不同粒徑及摻量對改性橡膠混凝土性能的影響

周愛強，康俊濤

(1.武漢高科國有控股集團有限公司,湖北 武漢 430000; 2.武漢理工大學土木與建筑學院,湖北 武漢 430205)

0 引言

隨著我國汽車保有量增加,廢舊輪胎數量也持續增加,這必然會產生大量的廢舊橡膠。廢舊橡膠降解速度緩慢,占用大量土地,一定程度上危害著人類健康,會造成嚴重的環境污染,因此,廢舊橡膠的資源化回收利用對我國實現綠色低碳發展具有重要意義。

將廢舊橡膠粉碎化處理成橡膠顆粒作為集料摻入水泥混凝土中制得橡膠水泥混凝土,這樣不僅解決了橡膠處理難的問題,還有效地改善了傳統混凝土自重大、脆性高的性能[1]。橡膠混凝土具有輕質高彈、耐磨減震、抗裂性好、沖擊韌性高等優點,已成為了國內外學者研究熱點之一[2]。Salem等[3]和王濤等[4]研究了不同摻量下橡膠混凝土力學性能,結果表明,隨著橡膠摻量的增加,混凝土力學性能有不同程度下降,但其韌性則有不同程度提高。Kahtib等[5]研究了橡膠摻量和橡膠顆粒粒徑對橡膠混凝土的強度影響,得到了混凝土強度折減系數與橡膠摻量和粒徑間的關系。付傳清等[6]研究了摻入不同摻量同一橡膠粒徑的橡膠混凝土的力學性能,并得到了可供預測的橡膠混凝土強度公式。李贊成等[7]和路沙沙等[8]研究了不同粒徑、不同摻量下橡膠混凝土的力學特性,研究表明在相同摻量下,粒徑越大,橡膠混凝土的抗壓強度、抗折強度越小,抗滲性越好。但是以上研究中對橡膠混凝土的抗滲性研究較少,且摻量組數較少,大多研究對象為普通橡膠混凝土。本文系統研究了在2種橡膠粒徑(1 mm～2 mm,3 mm～5 mm),6種橡膠摻量(0%,5%,10%,15%,20%,25%)下,摻入經質量濃度為2.5%硅烷偶聯劑在室溫環境下處理0.5 h洗凈晾干后的橡膠集料對改性橡膠混凝土的力學性能和抗滲性的影響,并擬合分析出可供預測的數學公式。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:P.O42.5普通硅酸鹽水泥;細集料:細度模數為2.4的河砂,其含泥量1.1%、表觀密度2 631.2 kg/m3、堆積密度為1 534.7 kg/m3、孔隙率為41.7%、級配合格;粗集料:由陜西平溪石料廠生產的碎石,其針片狀顆粒總含量(質量分數)3%、含泥量0.7%、表觀密度2 929.8 kg/m3、松散堆積密度1 638.1 kg/m3、孔隙率44.1%、級配合格;橡膠集料:由四川華益橡膠有限公司生產的橡膠顆粒,分別是粒徑為1 mm～2 mm的橡膠顆粒a,其表觀密度為1 050.0 kg/m3和粒徑為3 mm～5 mm的橡膠顆粒b,其表觀密度為1 120.0 kg/m3;減水劑:由湖南中巖建材科技有限公司配置的ZY-SR-4聚羧酸減水劑,減水率經測定為23.97%;橡膠預處理劑:由曙光化工集團有限公司生產的硅烷偶聯劑(KH560)。

1.2 配合比設計

本試驗研究根據JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程[9]進行配合比設計,基準混凝土的配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=434∶165∶697∶1 238,減水劑用量為6.51 kg/m3。橡膠混凝土分別用粒徑為1 mm～2 mm的橡膠顆粒a和粒徑為3 mm～5 mm的橡膠顆粒b等體積取代細骨料,取代率為0%,5%,10%,15%,20%,25%。試驗具體配合比見表1。表中編號含義為:RC表示橡膠混凝土,a,b表示摻入的橡膠顆粒粒徑,編號中數字表示橡膠摻量,如RCa-5表示橡膠摻量為5%、橡膠顆粒粒徑為1 mm～2 mm的橡膠混凝土。

表1 橡膠混凝土配合比表

1.3 試驗內容與方法

測定2種橡膠粒徑分別為1 mm～2 mm,3 mm～5 mm,6種橡膠摻量分別為0%,5%,10%,15%,20%,25%的橡膠混凝土經標準養護后的28 d抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量及抗滲性能指標,分析不同橡膠粒徑、摻量下相關性能指標的變化規律。

本試驗采用的橡膠集料在摻入前需經過質量濃度為2.5%硅烷偶聯劑(KH560)在室溫環境下處理0.5 h后洗凈晾干,試驗研究根據GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準[10]中的規定方法進行。試件數量及尺寸見表2。

表2 試件尺寸與數量

2 試驗結果分析

2.1 立方體抗壓強度試驗

在對基準混凝土試件加載過程中發現,基準混凝土變形逐漸增大,加載到接近極限荷載時,裂紋突然擴展,發出爆炸聲,發生脆性破壞,如圖1所示。同一粒徑不同摻量的橡膠混凝土在摻量水平為5%時,發生的破壞仍為脆性破壞,但隨著摻量水平的提高,破壞時爆裂聲逐漸減小,當摻量水平達到15%,已無明顯的爆裂聲,如圖2所示。當摻量水平達到25%時,破壞時試件表面有較多裂紋,試件中部有明顯外鼓變形,破壞后試件完整性更好,如圖3所示。相同摻量不同粒徑的橡膠混凝土的破壞現象無顯著差別。橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強度隨橡膠摻量發展規律如圖4所示。

