橡膠粉改性橋涵回填用泡沫混凝土關鍵性能試驗研究

熊 俊

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來，我國現代化建設逐步深入，交通運輸尤其是交通基建領域邁入跨越式發展階段。橋梁、涵洞作為交通建設中重要的結構物，在交通基礎設施建設中的需求越來越大。傳統的土、砂石等建筑材料在應用于橋臺背回填時，由于填筑材料性能、施工方法、工程造價低等諸多因素的影響而無法完全達到設計要求[1]。泡沫混凝土是泡沫、水泥、摻合料、外加劑等材料經過充分攪拌而制成的多孔無機材料[2]，其作為一種新型回填材料，已逐漸應用于交通工程建設。但實際施工過程中，往往會由于材料配合比問題出現收縮變形，最終導致結構物開裂等病害，影響工程質量。因此，研發一種高環保效益且具備優良使用性能的橋涵回填用泡沫混凝土刻不容緩。

近年來學者們針對泡沫混凝土的性能提升及應用場景的拓展展開了一系列研究：陳龍龍[3]將黃原膠作為穩泡劑，提高了發泡劑的發泡倍數和穩定性，此類發泡劑通過改善泡沫混凝土的氣孔結構，提升了路基填充用泡沫混凝土的性能；王統[4]將泡沫混凝土作為植生基體，通過研發植生型泡沫混凝土，制備屋面綠化種植模塊，以“綠化+蓄排水”為主要功能，為泡沫混凝土在海綿城市領域的應用提供了一種新的實現途徑；孫超[5]基于南京長江大橋南引橋雙曲拱橋維修加固的工程背景，從雙曲拱橋拱上填料的基本性能要求出發，通過摻入可再分散性乳膠粉改變泡沫混凝土的孔結構，從而制備符合要求的泡沫混凝土。現有研究主要以不同方式改進泡沫混凝土的性能，但在橋涵回填中仍然尚未解決環保問題。21世紀以來，伴隨著汽車領域的蓬勃發展，大量廢舊輪胎成為威脅人類社會環境的主要問題之一。國內外學者將廢舊輪胎制成的橡膠顆粒，以不同摻量加入混凝土，在改善混凝土性能的同時提升混凝土環境友好性。本文在吸收以往學者利用橡膠改善混凝土性能的基礎上，借鑒泡沫混凝土領域研究成果，試圖在泡沫混凝土中加入不同摻量的橡膠粉，通過物理性能、力學性能的測試，得到應用于橋涵回填的新型泡沫混凝土，為今后泡沫混凝土的綠色應用提供依據。

1 試驗

本文針對廣西某公路橋涵回填工程設計需求，將廢舊橡膠輪胎通過研磨等工序制成的橡膠粉，加入泡沫混凝土中，制備出橡膠粉改性泡沫混凝土試塊。根據《泡沫混凝土》[6]和《橋涵臺背回填泡沫混凝土施工技術規程》[7]等技術標準(后文簡稱“標準”)，在已有基礎試驗測試達標的基礎上，測試濕密度、流動度、抗壓強度和抗裂性能，研究最佳橡膠粉摻量下泡沫混凝土性能及機理。

1.1 試驗原材料

水泥采用廣西某水泥廠生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，各項性能均符合相關技術要求，見表1。由于橡膠粉的制備過程包含研磨、過濾等復雜工序，對儀器、環境等參數控制質量要求較高，為不影響橡膠粉的質量，橡膠粉選用廣西某研究院以廢舊輪胎制備的橡膠粉，目數為40目，送堆密度為350(g/cm3)。發泡劑采用1∶30倍數的復合型發泡劑。集料等其他原材料均滿足泡沫混凝土行業技術要求。

表1 P·O 42.5級水泥主要指標表

1.2 試件制備與測試

根據現場試驗結果及參考以往研究經驗，水灰比選取為0.5，橡膠粉摻合料增量梯度為3%，按照集料的質量百分比分別摻入0、3%、6%、9%、12%，具體配合比如表2所示。制備試驗試件流程為：干料按照比例共混→預攪拌60 s→緩慢倒入水→慢攪180 s→加入預先制備的泡沫→快攪120 s→觀察整體氣泡均勻→入模→室溫(自然狀態)24 h→脫模→標準養護(7 d、28 d)。由于已有基礎試驗經驗，故本試驗在著重考慮橋涵回填工程特點的基礎上，重點開展濕密度、流動度、抗壓強度、抗裂性能等直接關系到材料在橋涵工程中應用的關鍵指標試驗。

表2 橡膠粉改性泡沫混凝土配合比表

2 試驗結果與分析

2.1 濕密度

泡沫混凝土的濕密度是表征橡膠粉改性泡沫混凝土處于流動狀態時，每m3單位體積的質量，其可以很好地指導橡膠粉改性混凝土應用于橋涵回填工程時的工作方案，是控制施工質量的重要參數。測試結果如圖1所示。觀察圖1可知：濕密度隨著橡膠粉摻量的增加略有提升，橡膠粉摻量為0～9%時增長幅度較小，濕密度從1 150 kg/m3到1 270 kg/m3，累計增長10.4%，而橡膠粉摻量為9%～12%時增長幅度提升較快，濕密度從1 270 kg/m3增長為1 475 kg/m3，增長幅度達到了16.1%。這是由于本試驗采用外摻法摻入橡膠粉，對濕密度會有一定的正影響，但摻量為9%以后隨著橡膠粉百分比增大，混凝土填充于孔隙內的橡膠微粉過量，使得吸水量大幅升高，導致濕密度增幅變大。對照相關標準，由于濕密度始終>1 000 kg/m3，可滿足各級公路橋涵回填工程。

