橡膠顆粒對透水混凝土強度和透水性能影響研究★

陳永鋒 袁松年 任雋豐 耿德華 陸志紅 沈亞芳

(1.江蘇先達建設集團有限公司，江蘇 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213016； 3.東南大學，江蘇 南京 210096)

1 研究背景

據統計，全世界每年產生超過15億條廢舊輪胎，并且這一數字正在不斷增大[1]，因此廢舊橡膠的處理已經成為了亟待解決的一大環境問題，目前主流的處理方法是燃燒、填埋，這些方式效率不高，且會造成嚴重的環境污染，因此近年來有學者對將廢舊橡膠粉碎成顆粒，加入到水泥混凝土而制成的橡膠混凝土的性能進行了研究，這種材料可以提高混凝土的耐久性能，改善混凝土的使用性能，同時也能夠有效回收廢舊橡膠，帶來一定的環保效益和經濟效益[2]。另一方面，透水混凝土因其具有良好的透水性能，能夠有效的緩解城市的熱島效應、水侵蝕和水質惡化等問題，和傳統水泥混凝土相比可以有效改善城市的生態環境，因此近年來也被廣泛使用[3]。因此將在透水混凝土中加入廢舊橡膠顆粒，制作橡膠透水混凝土是一個新的研究方向，這種材料不僅能夠滿足透水混凝土透水、透氣的使用要求，同時也能夠回收利用廢舊橡膠，減少橡膠產生的污染，并且能夠使用橡膠對水泥混凝土進行改性，提高材料的韌性，因此是一種更加優秀的環境友好型材料。

目前國內外對摻有橡膠的透水混凝土，即橡膠透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)的研究較少。土耳其的Mehmet Gesoglu和Erhan Güneyisi等人采用10 mm～12.5 mm的單一級配的粗骨料和強度為42.5R的硅酸鹽水泥，向其中分別加入摻量為10%和20%的輪胎條、橡膠末和細橡膠末，并對試樣的抗壓強度、劈裂強度和透水系數等進行了測試，得到以下結論：橡膠透水混凝土具有較低的抗壓強度，抗折強度和彈性模量，抗壓強度最低的一組僅有6.45 MPa，但仍能滿足使用需求；橡膠透水混凝土的透水系數也有所降低，但仍能夠保證將雨水及時收集起來排入下層；橡膠透水混凝土能夠使用在停車場、人行道和路肩等地區[4]。

基于以上研究背景，本課題對橡膠顆粒對透水混凝土的影響進行了研究，在透水混凝土中加入了不同粒徑、不同摻量的廢舊橡膠顆粒，對其強度、模量和透水性能進行了測試。

2 試驗設計

由于橡膠是一種柔性較大、彈性模量較小的有機材料，將橡膠顆粒加入透水混凝土后材料強度會降低，因此結合相關資料，選擇加入一定增強劑如乳膠、硅灰和玄武巖纖維，從而在一定程度上提升材料強度。

2.1 原材料

1)水泥：采用舜安牌P.Ⅱ42.5快干水泥，是強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥。

2)水：普通自來水。

3)粗集料：選用在南京生產的粒徑范圍在5 mm～10 mm的單一級配碎石。

4)廢舊輪胎橡膠顆粒：采用由機器破碎制成的粒徑為1 mm～3 mm或3 mm～6 mm的廢舊橡膠顆粒。

5)硅灰：普通硅灰，主要化學成分為非晶態的無定型氧化硅，硅灰能夠改善膠結料的級配，提高水泥漿體在硬化后的密實度，從而提高混合料的強度。

6)乳膠：普通乳膠，能夠有效填充水泥漿體凝結硬化過程中產生的細小密閉空腔，提高混合料強度。

7)玄武巖纖維：純天然火山巖為原料經過1 450 ℃～1 500 ℃ 高溫熔融后經過鉑銠合金快速拉制而成的纖維，是一種新型無機環保綠色高性能材料。玄武巖纖維具有較高的表面粗糙度，與水泥漿體的粘結性較好，同時因其具有極高的強度和韌性，能夠提高透水水泥混凝土的強度和耐久性能。

