橡膠集料等體積替換細骨料對混凝土抗壓強度的影響

劉 楊，何 超，黃嘉亨，肖 翔，黃 維,2，周 知

(1.武漢理工大學工程結構與力學系，武漢 430070；2.武漢理工大學，新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室，武漢 430070； 3.武漢理工大學道路與橋梁工程系，武漢 430070)

0 引 言

隨著汽車工業的迅速發展，世界各國每年產生大量的廢舊輪胎。據統計，2017年日本產生的廢舊輪胎總量為103.4萬噸[1],2016年歐洲廢舊輪胎產生量約為390萬噸[2],2017年美國廢舊輪胎產生量約為419萬噸[3],2018年中國廢舊輪胎的回收量為512萬噸[4]，不斷產生的廢舊輪胎給生態環境帶來了巨大負擔，“黑色污染”及由其引發的橡膠資源嚴重浪費現象已經引起世界各國的重視，固體廢棄物無害化處理和再生資源循環利用成為世界各國經濟活動的主要準則。另一方面，混凝土中的重要組成成分細骨料——河砂，作為一種短期內不可再生的自然資源，如果在短期內過度開采，不僅會造成資源匱乏，還可能導致河床大量下陷、河岸塌陷等地質災害，破壞區域生態環境，引發水土流失[5]。面對河砂資源緊缺、生態環境破壞等問題，尋找一種可以替代細骨料的集料成為混凝土材料的重點研究方向。而將粒徑較小的廢舊輪胎橡膠集料按照一定的比例替換細骨料添加至混凝土中，形成新的混凝土——橡膠集料混凝土(Crumb Rubber Concrete，CRC)[6]，不僅有利于廢舊輪胎橡膠的處理，節約河砂等自然資源，而且有利于環境的保護。橡膠集料混凝土因引入一定量的柔性成分，混凝土性能得到相應的改善，但同時工程師更關注的混凝土承載能力卻明顯降低。

目前有關橡膠集料替換細骨料時混凝土強度方面的研究，得到了一致的結論：將橡膠摻入到混凝土中會降低混凝土的強度，且隨著摻量的增加，降低幅度增大，而能耗顯著提升。Eldin和Senouci[7]首先通過試驗研究發現，當混凝土細骨料完全被橡膠集料代替時，混凝土抗壓強度和抗拉強度分別降低了65%和50%。呂晶[8]、Ghaly[9]、馮凌云[10]、Thomas[11]和許翊[12]等學者對多組橡膠集料等體積替換細骨料的混凝土試件進行了抗壓強度試驗研究，證實橡膠顆粒的摻入會降低混凝土強度。龍廣成等[13]研究了混凝土抗壓強度隨橡膠集料體積分數的變化規律，認為橡膠集料的疏水性質和低彈模特性是導致強度降低的主要原因，在此基礎上提出了橡膠集料混凝土強度降低率與橡膠集料體積分數之間的線性關系。而Bompa等[14]對收集的不同學者的試驗數據，采用數學回歸方法建立了橡膠集料混凝土強度折減系數與橡膠集料體積替換率之間的分數關系。

