廢胎膠粉改性水泥混凝土性能研究

■林 丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

廢舊輪胎作為一種工業(yè)廢棄物，其數(shù)量呈逐年大幅增加的趨勢(shì)。 堆積如山的廢舊輪胎不僅占用土地，而且污染環(huán)境，因此廢舊輪胎的處理及再利用已成為世界各國(guó)亟需解決的問(wèn)題之一。 將廢舊輪胎粉碎成橡膠塊、粉摻加到水泥混凝土中，不僅可以改善混凝土的韌性、粘聚性、耐久性及隔熱隔聲等性能，還可以減少“黑色污染”、節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)廢物再利用。

國(guó)外對(duì)廢胎膠粉改性混凝土的研究相對(duì)較早，在20 世紀(jì)80 年代末期，對(duì)膠粉改性混凝土的研究主要集中在膠粉改性混凝土工作性能、 基本力學(xué)、膠粉與混凝土配伍性、耐久性及保溫隔熱、隔聲性能等方面[1-3]。 國(guó)內(nèi)對(duì)膠粉改性混凝土的研究較遲，一些學(xué)者應(yīng)用了不同的試驗(yàn)方法分別研究了橡膠混凝土工作性能、基礎(chǔ)力學(xué)性能及耐久性等性能[4-7]。 然而， 上述對(duì)膠粉改性混凝土的研究存在一定的局限性，且最終未能推廣應(yīng)用開(kāi)來(lái)，究其原因是沒(méi)有系統(tǒng)性評(píng)價(jià)膠粉改性混凝土性能，且所用膠粉種類(lèi)繁雜，導(dǎo)致性能有所差異。 本文通過(guò)坍落度試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)及抗壓抗折試驗(yàn)探討了膠粉顆粒大小、 膠粉摻量對(duì)混凝土性能的影響， 系統(tǒng)地評(píng)價(jià)廢胎膠粉改性混凝土性能，從而獲取膠粉改性混凝土生產(chǎn)工藝。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

試驗(yàn)所用細(xì)集料為河沙，細(xì)度模數(shù)為2.8（II 區(qū)中砂），表觀密度為2634 kg/m3，堆積密度為1310 kg/m3；粗集料為3～25 mm 均勻級(jí)配的碎石，表觀密度為2645 kg/m3， 堆積密度為1435 kg/m3， 壓碎值為5.4%，針片狀顆粒含量為4%，含泥量忽略不計(jì)；水泥采用福建水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO32.5R型水泥，安定性及其他相關(guān)指標(biāo)均合格，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1；拌和用水為普通自來(lái)水，滿足規(guī)范要求。

表1 試驗(yàn)用水泥技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)所用橡膠粉選用的廢胎膠粉為陜西長(zhǎng)大華礎(chǔ)工程材料科技股份有限公司生產(chǎn)的的A 級(jí)40目、60 目、80 目、100 目和120 目硫化廢胎膠粉（圖1），橡膠粉物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖1 廢胎膠粉外觀形態(tài)

表2 廢胎膠粉物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用混凝土配合比為水∶水泥∶河沙∶碎石=192∶348∶771∶1115， 為保證混凝土具有一定工作性，混凝土中添加一定0.8%的減水劑。 為研究膠粉大小、膠粉摻量對(duì)混凝土性能的影響，本文采用5 種粒徑大小的廢胎膠粉（即40 目、60 目、80 目、100 目和120 目），研究摻量分別為0 kg/m3、20 kg/m3、40 kg/m3和60 kg/m3混凝土的工作性能、力學(xué)性能及抗裂抗凍性能。

2 膠粉改性混凝土工作性能試驗(yàn)分析

塌落度是表征混凝土工作性的重要指標(biāo)，試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量膠粉改性混凝土的坍落度來(lái)測(cè)定混凝土拌合物流動(dòng)性，并在試驗(yàn)過(guò)程中密切觀察其粘聚性和保水性。 混凝土塌落度隨膠粉大小和摻量的變化曲線如表3 和圖2 所示。

