廢棄橡膠混凝土疲勞性能的研究

付建，張茜，吳峰，史新君

(攀枝花學院 土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000)

目前，橡膠廢棄物在世界范圍內的數量均在顯著增長。廢棄輪胎是廢棄橡膠的重要來源之一[1]。由于汽車工業的盛行，發達國家廢棄輪胎的產生率幾乎人均一個。每年廢棄輪胎數量達到10億個，其中超過50%的廢棄輪胎未經過任何處理。預計到2030年，廢棄輪胎產生量將達到12億。這造成了嚴重的資源浪費，阻礙了社會的可持續發展[2]。

將廢棄橡膠輪胎用于建筑材料是處理和利用這一廢棄物的較好方法。利用橡膠的特性，制成橡膠顆粒或粉末，摻入混凝土中，可得到橡膠混凝土,國內外學者對其的性能進行了廣泛研究[3]。

本文研究不同摻量的廢棄橡膠顆粒對普通混凝土的疲勞壽命、疲勞強度及疲勞變形的影響，為今后廢棄橡膠混凝土應用提供參考[4-5]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

P·O42.5水泥；河砂(平均粒徑0.5 mm以上，粗砂，含水率為5%)；石子(粒徑5～ 31.5 mm)；萘系高效減水劑，工業級；40目橡膠粉。

SC6000型液壓伺服實驗機。

1.2 實驗方法

混凝土的設計強度為 C35，混凝土配合比計算依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2000)(J 64—2000)以及《建筑施工計算手冊》。橡膠粉摻量為替代15%，45%體積的粗骨料，為了保證相同的水灰比，所有橡膠混凝土配合比要求骨料總體體積不變，只改變粗骨料和橡膠粉摻量，其它成分摻量均應保持相同。具體的橡膠混凝土配合比見表1。

表1 不同配比橡膠粉摻量比下的混凝土配方比

混凝土采用二次投料法，控制相同攪拌時間及加水方法等攪拌制度進行攪拌機拌合。振動臺離心脫水密實成型振動成型，不超過40 ℃下靜止硬化，24 h后脫模。在標準條件下養護，確保試件處于同一條件下，確定符合實驗條件后進行測試。每組配合比按有關規范或標準進行抗壓強度、三點彎曲實驗、疲勞壽命測試。

2 結果與討論

2.1 橡膠粉摻量對混凝土抗壓強度的影響

表2為橡膠粉摻入量不同時混凝土的表觀密度、抗壓強度。

表2 不同配比橡膠粉摻量下橡膠混凝土表觀密度及抗壓強度

由表2可知，普通混凝土的表觀密度最大，隨橡膠粉摻量的增加，混凝土表觀密度顯著下降。摻量越大，降幅越大，當摻量達到45%時，降幅達到13.5%。普通混凝土的抗壓強度也是最大的，橡膠粉增加越多，抗壓強度降低越多，降幅達到53.1%。橡膠混凝土抗壓強度下降的主要原因可能是由于橡膠的彈性模量限制，其彈性模量遠遠比混凝土低；另一方面，橡膠表面為疏水性[6]，不利于混凝土內部界面的黏接。因此，硬化后的混凝土內部，橡膠顆粒與水泥漿之間可能存在細微裂縫，可承受負載的實際面積減小，削弱了水泥混凝土的負載能力。

2.2 橡膠粉摻量對彎曲負載實驗的影響

表3為不同配比橡膠粉摻量下橡膠混凝土三點彎曲負載實驗結果。

表3 不同配比橡膠粉摻量下橡膠混凝土三點彎曲實驗結果

由表3可知，橡膠粉摻量的增加會導致橡膠混凝土的峰值負載下降，卻會使混凝土的峰值撓度上升，表明橡膠粉的加入提高了混凝土的峰值撓度。另外，橡膠混凝土的峰值拉伸應變也隨著橡膠粉摻入量增加而升高，當摻量為45%時，增幅可達到253.4%，其極限拉應變同樣升高，在摻量為45%時達到最大，增幅可達到180.0%。以上數據表明，橡膠粉的摻入可以增強混凝土的負載能力。這一主要原因可能是，橡膠粉能有效吸收或消耗裂縫擴展時釋放的能量，抑制了裂縫產生以及避免擴大。這一特性增強混凝土韌性，減輕脆性，使橡膠混凝土趨于延性破壞[7]。

2.3 橡膠粉摻量對不同應力水平下疲勞壽命的影響

表4為不同配比橡膠粉摻量下混凝土的應力水平-疲勞壽命。

表4 不同配比下橡膠粉摻量橡膠混凝土疲勞壽命

由表4可知，摻入橡膠粉后，混凝土的疲勞壽命在同一應力水平下可顯著提高，最高可達2倍多。這主要是因為橡膠可變形性，變形同時吸收能量，避免裂縫產生以及擴大。

圖1 不同配比下橡膠混凝土疲勞壽命

由圖1可知，橡膠混凝土的疲勞壽命具有離散性的特點，且有一定的統計分布規律。這主要是因為疲勞壽命的數據通常是在指定應力水平下測試得出。該測試過程中數據反應較為敏感，容易受許多隨機因素影響，比如所受應力強度水平，給予應力的系統加載應力不穩定、試件尺寸的些許差別、測量系統的測量誤差、實驗操作誤差等。以上原因都可能導致混凝土疲勞壽命離散性偏大[8]。

本文主要對不同摻量橡膠混凝土的疲勞性能開展研究。將廢棄輪胎粉碎，得到橡膠粉，以一定比例摻入混凝土中[9]，一方面大量的廢棄輪胎可以得到回收利用，避免資源，同時又可以有效減輕對環境的污染；另一方面，橡膠是一種彈性材料，其良好的變形能力及韌性，廢棄后依然可以加以利用，這一性質使其成為改善混凝土的韌性，減輕脆性的絕佳材料。因此，橡膠混凝土不失為一種新型的環保綠色建筑材料，可廣泛應用于建筑、公路修筑等領域[10]。

3 結論

(1)橡膠顆粒的滲入，降低了橡膠混凝土的表觀密度及抗壓強度。表觀密度隨橡膠粉摻量的增加顯著下降，摻量越大，降幅越大，當摻量達到45%時，降幅達到13.5%。抗壓強度也是隨著橡膠增加越多，抗壓強度逐漸降低，降幅達到53.1%。

(2)橡膠顆粒的增加，使混凝土的拉伸應變顯著增高。另外，橡膠混凝土的峰值撓度、極限應變在靜態作用下也相對普通混凝土高：橡膠混凝土最高峰值拉伸應變相比于普通混凝土漲幅可達到253.4%，其極限拉伸應變最高時相比于普通混凝土漲幅可達到180.0%。

(3)疲勞壽命實驗數據具有一定離散性，但不影響實驗結果。橡膠粉的摻入能顯著提高混凝土的疲勞壽命，與橡膠粉摻入量成正比。不同應力水平下的橡膠混凝土疲勞壽命也不同，其與應力水平成反比。這表明橡膠混凝土具有優于普通混凝土的抗疲勞開裂性能