然而，不同的橡膠集料粒徑等體積替代細骨料時，橡膠集料混凝土抗壓強度并不相同。Yu等[15]采用粒徑為2～4 mm、1～3 mm和0～2 mm的3種橡膠集料取代混凝土細骨料，研究發現在相同的體積替換率時，橡膠集料混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度都會隨著橡膠粒徑的減小而降低。然而，Su等[16]通過比較20%摻量的3 mm、0.5 mm和0.3 mm三組單一尺寸的橡膠顆粒樣品和一個連續尺寸混合樣品試驗得出了相反的結論，相同體積替換率時，較小橡膠粒徑的混凝土表現出更高的抗壓強度。同樣的，張海波等[17]研究了5目和100目兩種粒徑廢舊橡膠顆粒對砂漿和混凝土抗壓強度的影響規律，結果表明，在較低取代量下，100目橡膠混凝土抗壓強度高于5目橡膠混凝土抗壓強度，當達到一定取代量后，100目橡膠混凝土抗壓強度反而低于5目橡膠混凝土抗壓強度，存在一個轉變取代量，對于不同齡期強度，轉變取代量不同。Aslani[18]通過對比大量試驗數據發現，0.5～5 mm和5～25 mm粒徑橡膠對混凝土強度影響都很大，混合摻加的強度損失最高，大粒徑橡膠顆粒的混凝土抗彎強度損失最低，小粒徑橡膠顆粒的混凝土抗壓強度損失最低。不同學者研究結論相反的原因可能是在計算相同體積橡膠集料時，采用的是橡膠的堆積密度而不是表觀密度。而且已有的研究主要集中在小體積替換率，而對大體積替換率的影響研究較少，主要是因為許多學者認為將橡膠集料混凝土用于工程結構，橡膠集料的體積替換率要控制在25%以內。橡膠集料在不同的體積替換率時，橡膠集料混凝土表現出較好的輕質、延性性能、減震性能、抗沖擊性能、抗爆裂性能、保溫隔熱性能和降噪隔聲性能，能用于非結構構件或用于低、中抗壓強度混凝土結構中[19]。因此，本文對不同粒徑橡膠集料等體積替換細骨料時橡膠集料混凝土抗壓強度進行試驗研究，其中采用單一尺寸橡膠集料5組(60目、40目、20目、1～3 mm和3～6 mm)，混合尺寸橡膠集料1組(60目+20目+3～6 mm按體積1∶1∶1混合)，橡膠集料等體積替換細骨料，替換率分別為0%、20%、40%、60%和80%，進行等體積替換時采用橡膠集料表觀密度計算。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用華新水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；高效減水劑采用勤奮建材生產的Q8011HPWR液體標準型高性能減水劑，其減水率為26%；拌和用水為自來水；細骨料采用普通河砂，其表觀密度為2.793 g/cm3，細度模數為2.43，級配滿足中砂級配要求；粗骨料采用連續級配碎石，其粒徑范圍為5～25 mm；橡膠集料采用成都市四通橡塑有限公司生產的粒徑為60目(0.25 mm)、40目(0.38 mm)、20目(0.83 mm)、1～3 mm和3～6 mm橡膠粉，橡膠集料表觀密度如表1所示，尺寸如圖1所示。各骨料的級配曲線如圖2所示。

表1 橡膠集料表觀密度Table 1 Apparent density of rubber aggregate /(g/cm3)

圖1 橡膠集料尺寸Fig.1 Particle sizes of rubber aggregate

圖2 砂和橡膠集料的級配曲線Fig.2 Grading curves of sand and rubber aggregate

1.2 試驗方法

試驗按照JGJ 5—2011《普通混凝土配合比設計規程》[20]設計，以水灰比為0.53的普通混凝土配合比為基準，砂率45%。分別采用5種單一粒徑橡膠集料和1種混合粒徑橡膠集料，分別以0%、20%、40%、60%和80%的體積替換率替換細骨料制備橡膠集料混凝土試塊。試驗中具體的配合比如表2所示。

表2 橡膠集料混凝土配合比Table 2 Mix proportions of CRC

按照配合比設計制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，本試驗共制作25組試件，每組3個，一共75個試件。試件成型1 d后拆模并對試塊進行標準養護。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[21]進行28 d抗壓強度測試。

2 結果與討論

試驗得到的不同粒徑橡膠集料混凝土28 d抗壓強度數據如表3所示。不同粒徑橡膠集料混凝土28 d抗壓強度如圖3所示，從圖中可以看出，采用不同粒徑橡膠時，橡膠集料混凝土的強度隨著橡膠集料體積替換率的增加，均表現出明顯的降低趨勢，這與其他學者的試驗結果相同。對不同粒徑橡膠集料混凝土的抗壓強度進行標準化，繪制出橡膠集料混凝土強度折減系數隨橡膠集料體積替換率的變化情況，如圖4所示。可以發現，采用3～6 mm橡膠粒徑的橡膠集料混凝土，體積替換率從20%增加到80%，強度折減系數從0.69降低到0.29。采用粒徑為60目的橡膠集料混凝土，體積替換率從20%增加到80%，強度折減系數從0.51降低到0.09。隨橡膠集料體積替換率的增加，粒徑較大的橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數降低。采用混合粒徑的橡膠集料混凝土，體積替換率從20%增加到80%，強度折減系數從0.58降低到0.17，強度折減系數介于不同單一粒徑橡膠集料混凝土之間。

圖4 混凝土抗壓強度折減系數隨體積替換率的變化Fig.4 Relationship between compressive strength reduction factor and volume replacement ratio

表3 橡膠集料混凝土28 d抗壓強度Table 3 28 d compressive strength of CRC /MPa

續表

圖3 不同橡膠粒徑時橡膠集料混凝土28 d抗壓強度Fig.3 28 d compressive strength of CRC with different rubber particle sizes