由圖2 可以看出，摻加膠粉后膠粉改性混凝土塌落度降低了，且隨著膠粉摻量的增加，混凝土塌落度在不斷衰減，摻量超過(guò)20 kg/m3 后坍落度衰減幅度增大；隨著膠粉顆粒粒徑減小，混凝土塌落度逐漸變大，工作性能得到改善。 究其原因，主要是廢胎膠粉表面比較粗糙，導(dǎo)致其保水性較好，混凝土的拌制過(guò)程中膠粉不斷吸水。 因此，摻入膠粉后混凝土的坍落度會(huì)降低；膠粉目數(shù)越大，膠粉越細(xì)，膠粉吸水就越多，此時(shí)膠粉在混凝土中起到了潤(rùn)滑作用，塌落度就越大。

表3 膠粉改性混凝土塌落度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同膠粉改性混凝土得坍落度變化曲線

3 膠粉改性混凝土力學(xué)性能分析

3.1 抗壓試驗(yàn)分析

依據(jù)上述膠粉改性混凝土工作試驗(yàn)，分別選取3 種40 目、80 目、120 目 的 膠 粉 對(duì) 混 凝 土 進(jìn) 行 改性，研究3 種粒徑大小的膠粉在其摻量為0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3時(shí)，膠 粉 改 性混凝土7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，探究膠粉粒徑及其摻量對(duì)膠粉改性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖3 膠粉改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖3 不難看出， 摻加廢胎膠粉后混凝土7 d和28 d 抗壓強(qiáng)度均有不同程度減小， 其中28 d 抗壓強(qiáng)度減小幅度相對(duì)較大；隨著膠粉摻量的逐漸增加，其7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度均呈不斷衰減，但摻量超過(guò)30 kg/m3后混凝土抗壓強(qiáng)度衰減幅度明顯增大，120 目、80 目和40 目的膠粉改性混合料7 d 抗壓強(qiáng)度分別衰減了19.7%、28.5%和32.7%，28 d 抗壓強(qiáng)度分別衰減了18.8%、28.0%和35.2%；此外，隨著膠粉顆粒目數(shù)減小，混凝土抗壓強(qiáng)度增大，且當(dāng)摻量達(dá)到40 kg/m3后，120 目膠粉改性混凝土7 d和28 d 抗壓強(qiáng)度分別是80 目和40 目膠粉改性混凝土的1.12 倍、1.19 倍（7 d）和1.13 倍、1.25 倍（28 d），因此膠粉摻量不宜超過(guò)30 kg/m3。

3.2 抗折試驗(yàn)分析

試驗(yàn)分別將不同粒徑（即40 目、80 目、120目）、不 同 摻 量（0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3）的膠粉摻入混凝土中，研究膠粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折強(qiáng)度及折壓比（即混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比）的變化規(guī)律，探究膠粉粒徑及其摻量對(duì)膠粉改性混凝土抗折性能的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～5 所示。

圖4 膠粉改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖4 可知，加入廢胎膠粉后混凝土7 d 和28 d抗折強(qiáng)度均有不同程度的減小，且隨膠粉摻量的增加而不斷衰減；當(dāng)膠粉摻量超過(guò)30 kg/m3后混凝土抗折強(qiáng)度衰減幅度增大，120 目、80 目和40 目的膠粉改性混合料7 d 抗折強(qiáng)度分別衰減了28.6%、40.5%和45.2%，28 d 抗折強(qiáng)度分別衰減了39.6%、56.6%和58.5%； 膠粉改性混凝土抗折強(qiáng)度隨膠粉顆粒粒徑增大而減小， 且當(dāng)摻量達(dá)到40 kg/m3后，120 目膠粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折強(qiáng)度分別是80 目和40 目膠粉改性混凝土的1.20 倍、1.30 倍（7 d）和1.39 倍、1.45 倍（28 d）。

圖5 膠粉改性混凝土折壓比隨膠粉摻量、粒徑大小的變化曲線

由圖5 可知，摻加膠粉后混凝土7 d 和28 d 強(qiáng)度折壓比均在不斷減小， 混凝土韌性不斷衰減；當(dāng)膠粉摻量超過(guò)20 kg/m3后混凝土強(qiáng)度7 d 折壓比基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明膠粉摻量對(duì)混凝土早期韌性影響較小。 此外，膠粉細(xì)度越細(xì)，膠粉改性混凝土折壓比越大，表明韌性越大。 綜上所述，膠粉宜選120 目的廢胎膠粉。

