性破壞。當橡膠顆粒摻量達10%時，混凝土試塊表面在壓力作用下，先在表面出現一些細微裂縫，隨著壓力的增大這些細微裂縫逐漸連匯貫通，表現出延性破壞。當橡膠顆粒摻量達到10%以上時，混凝土脆性得到明顯轉變，延性得到提高。這也表明摻入橡膠顆粒可以有效改善SCC50的延性特性。

當廢舊橡膠再生骨料摻量超過25%時，強度突然下降。主要是廢舊橡膠再生骨料在膠凝材料發生水化作用時，隨著摻量的增多，呈聚團現象，顆粒粒徑越小，聚團現象越明顯；顆粒粒徑越大，對SCC和易性影響越大，強度下降越明顯。摻量越多，橡膠顆粒比表面積越大，由于其引氣性和吸水性雙重特點，此時引氣性占主導地位，硬化后混凝土中孔隙率增大，導致SCC強度大幅度下降。

從圖7可以看出：橡膠顆粒粒徑對混凝土強度影響不太明顯，摻量低于5%時，橡膠顆粒越小，SCC強度越高；摻量在10%～20%時，橡膠顆粒越大，SCC強度越高；摻量超過25%時，對3組SCC強度降低趨勢相近。

圖7 28 d條件下3組抗壓強度曲線

綜合圖4～7分析得出： 廢舊橡膠再生骨料的摻量和粒徑尺寸都會影響SCC的抗壓強度。主要原因有4點：一是廢舊橡膠再生骨料自身強度比較小，加入混凝土中使混凝土過渡區的缺陷增多，最終使混凝土的強度降低；二是廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質，與水泥石的黏結性比較差，導致黏結強度很低，最終導致混凝土中骨料與水泥石之間的界面強度降低；三是摻量越多，橡膠顆粒比表面積越大，由于其引氣性和吸水性雙重特點，引氣性占主導地位，導致SCC強度大幅度下降；四是摻量增多，廢舊橡膠顆粒呈聚團現象，顆粒粒徑越小，聚團現象越明顯，顆粒粒徑越大，對SCC和易性影響越大，強度下降越明顯。

4 結論

根據橡膠顆粒以單摻、復摻兩種不同方式加入SCC50中對工作性和抗壓強度的變化規律得出：

1) 在SCC50拌合過程中摻入廢舊橡膠顆粒后，會在混凝土水化凝結過程中降低SCC50施工性能。橡膠顆粒摻量不超過15%時，混凝土流動性變化不明顯，隨橡膠顆粒摻量增加，混凝土流動性有增大的趨勢；在橡膠顆粒摻量超過15%時，坍落擴展度又開始下降而且下降幅度很明顯，甚至出現輕微的離析現象。粒徑越大，降低越明顯，綜合比較單摻1～3 mm的和易性降低程度偏小。

2) 在SCC50拌合過程中摻入橡膠顆粒后會降低其力學性能。隨橡膠顆粒摻量增多，SCC抗壓強度都有下降趨勢，采用單摻和復摻方式混凝土抗壓強度下降趨勢大致相同；與普通混凝土相比，橡膠顆粒摻入后強度下降比較明顯。造成這種現象的原因是：廢舊橡膠再生骨料自身強度比較小，使混凝土過渡區的缺陷增多，混凝土強度降低；廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質，與水泥石的黏結性比較差，導致黏結強度很低；摻量越多，橡膠顆粒的引氣性占主導地位，導致SCC強度大幅度下降；摻量增多，廢舊橡膠顆粒呈聚團現象。

3) 橡膠顆粒可以改善SCC50的脆性。實驗過程裂縫出現的數量和時間也可以證明橡膠顆粒的摻入可以改善SCC脆性大的缺點。基準混凝土在荷載較小時，表面并沒有出現明顯的細裂紋，當荷載持續增加達到破壞時，試塊突然發生崩裂，發生脆性破壞。當橡膠顆粒摻量低于10%時，混凝土試塊表面在壓力作用下，先在表面出現一些細微裂縫，隨著壓力的增大這些細微裂縫才會逐漸連匯貫通，表現出延性破壞。當橡膠顆粒摻量達到10%以上時，混凝土脆性會得到明顯轉變，延性得到提高。