8)減水劑：JM-A高效減水劑。

2.2 試驗方案

根據相關研究結果，并結合實際情況，確定試驗變量為橡膠顆粒粒徑(1 mm～3 mm,3 mm～6 mm)和橡膠顆粒摻量(總集料質量分數的10%和20%)。共設計1個對照組和4個試驗組，每組制作9個邊長為100 mm的立方體試件和3個直徑為100 mm，高為100 mm的圓柱體試件，分別用于強度和透水性能的測試。將試驗的具體設計內容列于表1，表2中。

表1 統一設計配合比 kg/m3

表2 各組的橡膠粒徑和用量

2.3 試驗內容

每組制作9個邊長為100 mm的立方體試件和3個直徑為100 mm，高為100 mm的圓柱體試件，放入養護室中在標準條件下養護至規定齡期。

以3個立方體試件為一組，檢測試件7 d和28 d的抗壓強度以及28 d的劈裂抗拉強度。試件制作及成型養護要求按照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[5]進行。以3個圓柱體試件為一組，采用常水頭法測定透水系數，每個試件測試三次。同時按照陶卓輝[6]的方法，對真正影響透水性能的有效孔隙率這一參數進行測定，具體方式如下：

首先測量試件外形尺寸，并計算出試件的外形體積V0；將試件浸泡在水中使其飽水后稱其在水中的重量W1，考慮多孔水泥混凝土的吸水特別厲害，取出試件在常溫下放置1 h～2 h，使多孔水泥混凝土內部多余的水全部滲出，在20 min內空氣重測試結果穩定后，確定試件在空氣中的重量W2，則有效孔隙率p按下式計算：

以每組3個試件測值的算術平均值為測定值，如一個測值與中值的差值超過中值的15%，則取中值為測定值；如有兩個測值與中值的差值超過中值的15%，則該組試驗結果作廢。

3 試驗結果

試驗按照規范要求制作，采用室內搗實成型，成型后24 h拆模放入養護室，在標準條件下(溫度20 ℃±3 ℃，相對濕度大于90%)進行養護，在到達7 d或28 d齡期時取出對應試件進行試驗，進行7 d抗壓強度、28 d劈裂強度、28 d抗壓強度、圓柱體抗壓彈性模量、透水系數和有效孔隙率的測試，試驗結果見表3。

表3 各組試驗結果

各項試驗結果見圖1～圖6。

4 試驗結果分析

根據上述試驗結果和相應圖表進行分析可得：

2)28 d劈裂抗拉強度是反映透水混凝土抗拉性能的一個指標，在養護28 d過后，加入橡膠顆粒的組強度明顯低于組1，其強度變化情況類似抗壓強度，摻量為20%，粒徑為3 mm～6 mm的組3有最低的劈裂抗拉強度，僅為1.03 MPa，不適合路用需求。

3)橡膠顆粒的加入較大程度的降低了透水混凝土的模量，對于組3，模量降低了超過50%，使得材料具有一定的塑性，成為了一種半柔性材料。橡膠顆粒摻量越多，橡膠顆粒粒徑越大，模量下降越多。這一現象的原意在于橡膠具有較強的柔性，橡膠顆粒越多，粒徑越大，對原有的骨料組成的骨架空隙結構的破壞越大，從而使結構的柔性增加，彈性模量降低。

4)透水系數和有效孔隙率能夠反映出透水混凝土的透水性能，綜合來看，盡管加入了一定量的較小粒徑的橡膠顆粒，各組仍有足夠的透水性能；廢舊橡膠顆粒的粒徑對透水性能的影響比摻量大。透水性能最差的一組是摻量為20%，粒徑為1 mm～3 mm的組5，但該組仍能夠滿足透水要求。

5 結語

通過將廢舊橡膠粉碎成顆粒加入透水混凝土中制成橡膠透水混凝土，能夠有效的回收利用這種難以回收利用的材料，而本研究對橡膠透水混凝土的強度與透水性能進行了研究，研究發現橡膠的加入較大程度的降低了透水混凝土的強度，較大提升了材料的柔韌性，使橡膠透水混凝土成為半柔性材料，而對透水性能的影響不大，具有一定的實用性，能夠應用于人行道、路肩等輕交通地區。通過對比，最終推薦使用試驗組4(摻量為10%，粒徑為1 mm～3 mm)。