不同粒徑橡膠集料混凝土工程特性試驗

崔翰博，周 梅，唐巨鵬，郭勝豪，姜昕彤

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

北方海洋環境下的水工結構多存在混凝土開裂，鋼筋銹蝕等不同程度質量問題，究其原因是混凝土耐久性較差。橡膠集料混凝土是將廢舊橡膠攪碎、研磨后代替混凝土中粗、細集料配制而成的一種新型混凝土，具備抗疲勞性好、收縮能力強等優勢，符合水工結構對混凝土材料的需求。為拓展橡膠集料混凝土在北方沿海地區水利工程中的應用前景，有必要對橡膠集料混凝土耐久性、橡膠集料鋼筋混凝土構件的力學特征進行研究。

目前，國內外學者對橡膠集料混凝土工作性、強度、耐久性方面進行了一系列研究工作。其中一些學者對橡膠集料混凝土工作性進行了研究。Zaher等[1-2]提出利用橡膠顆粒取代碎石對混凝土坍落度影響較小，代替砂子會降低混凝土工作性，取代量超過40%，會完全失去流動性。劉崢等[3]提出振搗時間較長，橡膠顆粒容易上浮，橡膠集料混凝土拌合物最適宜振搗時間在30～40 s。楊春峰等[4]指出混凝土中摻入橡膠顆粒有引氣效果，可以提高流動性。一些學者進行了橡膠集料混凝土力學特性研究。嚴智卓等[5-6]指出橡膠顆粒粒徑越大，混凝土抗壓強度越低。Samiha等[7]提出了不同觀點，指出橡膠集料取代率為10%時，混凝土抗壓強度隨橡膠顆粒粒徑減小而增大。還有一些學者進行了橡膠集料混凝土耐久性的研究。Mavridou等[8]指出橡膠集料取代率為12.5%，混凝土抗氯離子滲透能力最好。Zhu等[9]提出在混凝土中加入橡膠集料，其抗氯離子滲透、抵抗凍融循環破壞的能力均顯著提高。

目前大多數研究內容集中于橡膠集料混凝土的工作性和強度，對橡膠集料混凝土耐久性的研究較為少見,將橡膠集料應用于鋼筋混凝土構件的研究鮮有報道。此外，針對橡膠顆粒粒徑的選取國內外并沒有合適的標準，對橡膠集料混凝土從工作性、耐久性到力學特性并沒有作系統的研究。本文以橡膠集料混凝土為研究對象，用不同粒徑橡膠顆粒取代砂子，對橡膠集料混凝土進行了工作性測定試驗、單軸抗壓試驗、抗氯離子滲透試驗、抗水滲試驗、凍融循環試驗，得出了不同粒徑橡膠顆粒對混凝土工作性、強度、耐久性的影響，并與普通混凝土進行了對比分析。利用耐久性最優配合比制備橡膠集料鋼筋混凝土簡支梁，進行抗彎性能試驗，分析與普通鋼筋混凝土簡支梁間的差異，以期對橡膠集料混凝土在北方沿海地區水利工程中的應用提供參考。

表2 試驗配合比 kg/m3

1 試驗概況

1.1 試驗原料和儀器

本文所采用的試驗原料如下。水泥：阜新水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(密度3 000 kg/m3)；粉煤灰：阜新發電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；硅灰：沈陽金崗生產的硅灰粉(密度2 710 kg/m3)；礦渣：撫順礦物局生產的S95磨細礦渣(密度2 230 kg/m3)；碎石：良好級配碎石(表觀密度2 710 kg/m3，5～25 mm)；砂子：良好級配天然細河砂(表觀密度2 587 kg/m3，細度模數2.8)；橡膠：撫順橡膠廠生產的橡膠顆粒(表觀密度1 110 kg/m3)，不同粒徑橡膠顆粒吸水率如表1所示；減水劑：自配萘系減水劑(摻量2.4%，減水率30%)；水：自來水。

