改性橡膠混凝土抗凍性能試驗研究

劉 姿

(商丘市睢陽區水務局，河南 商丘 476000)

1 概 述

在社會經濟迅速發展的時代背景下，我國的機動車數量也逐年攀升，這給人們的出行帶來方便，同時也不可避免地產生了大量的廢舊輪胎。對廢舊輪胎的處理，特別是資源化利用成為一個十分重要而緊迫的社會性問題。相關研究顯示，利用廢舊輪胎制作的再生橡膠顆粒摻入混凝土，可有效改善混凝土的物理和力學性能[1]，具有較為廣闊的應用前景和價值，是廢舊輪胎資源化利用的重要方式和途徑，已經成為業界所關注的重要課題[2]。

混凝土是水利工程建設的重要材料，也是使用量最大的材料，其性能對水工結構和建筑物的質量和耐久性具有十分顯著的影響。在北方寒區的水利工程建設領域，抗凍性能是衡量混凝土性能的重要指標[3]。從目前的研究來看，橡膠混凝土的研究主要集中于其物理和力學性能，針對再生橡膠顆粒對水工混凝土抗凍性能影響的研究不多[4]。基于此，本文通過室內試驗的方式，探討再生橡膠顆粒摻量對水工混凝土抗凍性能的影響，為再生橡膠顆粒在水工混凝土領域的應用提供支持和幫助。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

水泥是混凝土中的主要膠凝材料，其性能會對混凝土質量影響顯著。此次研究中使用的是天津冀北水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為1.98 cm3/g，初凝和終凝時間分別為190和246 min，比表面積為345 cm2/kg，28 d抗壓強度為52.8 MPa，抗折強度為9.5 MPa。各項性能指標均滿足相關規范要求，可以用于此次試驗研究。

試驗用骨料包括粗骨料和細骨料。其中，試驗用細骨料為級配良好的天然河沙，其表觀密度為2 338 kg/m3，含泥量為1.5%，細度模數為2.21；試驗用粗骨料為天然卵礫石，其壓碎率為2.5%，粒徑范圍為15～47 mm。

試驗中選擇粉煤灰作為礦物摻合料，其來自于唐山冀東熱電廠生產的I級粉煤灰；試驗用減水劑為青島方北建材有限公司出品的聚羥酸系列高效減水劑；試驗用水為實驗室當地的普通自來水。

再生橡膠顆粒是此次研究的重要材料，通過廢舊輪胎破碎篩分獲得。經測定，其粒徑范圍為0.44～1.03 mm，表觀密度為1 088 g/cm3，纖維含量為8.3%，灰分小于8.7%。在各種輪胎的生產過程中，為提高橡膠的性能，往往會添加一定量的硬質酸辛。這種添加劑會對橡膠顆粒和混凝土材料的黏結作用明顯下降。為了解決這一問題，需要將制備好的橡膠顆粒在5%的NaOH溶液中浸泡12 h，然后再用清水洗凈，晾干備用[5]。

2.2 試件制作

試驗采用的是150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。在試件制作過程中，首先將稱量好的再生橡膠顆粒和粗骨料倒入攪拌機攪拌2 min，然后加入水泥、粉煤灰和細骨料繼續攪拌1 min，最后加入水和減水劑再攪拌3 min[6]。將拌制好的改性橡膠混凝土裝入試模，在振動臺上振動2～3 min，振動密實之后放在陰涼、通風處靜置24 h脫模，然后再放入標準養護室養護至28 d齡期[7]。

2.3 試驗方法

將養護至規定齡期的試塊在清水中浸泡48 h，然后取出擦干稱重，放入橡膠桶，再放入冷凍箱開始凍融試驗[7]。凍融循環試驗在清水中進行，每個凍融循環的周期為4 h，試驗中進行50次凍融循環，每10次循環測定一次質量數據，在50次凍融循環之后，測量試塊的抗壓強度和抗折強度[8]。

2.4 試驗方案

在橡膠混凝土抗凍性能方面，橡膠摻量是最主要的影響因素。因此，研究中選擇水工建設領域常用的C30混凝土進行試驗。試驗中保持其余參數不變，設置0%、5%、10%、15%和20%等5種不同的比例，利用再生橡膠顆粒等體積替代混凝土中的細骨料，根據試驗結果探討橡膠混凝土摻量對水工混凝土抗凍性能的影響。具體的試驗方案見表1。