橡膠集料混凝土強度折減系數隨橡膠集料粒徑的變化情況如圖5所示，可以發現在相同的體積替換率下，橡膠集料混凝土強度折減系數隨橡膠集料粒徑的增大而增加，但與其他單一粒徑橡膠集料混凝土相比，采用1～3 mm粒徑橡膠集料混凝土的強度折減系數在不同體積替換率下，上升趨勢均出現一定程度下降。產生這種現象的原因可能是在混凝土制樣過程中對摻入1～3 mm橡膠顆粒的橡膠集料混凝土攪拌不均勻造成橡膠聚集在某些區間。雖然Su等[16]和Aslani[18]認為，細橡膠集料能更好地填充孔隙，減小端部應力集中，相同體積替換率時小粒徑比大粒徑橡膠集料混凝土強度降低更少。然而在相同的體積替換率時，細橡膠集料增加了表面積，增大了橡膠集料混凝土的薄弱環節，給混凝土破壞提供了更多的路徑，并且細橡膠集料引入更多的空氣，如圖6所示，增大了混凝土的孔隙率，降低了混凝土密度。因此相同體積替換率時，采用小粒徑橡膠集料比大粒徑橡膠集料混凝土強度降低更多。

圖5 混凝土抗壓強度折減系數隨橡膠集料粒徑的變化Fig.5 Relationship between compressive strength reduction factor and particle sizes of rubber aggregate

圖6 橡膠集料引入的空氣Fig.6 Trapped air bubbles at rubber aggregate

3 考慮橡膠粒徑的強度折減公式

要將橡膠集料混凝土用于工程實踐，必須建立橡膠集料混凝土強度計算公式。定義橡膠集料混凝土強度折減系數SRF(r)如下：

SRF(r)=fcu/fcu,k

(1)

式中：r為橡膠集料取代細骨料砂的體積替換率，0%≤r≤100%；fcu為橡膠集料體積替換率為r的橡膠集料混凝土立方體抗壓強度；fcu,k為普通混凝土立方體抗壓強度。

龍廣成等[13]提出的混凝土抗壓強度折減系數(以不摻橡膠集料混凝土抗壓強度值為基準)與橡膠集料體積替換率之間的關系：

SRFLong(r)=-1.261 3r+1

(2)

Bompa等[14]建立了橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數與橡膠集料體積替換率的分數關系：

(3)

根據公式(2)和公式(3)計算得到橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數與本試驗結果對比，如圖7所示。龍廣成模型和Bompa模型計算結果與試驗結果誤差的相關系數R2分別為0.933和0.958。采用線性擬合的龍廣成模型結果誤差明顯，而采用分數關系擬合的Bompa模型計算得到的橡膠集料混凝土強度折減系數與混合粒徑試驗結果吻合度較好，但大粒徑(3～6 mm)的橡膠集料混凝土計算結果相對偏低，60目和40目粒徑的橡膠集料混凝土計算結果相對偏高。

圖7 橡膠集料混凝土強度折減系數隨體積替換率的變化Fig.7 Relationship between strength reduction factor of CRC and volume replacement ratio

在Bompa模型的基礎上，引入考慮橡膠粒徑尺寸的影響參數s，s的取值為等體積替換的橡膠集料粒徑的均值，擬合得到考慮橡膠粒徑影響的橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數計算公式：

(4)

將得到的擬合公式與試驗結果進行對比，如圖8所示，誤差的相關系數R2=0.990，計算結果與試驗結果吻合較好。因此可以采用考慮橡膠粒徑影響的橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數公式(4)計算目標橡膠集料等體積替換率和橡膠粒徑下的橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數。

圖8 不同粒徑橡膠替換時橡膠集料混凝土抗壓強度的折減系數Fig.8 Compressive strength reduction factor as function of CRC when replacing rubber with different particle sizes

4 結 論

本文研究了不同粒徑橡膠集料等體積替換細骨料時對橡膠集料混凝土抗壓強度的影響。試驗結果表明橡膠集料體積替換率和橡膠集料粒徑對橡膠集料混凝土的抗壓強度有明顯影響。橡膠集料粒徑越大，混凝土強度降低程度越小。采用線性擬合的龍廣成模型計算得到的橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數與試驗結果誤差明顯，而采用分數關系擬合的Bompa模型計算得到的橡膠集料混凝土強度折減系數與混合粒徑試驗結果吻合度較好，但對大粒徑和小粒徑的橡膠集料混凝土存在一定誤差，因此在計算橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數時，不僅需要考慮橡膠集料的體積替換率，還需要考慮橡膠粒徑大小的影響。基于此，在Bompa模型的基礎上，引入考慮橡膠粒徑尺寸的影響參數(等體積替換橡膠集料粒徑的均值s)，擬合得到橡膠集料混凝土抗壓強度折減系數計算公式，計算得到的結果與試驗結果吻合較好，相關系數R2=0.990。