圖1 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土濕密度的影響曲線圖

2.2 流動度

新拌和的泡沫混凝土應具備良好的工作性能，因此需檢測流動性這一混凝土泵送的關鍵指標。標準規定適用于橋涵回填工程的泡沫混凝土，其流動度指標在160±20 mm為宜。在不同摻量下測試新拌泡沫混凝土的流動度結果如圖2所示。觀察圖2可知：新拌和的泡沫混凝土，流動度指標隨著橡膠粉摻量的增長而逐漸降低；當橡膠粉摻量為0%時，初始流動度為196 mm，而橡膠粉摻量增長到12%時，流動度降低為155 mm，降低了20.0%；橡膠粉摻量在0～9%時，流動度分別為179 mm、168 mm、165 mm，雖然流動度呈降低趨勢，但仍然符合標準規定的橋涵回填指標。這表明橡膠粉摻量在9%以內時，改性泡沫混凝土在流動度測試中符合標準。

圖2 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土流動度的影響曲線圖

2.3 抗壓強度

泡沫混凝土的抗壓強度是橋涵回填工程設計、施工等工作中的關鍵力學指標，標準中針對不同應用場合，將泡沫混凝土的強度劃分為7個等級。在不同等級中均規定了100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件強度的最小平均值，其中7 d齡期下最低等級的試件抗壓強度≥0.3 MPa、最高等級試件抗壓強度≥1.5 MPa，28 d齡期下最低等級的試件抗壓強度≥0.6 MPa、最高等級試件抗壓強度≥3.0 MPa。圖3為不同橡膠粉摻量下泡沫混凝土抗壓強度測試結果曲線圖。經分析可知：隨著橡膠粉摻量的增加，改性泡沫混凝土的抗壓強度呈現先略微升高再降低的趨勢。在橡膠粉摻量為6%時達到各齡期最大值，分別為1.4 MPa、2.15 MPa、4.20 MPa，對照標準中7個等級泡沫混凝土強度指標，均可用于橋涵回填工程，其最佳強度指標出現在橡膠粉摻量為6%附近。在0～6%摻量范圍內，改性泡沫混凝土的強度有所增加，這是由于橡膠粉顆粒分布于泡沫混凝土中，使其具備一定的彈性緩沖能力，可適當地幫助試件承受壓應力，但隨著摻量的增加，橡膠粉增多使泡沫擠壓變形，導致不能承擔壓應力。

圖3 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響曲線圖

2.4 抗裂性能

由于泡沫混凝土水灰比較大，水分在施工后易快速散失，導致收縮裂縫，針對這一病害，測試橡膠粉改性泡沫混凝土的抗裂性能，通過測試試件從微裂紋擴展至裂縫的開裂時間，表征橡膠粉含量對抗裂性能的影響。測試結果如圖4～5所示。

圖4 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土開裂時間的影響曲線圖

圖5 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土裂縫寬度的影響曲線圖

觀察圖4可知：隨著橡膠粉摻量從0逐漸增加至12%，泡沫混凝土的開裂時間從起初的11.0 h逐漸延長至25.6 h。隨著橡膠粉摻量的不斷增加，裂縫發生時間逐漸延長，當橡膠粉摻量為3%時開裂時間為12.5 h，當橡膠粉摻量為6%時開裂時間為15.2 h，當橡膠粉摻量為9%時開裂時間為19.0 h，當橡膠粉摻量為12%時開裂時間為25.6 h。與未摻和橡膠粉的泡沫混凝土相比，開裂時間分別延長了22.7%、38.2%、72.7%、132%，且延長的速率不斷擴大。

觀察圖5裂縫寬度測試情況可知：隨著橡膠粉摻量的不斷增加，裂縫寬度不斷減小。當橡膠粉摻入時，裂縫寬度從3.8 mm逐漸遞減為1.2 mm，從圖形的斜率可以看出，不摻加橡膠粉與摻加橡膠粉，對裂縫寬度的差別巨大，摻加橡膠粉后該差別逐漸減小。對比圖4、圖5可知：橡膠粉的摻入在很大程度上抑制了裂縫的發生，且隨著摻量的增大，抗裂性能改善越明顯。究其原因是由于混凝土的收縮開裂屬于拉裂，而橡膠粉屬于彈性體，大量的微小橡膠粉在緩解混凝土材料內部拉應力的同時，有效填充了部分應力集中點，延緩了開裂的時間和寬度。

3 結語

針對泡沫混凝土在橋涵回填工程中應用時出現的問題，在借鑒以往學者利用橡膠改善混凝土性能的基礎上，將廢舊橡膠輪胎通過研磨等工序制成橡膠粉，分別以0、3%、6%、9%、12%摻量加入泡沫混凝土中，制備出橡膠粉改性泡沫混凝土，通過濕密度、流動度、抗壓強度和抗裂性能測試，得到適用于橋涵回填的新型泡沫混凝土，為此得出以下結論：

(1)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，濕密度呈升高的趨勢，且始終>1 000 kg/m3，可滿足各級公路橋涵回填工程。

(2)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，流動度數值逐漸降低，且橡膠粉摻量在0～9%時，流動度符合橋涵回填指標。

(3)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，抗壓強度呈現先略微升高再降低的趨勢，3 d、7 d、28 d強度峰值出現在6%摻量處，0～12%摻量范圍內強度均達到橋涵回填工程要求。

(4)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，大量的微小橡膠粉可緩解混凝土材料內部拉應力，在很大程度上抑制了裂縫的發生，且隨著摻量的增加，抗裂性能改善越明顯。