不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓性能試驗研究

摘要：為了研究不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓強度變化規律，文章采用40目粒徑的橡膠粉，以0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂為變化參數，設計了C40自密實混凝土試件，并通過試驗觀察了試件的破壞形態，分析了不同橡膠取代率試件破壞的原因。結果表明，隨著橡膠取代率的增加，自密實橡膠混凝土強度降低，同時塑性變形能力增強。

關鍵詞：自密實橡膠混凝土；取代率；抗壓；試驗研究

中圖分類號：U414

基金項目：2020年度廣西高校中青年教師科研基礎提升能力提升項目“方鋼管自密實橡膠混凝土柱軸壓性能試驗研究”（編號：2020KY34013）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎提升能力提升項目“再生骨料泵送混凝土性能研究與應用”（編號：2022KY1139）；廣西交通職業技術學院陸海交通基礎設施混凝土材料與結構工程技術研究中心（交院科研〔2021〕14 號）

作者簡介：劉振華（1989—），碩士，講師，工程師，主要從事工程材料研究、混凝土組合結構、橋梁工程施工、基建項目檔案建設與管理工作。

0 引言

隨著科技和經濟的飛速發展，全球汽車工業發展勢頭迅猛，我國每年產生的廢棄輪胎約為2 000×10⁴t，且廢舊輪胎產出量還在持續增長，大量廢舊輪胎亟待處理。廢舊輪胎橡膠是一種在自然條件下難溶解的高分子材料，大量存放的廢舊橡膠對自然環境造成了不可修復的破壞；如果采用填埋、焚燒的辦法對其進行處理，則會排放各種有害氣體，也會加重環境的破壞^［1］，因此，對廢舊輪胎進行再生利用研究是很有必要的。

冀彩云等^［2］研究了橡膠混凝土的抗壓與抗折性能，發現當取代率為4%時其性能發生下降趨勢；葛文慧^［3］研究了橡膠混凝土中取代率對其力學性能影響；趙榮生^［4］、楊榮周等^［5］研究了橡膠混凝土的破壞形態，認為取代率越大混凝土的破壞程度越小，延性提高。眾多學者研究了普通橡膠混凝土的性能，但是研究橡膠自密實混凝土的學者較少。自密實混凝土在橋梁、道路工程建設中大規模應用，因此研究橡膠自密實混凝土對交通工程建設具有積極的意義，同時對國家“碳達峰、碳中和”戰略具有重要意義。

本文采用40目粒徑的橡膠粉，按照強度等級 C40 確定配合比自制自密實混凝土，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠粉等體積替換砂制作試件，對自密實橡膠混凝土試件進行抗壓性能試驗。

1 試驗原材料

本次試驗采用自制自密實橡膠混凝土，根據《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T283-2012）（以下簡稱《技術規程》）與《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）等規程確定自密實橡膠混凝土配合比。

1.1 水泥

本次試驗所選用的水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m³，力學性能如表1所示。

1.2 粉煤灰

本次試驗選用一級粉煤灰，其指標如表2所示。

1.3 集料

集料也稱骨料，分為粗集料和細集料，是混凝土的主要組成材料之一。本次試驗所用粗集料選用級配良好的碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 750 kg/m³，堆積密度為1 570 kg/m³，吸水率為0.92%，壓碎指標為12.4%；細集料選用天然河砂，細度模數為2.6，表觀密度為2 650 kg/m³，吸水率為1.36%，試驗前已將其曬干備用。

不同取代率自密實橡膠混凝土抗壓性能試驗研究/劉振華，謝旺軍，文 韜

1.4 橡膠骨料

本次試驗選用的橡膠骨料為四川都江堰市華益橡膠有限公司生產的40目（380 μm）橡膠粉，由廢舊輪胎經機械破碎、篩分、清洗、除塵等一系列過程所得，表觀密度為1 168 kg/m³，吸水率為1.7%，如表3所示。