表1 不同粒徑橡膠顆粒吸水率 %

采用的主要試驗儀器如下。含氣量測定試驗：含氣量測定儀；烘干設備：電熱鼓風干燥箱(101-1型)；單軸抗壓試驗、梁抗彎強度試驗：微機控制電液伺服萬能試驗機(WAW-1000型)、靜態電阻應變采集儀(32通道)、千分表；抗氯離子滲透試驗：全自動真空飽水機(BSJ-A型)，混凝土氯離子電通量測定儀(DTL型)；抗水滲試驗：混凝土抗滲儀(HS-4S型)；凍融循環試驗：動彈性模量測定儀(DT-W18型)、快速凍融試驗機(KDR-V9)。

1.2 配合比設計

設計6組試驗配合比。對照組：依據標準[10]確定了C30混凝土配合比。試驗組：通過絕對體積法(橡膠顆粒按照10%[7]等體積取代砂子)設計了橡膠集料混凝土配合比(表2，其中兩種混凝土的水膠比均為0.385)。為方便在實際工程中應用，依據標準[11]，將橡膠集料粒徑分為5組：H-1組(0.165～0.315 mm)、H-2組(0.315～0.630 mm)、H-3組(0.630～1.25 mm)、H-4組(1.25～2.50 mm)、H-5組(2.50～5.00 mm)。

1.3 試驗方案

本文系統地對不同粒徑橡膠集料混凝土的工作性、耐久性、力學特性進行了研究，所采用的試驗方案如下：

a. 混凝土工作性測定試驗：依據標準[12]進行混凝土拌和，測流動性；將拌和物裝入量缽內，振搗混凝土(為預防橡膠顆粒上浮，振搗時間30 s[3])，依次擦凈、抹平、密封量缽，利用注水閥注水，排氣閥排氣，待流出水后，關閉注水閥和排氣閥，手動加壓至0.1 MPa，壓力穩定后測含氣量。

b. 試件成型：將剩余拌合物，振搗、裝模、待成型后拆模，養護28 d。

c. 試件孔隙率測定試驗：將養護28 d試件(邊長100 mm的正立方體)，浸水48 h后擦凈稱重，再次浸水12 h稱重，當差值低于較小值0.5% ，即為飽和；將試件置于105℃干燥箱內，24 h后冷卻至室溫稱重，再次將其放于干燥箱內12 h后稱重，兩次差值低于較小值0.5% ，即為烘干。

d. 單軸抗壓強度試驗：依據標準[13]，將試件(邊長100 mm的正立方體)置于萬能試驗機上，進行28 d抗壓強度測試，以加載速度0.5 MPa/s施加壓力至試件破壞。

e. 抗氯離子滲透試驗：依據標準[10]，采用電通量法，利用石蠟對試件(?100 mm×50 mm)側壁密封，然后置于真空飽水機中真空飽水，24 h后連接氯離子電通量測定儀(負極為3%NaCl溶液，正極為0.3 mol/L NaOH溶液)，每30 min記錄電通量，通電6 h后結束試驗。

f. 凍融循環試驗。依據標準[14]，將試件(100 mm×100 mm×400 mm)置于3%NaCl溶液中浸泡4 d，測試件質量、彈性模量；將試件置于快速凍融試驗機上(-20～20℃)進行試驗，凍融循環200次后試驗終止，測試件質量、彈性模量。

g. 抗水滲試驗。依據標準[15]，采用滲水高度法，將試件(175 mm×185 mm×150 mm)側壁用石蠟密封后裝入試模，測密封性，密封達到標準后進行抗水滲試驗，試驗結束后劈裂試件，測滲水高度。

h. 簡支梁抗彎強度試驗。簡支梁制作：依次為綁扎鋼筋籠、貼鋼筋應變片、固定鋼筋籠、澆混凝土、拆模養護28 d、貼混凝土應變片。依據標準[16]，將梁固定在萬能試驗機上，支座一端固定、一端鉸支，連接應變儀、萬能表，預載并調整儀器，加載(采用分級加載，前期2 kN，后期3 kN)，分別記錄梁特征荷載(起裂荷載、屈服荷載、極限荷載)，簡支梁參數如表3，簡支梁抗彎強度試驗如圖1所示。分析過程涉及數據均為平均值。