表1 試驗方案配合比 /kg·(m3)-1

3 試驗結果與分析

3.1 質量損失率

根據試驗中獲取的數據，對不同再生橡膠顆粒替代率方案下試件的質量損失率進行計算，結果見表2。由表2中的計算結果可以看出，凍融循環次數和再生橡膠顆粒的替代率均會對水工混凝土的質量損失率產生比較顯著的影響。為了進一步獲取相關的變化規律。研究中以表2中的數據為依據，繪制出不同試驗方案下的試件質量損失率隨凍融循環次數的變化曲線，見圖1。由圖1可以看出，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的質量損失率呈現出先緩慢增加、后迅速增加、然后增速又趨于緩慢的變化特點，且各方案的變化特征相似。由此可見，在混凝土中摻加再生橡膠顆粒，不會對混凝土的質量損失率變化規律造成顯著影響。從不同的方案對比來看，摻加再生橡膠顆粒方案的質量損失率均明顯偏小，說明在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒有助于提高混凝土的抗凍性。在各個方案中，質量損失率最小的為方案3。由此可見，從質量損失率的指標來看，最優方案為方案3，也就是選擇10%的再生橡膠顆粒取代率。

表2 質量損失率試驗結果

圖1 質量損失率隨凍融循環次數變化曲線

3.2 抗壓強度

根據50次凍融試驗完畢之后的抗壓試驗數據，繪制出混凝土抗壓強度隨再生橡膠顆粒取代率的變化曲線，見圖2。由圖2可以看出，隨著再生橡膠顆粒取代率的增加，混凝土的抗壓強度呈現出先迅速增加后逐漸減小的變化特點。同時，摻加再生橡膠顆粒方案的抗壓強度值均大于沒有摻加再生橡膠顆粒的方案1。由此可見，在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效提高凍融循環作用下混凝土的抗壓強度。究其原因，主要是橡膠顆粒為典型的彈性體材料，在分散到混凝土中之后，可以充當混凝土受凍過程中的應力中心，緩解凍融循環作用下的溫度應力影響以及凍結過程中的膨脹應力，從而有效阻止了混凝土內部微裂縫的產生和發展，減少混凝土內部的應力破壞，因此提高混凝土的強度。當然，由于橡膠顆粒本身的強度較低，過量摻入橡膠顆粒，反而不利于混凝土強度的提高。從具體的計算結果來看，當再生橡膠顆粒取代率為10%時，試塊的抗壓強度值最大，為38.42 MPa，與沒有摻加再生橡膠顆粒方案35.25 MPa的抗壓強度值相比，增加約8.99%。

圖2 抗壓強度隨再生橡膠顆粒取代率變化曲線

3.3 抗折強度

根據50次凍融試驗完畢之后的抗折試驗數據，繪制出混凝土抗折強度隨再生橡膠顆粒取代率的變化曲線，見圖3。由圖3可以看出，抗折強度和抗壓強度的變化規律類似，隨著再生橡膠顆粒取代率的增加，混凝土的抗折強度呈現出先迅速增加后逐漸減小的變化特點。同時，摻加再生橡膠顆粒方案的抗折強度值均大于沒有摻加再生橡膠顆粒的方案1。由此可見，在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效提高凍融循環作用下混凝土的抗折強度。鑒于其原因和抗壓強度類似，這里不再贅述。從具體的試驗數據來看，當再生橡膠顆粒的取代率為10%時，試塊的抗折強度值最大為5.23 MPa，與未摻加再生橡膠顆粒方案4.66 MPa的抗壓強度值相比，提高約12.23。

圖3 抗折強度隨再生橡膠顆粒取代率變化曲線

4 結 論

本文通過室內試驗的方式，探討了再生橡膠顆粒摻量對水工混凝土抗凍性的影響，主要結論如下：

1) 在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可以有效降低混凝土的質量損失率，提高其抗壓強度和抗折強度。

2) 當再生橡膠顆粒的取代率為10%時，混凝土的質量損失率最小，抗壓強度和抗折強度最大。

3) 在水工混凝土中摻加再生橡膠顆粒，可有效提升其抗凍性能，結合試驗數據，其最佳取代率為15%。