3.3 抗凍試驗(yàn)分析

混凝土的抗凍性是指混凝土抵抗凍融循環(huán)的能力，是評(píng)價(jià)嚴(yán)寒地區(qū)混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)之一。 混凝土結(jié)構(gòu)在浸水條件下處于吸水飽和狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)致內(nèi)部空隙中的水會(huì)結(jié)成冰而發(fā)生膨脹，產(chǎn)生凍脹力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微損傷，這種微損傷長(zhǎng)此以往積累擴(kuò)展，最終就會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生松散開(kāi)裂，體積膨脹破壞。

試驗(yàn)依照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50082-2009）中混凝土快凍試驗(yàn)方法進(jìn)行凍融循環(huán)操作，試件尺寸為（100×100×400）mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后方可進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)[8]。 大量研究表明質(zhì)量損失能準(zhǔn)確反映混凝土試件表面剝落破壞的情況[9-10]。 因此，本文用質(zhì)量損失率指標(biāo)來(lái)表征膠粉改性混凝土的表面損傷程度，研究膠粉改性混凝土的耐久性。 混凝土試件質(zhì)量損失率計(jì)算公式如下：

式中，ΔWn為試件經(jīng)過(guò)n 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率；G0為試件凍融前的質(zhì)量；為Gn為試件經(jīng)過(guò)n 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量。

由圖6 可知，隨著膠粉摻量的增加，混凝土質(zhì)量損失率在不斷減小；凍融循環(huán)200 次后，基準(zhǔn)混凝土質(zhì)量損失率是10 kg/m3膠粉改性混凝土的1.16 倍，膠粉摻量從10 kg/m3增加到20 kg/m3，膠粉改性混凝土折壓比衰減了27.9%，而摻量從20 kg/m3增加到30 kg/m3、 從30 kg/m3增加到40 kg/m3時(shí)膠粉改性混凝土折壓比分別僅衰減了11.4%和10.3%，也即當(dāng)膠粉摻量超過(guò)20 kg/m3后混凝土質(zhì)量損失率衰減幅度大幅降低。 從圖7 中可以明顯看出， 膠粉顆粒的大小對(duì)膠粉改性混凝土的質(zhì)量損失率影響不明顯， 即對(duì)膠粉改性混凝土耐久性影響不大。

圖6 不同膠粉摻量的混凝土質(zhì)量損失率變化曲線

圖7 不同顆粒大小的膠粉改性混凝土質(zhì)量損失率變化曲線

根據(jù)圖6～7 可知，膠粉改性混凝土質(zhì)量損失率均隨凍融循環(huán)次數(shù)以指數(shù)形式不斷增大，損傷程度不斷加重； 摻加膠粉后混凝土質(zhì)量損失率大幅減小，說(shuō)明膠粉可有效改善混凝土抗凍性能；主要原因是廢胎膠粉的加入有效緩解了凍融前后膠粉改性混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，從而阻止且緩解了膠粉改性混凝土受凍時(shí)微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減小了混凝土由于過(guò)大的應(yīng)力而產(chǎn)生的內(nèi)部破壞；且隨著混凝土中膠粉粒子的增多，對(duì)受凍融的膠粉改性混凝土內(nèi)部損傷的緩解程度就越大[11]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)混凝土膠粉改性混凝土坍落度試驗(yàn)、抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)及抗凍試驗(yàn)研究了膠粉改性混凝土工作性能和力學(xué)性能及耐久性能，最終得出了如下結(jié)論：

（1）摻入膠粉后混凝土的坍落度會(huì)降低，且膠粉顆粒越細(xì)，膠粉吸水越多，塌落度就越大，工作性就越好。

（2）膠粉的加入降低了混凝土抗壓強(qiáng)度，且膠粉顆粒越細(xì)，混凝土內(nèi)部空隙就越容易被膠粉所填充，空隙率就越少，抗壓強(qiáng)度就越高；膠粉摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越小，膠粉摻量不宜超過(guò)30 kg/m3。

（3）膠粉的加入降低了混凝土抗折強(qiáng)度，且膠粉顆粒越細(xì)，混凝土抗壓強(qiáng)度就越高。

（4）廢胎膠粉的加入有效緩解了凍融前后膠粉改性混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，改善了混凝土抗凍性能；膠粉摻量越大，膠粉顆粒越細(xì)，混凝土抗凍性能越大。

（5）膠粉宜選取120 目的廢胎膠粉，膠粉摻量宜為20～30 kg/m3。