表3 簡支梁參數

圖1 簡支梁抗彎強度試驗

圖2 含氣量變化

圖3 坍落度變化規律

2 試驗結果與分析

2.1 工作性測定試驗

工作性直接影響了混凝土的質量和施工的難易程度，而含氣量決定了混凝土工作性的優劣，因此有必要對橡膠集料混凝土的含氣量與工作性進行檢驗。不同粒徑橡膠集料混凝土含氣量變化規律如圖2所示。對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的含氣量依次為1.19%、2.12%、1.92%、1.63%、1.57%、1.39%。由結果看出，摻入橡膠顆粒后，混凝土含氣量均有不同程度的提升，顆粒粒徑越小時，提高程度越明顯，所得規律與文獻[4]相近。不同粒徑橡膠集料混凝土坍落度變化規律如圖3。對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的坍落度依次為215 mm、215 mm、185 mm、140 mm、185 mm、187 mm。當顆粒粒徑小于0.63 mm或大于1.25 mm時，混凝土流動性較好；橡膠顆粒粒徑在0.630～1.25 mm時，混凝土流動性明顯降低。這是由于橡膠顆粒易吸附氣體，可以起到引氣作用；而表面凹凸不平，又能附著一定量的水。當橡膠粒徑在0.160～0.630 mm或1.25～5.00 mm時，吸附水的能力小于引氣作用，坍落度較大；粒徑在0.630～1.25 mm時，吸附水的能力大于引氣作用，坍落度有所減小。

2.2 孔隙率測定試驗

混凝土的孔隙率與其力學特征、耐久性密切相關[17]，因此研究橡膠顆粒粒徑對混凝土孔隙率變化規律的影響十分必要。不同粒徑橡膠集料混凝土孔隙率變化規律如圖4所示。由圖4可見，試件孔隙率變化規律與拌和后混凝土含氣量變化規律基本相同。對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的孔隙率分別為5.18%、5.77%、5.63%、5.52%、5.46%、5.33%。當顆粒粒徑越小時，孔隙率越大。這是因為摻入橡膠顆粒可以對拌和過程中的混凝土產生引氣效果，粒徑越小，引入氣體越多，成型后的混凝土孔隙率越大。

圖4 孔隙率變化

圖5 抗壓強度試驗

2.3抗壓強度試驗

力學特性是衡量橡膠集料混凝土是否可以在工程中應用的基本指標。不同粒徑橡膠集料混凝土破壞后外觀形態如圖5(a)所示，抗壓強度變化規律如圖5(b)所示。與對照組相比，H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的28 d抗壓強度降幅分別為19.03%、18.12%、13.7%、12.01%、6.46%，粒徑越小，強度降幅越大，結果與Samiha等[7]結論相近。H-1組、H-2組試件受壓破壞后，仍保持較好完整性。對照組、H-3組、H-4組、H-5組試件受壓破壞后，表面出現明顯裂縫，邊角處伴隨顆粒脫落。這是由于橡膠的強度、彈性模量等力學特性均低于砂子，利用橡膠集料等體積取代砂子，混凝土抗壓強度降低；橡膠屬于有機材料，其他材料屬于無機材料，兩種材料相結合，相當于在試件中引入了薄弱點，橡膠粒徑越小，薄弱點越多，這是導致橡膠集料混凝土強度下降的另一重要因素。此外，橡膠為彈性材料，混凝土中加入橡膠后，受力時收縮能力增強，粒徑越小收縮能力越好，因此小粒徑橡膠集料混凝土受壓破壞后可以保持較好完整性。

2.4 抗氯離子滲透試驗

氯離子侵入混凝土后，使其內部鋼筋發生銹蝕，影響了水工混凝土結構的強度和耐久性。不同粒徑橡膠集料混凝土電通量變化規律如圖6所示。混凝土電通量與氯離子滲透性關系分為：電通量高于4 000 C滲透能力強、在2 000～4 000 C的滲透能力中等、在1 000～2 000 C的滲透能力低、在100～1 000 C的滲透能力很低、低于100 C則不滲透[10]。以28 d齡期試件為例，對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的電通量依次為1 205.33 C、640.67 C、700.23 C、814.76 C、923.06 C、1 041.78 C。橡膠顆粒粒徑越小，電通量越低，所得結論與文獻[18]相近。粒徑為0.165～2.50 mm時，橡膠集料混凝土滲透能力很低。粒徑為0.165～0.315 mm時，橡膠集料混凝土電通量僅為普通混凝土的53.15%。這是由于摻入橡膠集料后，氣體滯留在毛細孔通道中，避免了通道的連續。此外，橡膠顆粒粒徑小于孔隙尺寸，同樣起到阻礙毛細孔通道的作用，粒徑越小阻礙效果越好，在兩種因素共同影響下，橡膠集料混凝土抗氯離子滲透能力顯著增強。