1.5 減水劑

本次試驗所采用減水劑為聚羧酸高性能減水劑，該系列減水劑混凝土的強度增長明顯，生產過程綠色環保，減水率為30.5%，固含量為97.6%，符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）一等品標準。

1.6 拌和水

試驗拌和水為南寧市普通自來水。

2 試驗

2.1 自密實橡膠混凝土配合比設計

根據《技術規程》進行配合比設計，本次試驗按照強度等級C40確定配合比，通過計算得出，水泥+粉煤灰∶水∶石∶砂=1∶0.39∶1.8∶1.6，分別用0、10%、15%、20%、30%的橡膠等體積替換砂，具體見表 4。

2.2 試驗過程

2.2.1 混凝土攪拌及坍落度

本試驗采用的混凝土為自配自密實混凝土。自密實橡膠混凝土攪拌時預先把橡膠粉、粗骨料與細骨料充分攪拌100 s，然后加入粉煤灰與水泥充分攪拌100 s，其后分數次加入摻有聚羧酸減水劑的水拌和200 s，待投料混合充分且自密實橡膠混凝土表面能看到骨料均勻分布時完成攪拌。拌制的自密實橡膠混凝土的性能評價采用《技術規程》中的坍落度、坍落擴展度進行評價與分析。澆筑試件前測量自密實橡膠混凝土的坍落度、坍落擴展度以及 T₅₀₀ 擴展時間，以測試其流動性，在確保拌和物的流動性滿足自密實混凝土規范中的要求后，將其入模、抹平、編號。為防止澆筑成型后水分流失，用塑料薄膜覆蓋試塊表面，24 h后將試件脫模、編號，送入20±2℃、相對濕度＞95%的標準養護室中養護28 d。養護結束后將試件搬出養護室并靜置在室內使其自然干燥，所有試件完全干燥后用電子稱量其重量，計算出每組配合比對應的混凝土容重。保證配制的自密實橡膠混凝土拌和物坍落度應≥240 mm、坍落擴展度應為550 mm～650 mm、T₅₀₀≥2S。

澆筑時每種自密實混凝土依照標準試驗方法制作3個150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊，標準養護28 d。試件的澆筑過程及坍落度和T₅₀₀擴展時間測量結果見表5。根據本試驗配置的混凝土拌和物性能均滿足相關自密實混凝土規范的要求。

2.2.2 自密實橡膠混凝土立方體抗壓強度試驗

按照《混凝土結構試驗方法與標準》（GB50152-2012），在RMT巖石壓力機上進行單軸壓力試驗，加載測量得到每個自密實橡膠混凝土標準立方體的抗壓強度，結果取 3 個立方體試塊試驗值的有效平均值（見表6），其中混凝土實際軸心抗壓強度推算值f_c、混凝土實際軸心抗拉強度推算值f_t、混凝土實際彈性模量推算值E_c由規范公式與相應文獻得到，見式（1）～（3）：

3 試驗分析

3.1 破壞形態分析

根據自密實橡膠混凝土試塊破壞形態可以看出：摻橡膠的自密實混凝土立方體試塊受壓破壞后仍然保持其完整性，并沒有發生嚴重的解體現象，呈現出與普通自密實混凝土截然不同的破壞形式。普通自密實混凝土表現為典型的錐形破壞，而在加載時自密實橡膠混凝土試塊邊緣先出現裂縫，然后沿豎向發展，形成許多豎向裂紋，并且所摻加的橡膠越細，其縱向裂紋越細，隨著橡膠取代率的增加，縱向裂紋的數量增多、寬度加大，自密實橡膠混凝土試塊的破壞很明顯地反映了延性優勢。橡膠粉集料是均勻分布在混凝土內部的微小彈簧裝置，起到緩沖吸能作用。由于橡膠顆粒附近的水泥基體抵抗應力集中造成受拉破壞開裂，橡膠顆粒自身有很好的彈性變形特性，因此抑制了裂縫的繼續發展，使試件受壓開裂縫隙無法貫通，從而保持了立方體試塊的完整性。