從圖4中可以看出,不同粒徑的試塊28 d立方體抗壓強度整體上隨著橡膠摻量的增加而降低,其中摻3 mm～5 mm粒徑的試塊立方體抗壓強度的下降幅度略大;當摻量水平在10%范圍內,抗壓強度下降不明顯;當摻量水平超過10%時,抗壓強度快速下降。摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土28 d立方體抗壓強度為基準混凝土的70.3%～98.6%,摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土28 d立方體抗壓強度為基準混凝土的68.7%～98.3%。

通過對試驗數據進行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土立方體抗壓強度與橡膠摻量關系分別如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中,fcca為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強度,MPa;fccb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的28 d立方體抗壓強度,MPa;x為橡膠摻量,%。

2.2 靜力受壓彈性模量試驗

在對各組圓柱體試件加載至破壞荷載的過程中,隨著橡膠摻量的增多,試件在破壞時也能保持較好的完整性;在相同的橡膠摻量下,摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土相較于摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土在加載過程中裂縫發展更為緩慢。橡膠混凝土軸心抗壓強度及靜力受壓彈性模量隨橡膠摻量發展規律如圖5,圖6所示。

從圖5,圖6中可以看出,不同粒徑的試塊軸心抗壓強度和靜力受壓彈性模量整體上隨著橡膠摻量的增加而降低,當摻量水平超過15%時,橡膠混凝土軸心抗壓強度和彈性模量下降更加明顯;當橡膠摻量相同時,摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量總體上比摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的低。摻1 mm～2 mm的橡膠混凝土軸心抗壓強度和彈性模量分別為基準混凝土的69.4%～98.4%,68.1%～97.0%,摻3 mm～5 mm的橡膠混凝土軸心抗壓強度和彈性模量分別為基準混凝土的66.1%～98.8%,67.3%～94.5%。

通過對試驗數據進行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土軸心抗壓強度與橡膠摻量關系分別如式(3),式(4)所示,靜力受壓彈性模量與橡膠摻量關系分別如式(5),式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,fcpa為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強度,MPa;fcpb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的軸心抗壓強度,MPa;Eca為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的靜力受壓彈性模量,GPa;Ecb為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的靜力受壓彈性模量,GPa;x為橡膠摻量,%。

2.3 抗滲性試驗

本次抗滲性試驗采用滲水高度法進行,試驗設備為HP-4.0混凝土抗滲儀。試件養護至齡期后取出,采用液態石蠟對試件側面做密封處理。將處理完成后的試件安裝到抗滲儀上,加水壓力24 h后降壓,從試模中取出試件后將其劈裂,觀察各試件內部滲水情況,如圖7,圖8所示;記錄滲水高度,并計算平均滲水高度及相對滲透系數。為方便數據分析與計算,將相對滲透系數Sk取對數,試件lg(Sk)與橡膠摻量的發展規律如圖9所示。

從圖9中可以看出,摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的滲透系數先降低后升高;相應地,當摻量水平在15%以內時,其抗滲性能隨著橡膠摻量的增加而提高;當摻量水平大于15%時,其抗滲性能隨著橡膠摻量的增加而降低,但其抗滲性能整體上高于基準水泥混凝土。摻3 mm～5 mm的橡膠混凝土的滲透系數相較于摻1 mm～2 mm的橡膠混凝土降低幅度很小,且與基準水泥混凝土相比,其滲透系數也是先降低后升高,當摻量超過10%時,其抗滲性能甚至低于基準水泥混凝土。

通過對試驗數據進行擬合分析,得到摻1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土lg(Sk)與橡膠摻量關系分別如式(7),式(8)所示。

(7)

(8)

其中,lg(Ska)為摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的相對滲透系數Ska取對數,m/s;lg(Skb)為摻3 mm～5 mm粒徑的橡膠混凝土的相對滲透系數Skb取對數,m/s;x為橡膠摻量,%。

3 結論

1)隨著橡膠摻量的增加,橡膠混凝土的力學性能不斷降低,摻1 mm～2 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土的降低幅度更小。由于橡膠顆粒的彈性模量顯著低于粗細集料,橡膠顆粒的摻入使普通混凝土內部分布了較多的小彈性體,提高了混凝土的韌性,但同時也降低了其強度,可應用于對強度要求不高的道路面層。

2)摻1 mm～2 mm粒徑的橡膠混凝土的抗滲性能要優于基準混凝土,且在摻量水平為15%時,抗滲性能最佳。由于橡膠材料為疏水材料,可有效減小混凝土內部水的滲流,降低毛細作用,從而提高橡膠混凝土的抗滲性。

3)通過對試驗結果進行擬合,得到了可供預測的橡膠混凝土強度、彈性模量以及相對滲透系數隨摻量的變化關系式,并綜合分析后得出:橡膠粒徑為1 mm～2 mm,橡膠摻量為15%時,橡膠混凝土的綜合性能相對優越。