圖6 電通量變化規律

圖7 滲水高度變化規律

2.5 抗水滲試驗

水或其他有害液體向混凝土內部滲透，直接影響了其耐久性。不同粒徑橡膠集料混凝土滲水高度變化規律如圖7所示。以28 d齡期試件為例，對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的滲水高度依次為69.05 mm、36.15 mm、44.01 mm、45.24 mm、52.12 mm、56.09 mm。橡膠顆粒粒徑越小，阻礙滲透能力越好，粒徑在0.165～0.315 mm時，橡膠集料混凝土滲水高度僅為普通混凝土的52.35%。這是由于橡膠是憎水性材料，與混凝土混合后形成很多防水膜，使水在流動過程中產生較大阻力；同時橡膠引入的氣泡阻塞了孔隙通道，使水的流動路徑更為曲折，兩者共同作用下混凝土抗滲能力明顯提高。此外，橡膠的存在還產生了一定負面影響，橡膠引入的氣體會使混凝土孔隙率增大，反而減小了其耐久性。橡膠又使材料間黏結力下降，導致混凝土在成型過程中易產生微裂縫。但橡膠顆粒對抗滲能力的正面作用大于負面影響，因此摻入橡膠顆粒有助于提高混凝土的抗水滲能力，且顆粒越小阻礙滲透的能力越明顯。

2.6 凍融循環試驗

凍融循環會使水工結構產生剝落現象，進而影響其安全穩定性[19]。不同粒徑橡膠集料混凝土凍融循環后質量損失率變化規律如圖8所示，相對動彈性模量損失率變化規律如圖9所示。

圖8 質量損失率變化規律

圖9 相對動彈性模量損失率變化規律

質量損失率ΔWi的計算公式為

(1)

式中：W0為凍融循環前試件質量；Wi為i次凍融循環試驗后試件質量。

以200次凍融循環為例，對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的質量損失率依次為1.59%、0.26%、0.31%、0.47%、0.59%、0.73%。摻入橡膠顆粒后，質量損失率明顯降低，橡膠顆粒粒徑越小，質量損失率越低，粒徑在0.165～0.315 mm時，橡膠集料混凝土質量損失率僅為普通混凝土的16.35%。

相對動彈性模量E的計算公式為

(2)

式中：f0為凍融循環前試件橫向基頻；f為凍融循環試驗后試件橫向基頻。

相對動彈性模量損失率ΔEi的計算公式為

(3)

式中：E0為凍融循環前相對動彈性模量；Ei為i次凍融循環試驗后相對動彈性模量。

以200次凍融循環為例，對照組、H-1組、H-2組、H-3組、H-4組、H-5組的相對動彈性模量損失率依次為61.23%、31.71%、34.05%、39.24%、43.08%、48.09%。摻入橡膠顆粒后，相對動彈性模量損失率明顯降低，橡膠顆粒粒徑越小，相對動彈性模量損失率越低，所得規律與文獻[20]相似。粒徑在0.165～0.315 mm時，橡膠集料混凝土相對動彈性模量損失率僅為普通混凝土的51.79%。這是由于摻入較小粒徑的橡膠顆粒，堵塞了孔隙，阻礙了外界Na+、K+等有害物質進入混凝土內部，降低了孔隙間濃度差，抑制了水的流動。此外，橡膠為彈性體，橡膠集料增加了混凝土的延性，吸收了凍融循環產生的膨脹力，抑制了裂縫產生，減小了混凝土剝落現象。因此橡膠集料混凝土質量損失和相對動彈性模量損失均低于普通混凝土。

圖10 簡支梁抗彎試驗

2.7 簡支梁抗彎試驗

由上述試驗結果可知，橡膠顆粒粒徑在0.165～0.315 mm時，混凝土耐久性最好。因此根據耐久性最優配合比，制備了橡膠集料鋼筋混凝土簡支梁，進一步驗證其在工程中應用的可行性。