3.2 影響因素分析

由上述試驗的實測值繪制出不同橡膠取代率對自密實橡膠混凝土抗壓強度的影響曲線，如圖1所示。

由表6和圖1可知：自密實橡膠混凝中橡膠取代率與抗壓強度成反比。通過自密實橡膠混凝土試塊抗壓強度對比發現，橡膠取代率取值為10%～30%，自密實橡膠混凝土的抗壓強度依次降低到基準自密實混凝土抗壓強度的 79.6%、70.1%、57.8%、47.6%，由此可以看出，在相同的橡膠取代率下，摻橡膠粉的自密實橡膠混凝土相對于摻了橡膠顆粒的自密實橡膠混凝土強度降低幅度大，但是變形能力逐步增加。

分析原因：（1）橡膠作為彈性模量相對較低的材料，其變形能力相對較強，但橡膠的強度比不上自密實混凝土基體和天然骨料的強度，將其加入到混凝土中相當于減少了混凝土承受荷載的有效面積并且提高了孔隙率，使混凝土內部更容易產生應力集中，于是使自密實橡膠混凝土標準立方體試塊的抗壓強度下降；（2）因為橡膠是憎水性材料，而且橡膠周圍極易吸附氣泡，使橡膠粉（粒）與水泥基體的膠結性能降低，加大并且增多了橡膠與自密實混凝土之間的空隙，造成界面過渡區更容易產生初始微裂縫；（3）當橡膠取代率較小時，混凝土內部缺陷較少，水泥基體強度高，裂縫開展緩慢，混凝土立方體試塊抗壓強度降低不是很明顯，而當橡膠取代率增大時，界面過渡區的初始微裂縫容易貫通形成較大裂縫，使混凝土的抗壓承載力下降。粒徑越大的橡膠對混凝土的抗壓強度影響越小的主要原因是：相同體積總量的情況下，橡膠粉的比表面積比橡膠顆粒的比表面積大，使橡膠與混凝土接觸的有效面積增大，易產生更多的孔隙，自密實橡膠混凝土含氣量增大，導致摻橡膠粉的自密實橡膠混凝土抗壓強度下降更明顯。

4 結語

本文對試驗原材料、澆筑狀況以及混凝土拌和物進行自密實性能的檢測。通過相應的試驗數據分析和對試驗物理現象的觀察，得出以下主要結論：

（1）橡膠混凝土的自密實性通過配合比的調整可以得到滿足，保證橡膠在自密實混凝土中的均勻性，使得自密實橡膠混凝土能夠發揮其優越性能，有效延緩混凝土的開裂。

（2）橡膠的摻入會使得橡膠混凝土的強度下降，但是在較小橡膠取代率（10%）的情況下，其相應的材料性能還是有所保證的。

（3）自密實橡膠混凝土加載時，試塊邊沿最先出現裂縫，并且沿豎向發展形成豎向裂紋，豎向裂紋寬度隨著橡膠粒徑的加大而增大，且隨著橡膠取代率的增大而寬度加大、數量增多。隨著橡膠取代率增加，自密實橡膠混凝土強度降低，變形能力逐步增大。

參考文獻

［1］黃光請，李 瑜.橡膠粉基本參數對橡膠改性瀝青性能指標的影響分析［J］.西部交通科技，2021，165（4）：37-40，202.

［2］冀彩云，高正勇，崔小飛.橡膠混凝土的力學性能和耐久性試驗研究［J］.新型建筑材料，2020，47（7）：61-64.

［3］葛文慧.廢棄橡膠混凝土的力學性能和斷裂韌性及抗凍性能［J］.合成橡膠工業，2019，42（6）：474-478.

［4］趙榮生.沖擊荷載作用下橡膠混凝土的力學性能試驗研究［J］.新型建筑材料，2021，48（5）：65-70.

［5］楊榮周，徐 穎，陳佩圓，等.干、濕養護下橡膠細集料水泥砂漿壓縮破裂及能量演化特性［J］.材料導報，2020，34（4）：4 049-4 055.

收稿日期：2023-04-26