廢棄橡膠粉改良水泥混凝土路面性能試驗研究

基金項目：

2019年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“行車振動對C40混凝土的力學性能影響”（編號：2019KY1337）

作者簡介：

劉貞鵬（1989—），碩士，講師，研究方向：道路建筑材料。

摘要：為了提升水泥混凝土路面的性能，充分利用廢棄橡膠，文章采用不同摻量和目數（粒徑）下的廢棄橡膠粉對水泥混凝土進行了改良試驗研究。結果表明：隨著廢棄橡膠粉摻量增加，水泥混凝土強度、撞擊分貝、干縮率、電通量以及質量損失率逐漸降低，首裂次數和終裂次數逐漸增大；隨著廢棄橡膠粉目數的增加，水泥混凝土的強度、干縮率、質量損失率逐漸降低，首裂次數和終裂次數逐漸增大；摻入廢棄橡膠粉除了對強度不利之外，對其他力學性能具有一定的改善作用；綜合各種性能參數，建議廢棄橡膠粉的目數≤30，摻量宜為10%～15%。

關鍵詞：廢棄橡膠粉；水泥混凝土；摻量；目數；性能改良

中圖分類號：U416.03 A 02 004 3

0 引言

淘汰的廢舊輪胎不僅占用大量土地資源，而且對環境造成了巨大的破壞［1］。由于橡膠輪胎具有高穩定性、高耐磨性和高抗老化性，在自然條件下很難降解，目前對廢棄橡膠的利用以生產再生膠為主，但這種工藝的生產過程十分繁瑣，需要消耗大量能源，同時產生很多廢棄物，對環境造成極大污染［2-3］。因此豐富廢棄橡膠輪胎的利用方式、提高廢棄輪胎的利用率成為當務之急。

水泥混凝土路面是一種常用的路面結構，具有強度高、抗沖刷能力強等特點，但經常出現斷板、表面裂縫損壞、接縫損壞等多種問題，同時在施工后容易發生干裂現象，因此有必要對其進行改良［4-5］。廢棄橡膠粉作為一種彈性材料，可以很好地抵抗應力和變形的影響，如果將其摻入水泥混凝土路面，不僅可以減少水泥用量、降低水化熱的產生，減少裂縫的出現，還可以在很大程度上緩解廢舊輪胎對環境造成的壓力。因此，有必要開展廢棄橡膠粉改良水泥混凝土路面性能試驗研究［6-8］。

基于前人研究理論和經驗，本文對不同摻量和目數的廢棄橡膠粉改良水泥混凝土的性能進行了研究，從強度、抗沖擊、降噪、收縮、抗氯離子滲透以及抗凍等多個方面探討廢棄橡膠粉對水泥混凝土性能的改良效果。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量為27.1%，初凝時間為150 min，終凝時間為255 min，3 d抗壓和抗折強度分別為26 MPa和4.7 MPa，28 d抗壓和抗折強度分別為52.5 MPa和7.5 MPa。

粗集料：將粒徑5～30 mm的集料分為5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm三檔，密度分別為2.732 g/cm3、2.786 g/cm3和2.789 g/cm3，含泥量分別為0.6%、0.4%和0.3%，針片狀含量分別為8%、7.6%和6.3%。三檔集料按照2∶5∶3的比例混摻。

細集料：中砂（粒徑＜4.75 mm），細度模數為2.75，表觀密度為2.782 g/cm3，含泥量為1.5%，孔隙率為42%。

廢棄橡膠粉：由某膠粉廠生產，橡膠粉分為10目、20目、30目和60目四種類型，篩余物含量為5.1%，水分含量為0.1%，金屬含量為0.001%，纖維含量為0.2%，丙酮抽出物為3.2%，炭黑含量為30%，橡膠烴含量為60%。

減水劑：減水率為25.5%，收縮比為7.2%，氯離子含量為0.01%，堿含量為0.36%，硫酸鈉含量為1.22%，pH=7.1。

1.2 配合比方案設計

按照中等交通荷載級別（即28 d抗折強度為4.5 MPa）設計水泥混凝土的配合比，初步得到試驗基準配合比為：水灰比0.38（水泥375 kg/m3，水150 kg/m3），砂率為34%，集料總量為1 925 kg/m3。對四種不同類型廢棄橡膠粉在不同摻量下的物理力學性能進行對比研究，摻量分別為0、5%、10%和15%（替代水泥量），具體試驗方案見表1。

1.3 試驗內容

按照表1的配合比方案配制水泥混凝土，并將其制作成對應尺寸的試驗試件，在標準養護箱中養護28 d后分別開展抗壓強度試驗、抗折強度試驗、抗沖擊性能試驗、降噪性能試驗、收縮性能試驗、抗氯離子滲透試驗以及抗凍試驗。

2 試驗結果分析

2.1 強度性能

不同配合比方案下，廢棄橡膠粉改良水泥混凝土的強度特征見圖1。由圖1可知：相同目數橡膠粉下，隨著摻量的增加，水泥混凝土的抗壓強度和抗折強度逐漸減小。這是因為橡膠粉作為一種有機高分子材料，不能像水泥一樣產生水化反應生成膠結物質，且其與水泥漿體的粘結程度不高，因而造成水泥混凝土強度下降。在相同摻量下，廢棄橡膠粉的目數越大，抗壓強度和抗折強度越低，這是因為目數越大，廢棄橡膠粉的粒徑越小、顆粒越多，并廣泛分布于水泥混凝土中，橡膠粉與水泥漿體的結合面增加，減小了砂子、石子與水泥漿體的結合面積，導致結構之間膠結聯結力減小，因而強度降低，故廢棄橡膠粉的摻量不宜過多。