兩種混凝土簡支梁破壞后外觀形態如圖10(a)所示，特征荷載(起裂荷載、屈服荷載、極限荷載)變化規律如圖10(b)所示。對照組梁與H-1組梁加載后的變化規律基本相同。加載初期，未達到起裂荷載，梁處于彈性階段，跨中產生最大豎向位移。隨荷載增加，梁的跨中附近首先出現細微裂縫，進入帶裂縫工作階段，對照組梁、H-1組梁起裂荷載分別為10.04 kN、12.58 kN，H-1組梁起裂荷載高于對照組梁20.19%；隨荷載繼續增加，新裂縫產生，原有裂縫擴展，但擴展速率較為緩慢，當荷載分別達到41.52 kN、39.94 kN時，縱向鋼筋屈服，荷載完全由混凝土承受，梁進入屈服階段；荷載繼續增大，混凝土裂縫快速延伸，應變儀讀數溢出，千分表表針快速轉動，當荷載分別達到45.09 kN、42.34 kN時，梁完全失去承載能力，H-1組梁極限荷載比對照組梁低6.10%。通過梁破壞后的外觀形態可以看出，對照組梁受壓區混凝土出現較為嚴重的崩脫現象，加載后期兩條裂縫出現了交叉，H-1組梁破壞后較為完整，且裂縫分布更為均勻。荷載-位移曲線變化規律如圖10(c)所示，當荷載為4 kN時，對照組梁、H-1組梁位移分別為0.048 mm、0.069 mm；當荷載增至20 kN時，位移分別為0.169 mm、0.221 mm；當荷載達到38 kN時，位移分別為0.557 mm、0.743 mm，由此可見，相同荷載作用時，橡膠集料混凝土簡支梁變形能力有所增加。這是由于摻入橡膠顆粒后，梁的彈性明顯提高，受力時收縮能力增強。在橡膠集料混凝土開裂過程中，裂縫開展遇到橡膠顆粒后，尖端斷裂能被橡膠顆粒吸收并消耗釋放，阻止了裂縫的延伸擴展。因此橡膠集料鋼筋混凝土簡支梁起裂荷載高于普通C30鋼筋混凝土簡支梁，且沒有發生嚴重的崩脫現象；而橡膠的強度、彈性模量等力學特性均低于砂子，因此加載后期其屈服荷載、極限荷載均低于普通C30鋼筋混凝土簡支梁，但橡膠集料混凝土與鋼筋的協調工作能力明顯優于普通混凝土，導致屈服荷載、極限荷載的降幅并不明顯。綜上所述，橡膠顆粒粒徑在0.165～0.315 mm時，混凝土耐久性得到了明顯提高，梁構件的完整性更好，且強度并沒有產生明顯削弱，因此0.165～0.315 mm為最優取代粒徑，此種混凝土適于在工程中應用。

3 結 論

a. 隨著橡膠顆粒粒徑增大，橡膠集料混凝土含氣量有所下降，坍落度則呈先減小后增大的趨勢，存在最不利粒徑使混凝土工作性最差，因此在實際工程中應注意平衡橡膠粒徑引氣作用和飽水能力間的關系。

b. 混凝土抗壓強度隨橡膠顆粒粒徑減小而下降，但摻入小粒徑橡膠顆粒有助于保證混凝土的完整性，由此可見小粒徑橡膠集料混凝土適于應用在承載能力要求低的構件中。

c. 橡膠集料混凝土耐久性高于普通混凝土，存在最優取代粒徑，使混凝土抗氯離子滲透能力、抗水滲能力、抵抗凍融循環破壞能力達到最好，因此小粒徑橡膠集料混凝土可以應用在耐久性要求高的水利工程構件中。

d. 采用耐久性最優配合比制備的橡膠集料鋼筋混凝土簡支梁與普通鋼筋混凝土簡支梁相比，起裂荷載高，變形能力好，破壞后保持了較好完整性，且沒有發生崩脫現象，同時屈服荷載與極限荷載并未出現明顯降幅，因此采用粒徑最優配合比配制的橡膠集料混凝土可以在工程中應用。