2.2 抗沖擊性能

采用落球沖擊試驗法測得各配合比下水泥混凝土產生第一條裂縫的沖擊次數和最終破壞的沖擊次數情況（見圖2）。由圖2可知：在相同目數橡膠粉下，隨著廢棄橡膠粉摻量的增加，初裂沖擊次數和終裂沖擊次數均呈逐漸增加的趨勢。在相同摻量下，摻入目數越大的廢棄橡膠粉，水泥混凝土的初裂沖擊次數和終裂沖擊次數也呈逐漸增加的變化趨勢。出現上述現象的原因是橡膠粉的彈性模量小，降低了水泥混凝土的脆性，使其具有較強的變形能力。橡膠粉粒徑越小，摻量越多，越能均勻分布在水泥混凝土中，因此抗沖擊性能越好。

2.3 降噪性能

采用橡膠球撞擊法測試得到不同配合比下水泥混凝土分貝值情況（見圖3）。由圖3可知：在相同目數橡膠粉下，隨著摻量的增加，分貝數呈逐漸減小的變化特征，水泥混凝土的抗噪性能越好；在相同摻量下，摻入目數越大的廢棄橡膠粉，分貝數高，但相差不是很大。這說明廢棄橡膠粉的摻量是影響水泥混凝土抗噪性能的主要因素。摻量越大，水泥混凝土的脆性越弱，變形能力越強，可以吸收的撞擊能量越多，故而產生的噪音越小。

2.4 收縮性能

不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土干縮率隨時間的變化特征見圖4。由圖4可知，隨著時間的增加，干縮率呈對數型增長，增長幅度隨著時間增加而逐漸降低。摻入目數為10的廢棄橡膠粉時，0、5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為348×10-6、325×10-6、298×10-6和264×10-6。摻入目數為20的廢棄橡膠粉時，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為288×10-6、276×10-6和257×10-6。摻入目數為30的廢棄橡膠粉時，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為257×10-6、246×10-6和231×10-6。摻入目數為60的廢棄橡膠粉時，5%、10%和15%摻量下120 d的干縮率分別為233×10-6、217×10-6和194×10-6。由此可見，廢棄橡膠粉摻量越多，目數越大，水泥混凝土的干縮率越小，可以減少路面混凝土結構干裂縫的產生。這是因為摻入廢棄橡膠粉后，減少了水泥用量，可以減少水化反應對混凝土內部水分的消耗。同時廢棄橡膠粉具有彈性變形能力，可以緩解因水分消耗和蒸發引起的毛細孔壓力對混凝土產生的收縮變形，使早期收縮變形減小。

2.5 抗氯離子滲透性能

采用電通量法對不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土進行電通量試驗結果見圖5。由圖5可知：相同橡膠粉目數下，隨著摻量的增加，水泥混凝土的電通量越小；相同摻量下，目數越大，電通量越小，但相差不大。說明橡膠粉摻量是影響水泥混凝土抗氯離子滲透性的主要因素，原因是廢棄橡膠粉作為一種有機高分子材料，具有絕緣作用，不能作為導體進行傳導。當氯離子滲透到混凝土中遇到橡膠粉時，必須改變原有的滲透路徑，從而極大地緩解了氯離子在混凝土中的擴散速度，提高了水泥混凝土路面的抗氯離子滲透能力。

2.6 抗凍性能

采用快速凍融法對不同配合比下廢棄橡膠粉改良水泥混凝土進行抗凍試驗，測得質量損失率隨凍融循環次數的關系見后頁圖6。由圖6可知：不摻入廢棄橡膠粉時，水泥混凝土的質量損失率在經過125次凍融循環后就達到了5.2%，此時停止試驗；摻入5%的10目廢棄橡膠粉時，當經歷175次凍融循環后，質量損失率也達到了5.2%，此時停止試驗，其余試驗組均進行了200次凍融循環。當摻入相同目數廢棄橡膠粉時，隨著摻量增加，質量損失率越小；當廢棄橡膠粉摻量相同時，目數越大，質量損失率越小。說明摻入粒徑越小、越多的廢棄橡膠粉，水泥混凝土路面的抗凍性越好。這是因為廢棄橡膠粉是一種彈性材料，在水泥混凝土中可作為受力中心，緩解溫差應力和膨脹應力，抑制凍融循環下裂縫的產生和發展。

3 結語

（1）廢棄橡膠粉是一種有機高分子材料，等量替換水泥后減少了水化反應，同時與水泥漿體的粘結程度不高，但其具有較強的彈性變形能力，可以吸收外界能量，緩解變形。因此，摻入廢棄橡膠粉有利于抗沖擊性能、降噪性能、收縮性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能，但不利于強度性能。摻量越多，這些性能的改良效果越明顯。

（2）廢棄橡膠粉的目數（粒徑）也是影響水泥混凝土性能的因素之一。隨著目數的增加，強度逐漸減低，但抗沖擊性能、收縮性能以及抗凍性能明顯提升。目數對抗噪性能和抗氯離子滲透性能的影響不是很明顯。

（3）鑒于廢棄橡膠粉對水泥混凝土路面的改良效果，表明其具有很好的路用價值，同時為了最大程度替代水泥用量，以降低工程造價，建議廢棄橡膠粉的目數≤30，摻量宜為10%～15%。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-16