改性橡膠混凝土的力學及耐久性能研究

為提升橋面的抗沖擊性能、抗氯侵蝕性能及抗凍融循環性能，文章針對不同橡膠顆粒摻量的混凝土開展了力學性能和耐久性能試驗研究。結果表明：混凝土中橡膠顆粒的摻入會導致其抗壓強度的下降，且當混凝土中橡膠顆粒摻量＞12%時，混凝土強度折減率迅速增大；混凝土中橡膠顆粒的摻入能有效地提升其抗沖擊性能，且摻量在8%～12%，抗沖擊性能提升最明顯；橡膠顆粒的摻入對混凝土抗氯離子滲透性能的提升有利，且抗氯離子滲透性能對應的橡膠顆粒最佳摻量為8%；橡膠顆粒的摻入能有效地改善混凝土的抗凍融循環性能，且其最佳摻量也為8%。

改性橡膠混凝土；抗壓強度；抗氯離子滲透性能；抗凍融循環性能

U416.03A040122

作者簡介：

陳" 榆（1990—），工程師，主要從事公路工程項目施工監理、試驗檢測和質量管理工作。

0" 引言

橡膠顆粒對橡膠混凝土的性能提升起重要影響作用。董亞杰［1］基于橡膠混凝土路面板的抗沖擊性能研究，得出橡膠混凝土板相較于普通混凝土板的抗沖擊性能更優的結論。高夢秋［2］進行了多工況下的橡膠混凝土性能的研究，發現橡膠混凝土適用于季凍區，但需改良其抗壓及抗折性能。顏劍秋［3］將廢舊橡膠摻入混凝土中，并開展了力學性能試驗，結果表明橡膠混凝土具有良好的抗裂性、抗沖擊性能及耐久性。趙行之等［4］通過研究橡膠混凝土的抗沖擊性能，發現橡膠混凝土具有優越的抗裂性，并得出橡膠摻量為3%時，橡膠混凝土具有最佳吸能效果的結論。Farhad Aslani等［5］對橡膠混凝土進行高溫試驗，發現橡膠作為骨料摻入混凝土增加了其變形能力，但對其力學性能和工作性能的提升是不利的。劉家興等［6］探究了橡膠和鋼纖維混摻下的高性能橡膠混凝土性能特征，發現橡膠和鋼纖維混摻能起到明顯提升阻裂性能。楊鵬輝等［7］通過對地聚物橡膠混凝土進行落錘沖擊試驗，得出橡膠再生集料能大幅提高地聚物混凝土的抗沖擊性能，且最高增幅＞200%的結論。彭書成等［8］將FC纖維混凝土材料運用在橋面整體化層中，改善了混凝土路面的力學性能。黃曉雯［9］探究了凍融循環下不同橡膠粒徑的混凝土性能特征，結果表明30目橡膠對混凝土抗凍性能提升效果最佳。

綜上所述，當前關于橋面鋪裝層橡膠混凝土路用性能鮮有研究，尤其是對嚴寒地區橋面鋪裝層橡膠混凝土路用耐久性能方面的認識嚴重不足。為拓寬橡膠骨料在橋面鋪裝中的應用，保證橋面的強度、抗沖擊性能、抗凍性能及抗氯鹽侵蝕性能，提高橋面的耐久性能，本文針對摻量不同的橡膠混凝土力學性能、抗沖擊性能及耐久性能的影響規律開展了一系列研究。

1" 試驗材料及試驗方法

1.1" 原材料

本試驗的主要原材料包括：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）、Ⅰ級粉煤灰、細骨料（普通河砂）、粗骨料（5～20 mm的級配碎石）、粒徑2～4 mm橡膠顆粒、聚羧酸高效減水劑、5%的NaOH溶液、1%KH570溶液。

1.2" 配合比

橡膠混凝土配合比設計如下：橡膠混凝土強度等級為C40，本試驗基準組配合比中采用的水膠比為0.32，其中粉煤灰用量按水泥質量的20%計算；橡膠摻量分別以4%、8%、12%、16%等體積替代砂。橡膠混凝土基準配合比見表1。

1.3" 試驗方法

改性橡膠顆粒。先將橡膠顆粒用水清洗干凈，待晾干后放入5%的NaOH溶液中浸泡24 h，然后用自來水反復洗凈并晾干，最后放入1%KH570的溶液浸泡24 h，撈出晾干。

試樣成型。先將水泥和骨料攪拌1 min，再加入稱量好的橡膠顆粒繼續干拌1 min，待材料混合均勻后，將減水劑和水加入混合料中攪拌1.5 min，將制備好的橡膠混凝土拌和料澆筑成型，靜置24 h后脫模。

抗壓強度試驗。將成型脫模后的試樣養護至28 d，依據標準的試驗方法進行試驗。

抗沖擊試驗。采用的試樣為圓餅形，尺寸為直徑150 mm、厚度65 mm。

抗氯離子滲性能試驗。從養護室取出達到規定齡期的試樣，參照相關標準的測試方法進行抗氯離子滲透性能試驗。

抗凍融循環試驗。采用標準長方體試樣尺寸，參照相關試驗規程進行凍融循環試驗。

2" 試驗結果分析及討論

2.1" 橡膠顆粒摻量對抗壓強度的影響

不同橡膠顆粒摻量下的橡膠混凝土抗壓強度變化規律如圖1所示。由圖1可知，橡膠混凝土抗壓強度隨橡膠顆粒摻量的增大呈下降的變化趨勢。當橡膠顆粒摻量為4%、8%、12%、16%時，其抗壓強度相較于基準組分別下降了3.4%、11.0%、19.3%、31.1%。結果表明，橡膠顆粒的摻量對混凝土抗壓強度有重要影響，且摻量越大，強度折減越明顯。究其原因，橡膠顆粒具有一定的疏水性，在混凝土中摻入橡膠顆粒后，水分子在混凝土內部的遷移速度變慢，在橡膠顆粒周圍形成大而厚的水膜，進而影響橡膠顆粒周圍水泥的水化進程，導致橡膠顆粒與周圍膠凝材料粘結力下降。所以當外荷載作用時，其內部裂縫迅速擴展，引起混凝土強度下降，且隨著橡膠顆粒摻量的增多強度折減率越大［10］。

改性橡膠混凝土的力學及耐久性能研究/陳" 榆

2.2" 橡膠混凝土抗沖擊性能研究

橡膠混凝土抗沖擊耗能值隨橡膠顆粒摻量的變化規律如圖2所示。由圖2可知，橡膠混凝土抗沖擊耗能值隨橡膠顆粒摻量的增大呈增大趨勢，且當橡膠顆粒摻量＞12%時，其抗沖擊耗能略微趨于平緩。當橡膠顆粒摻量為4%、8%、12%、16%時，其抗沖擊耗能值相較于基準組分別提高了65.8%、153.8%、354.5%、416.0%。結果表明，混凝土中橡膠顆粒的摻量對其抗沖擊性能的提升起改善作用，且當摻量在8%～12%時，抗沖擊性能提升最明顯。究其原因，橡膠顆粒具有一定的彈性，在沖擊荷載的作用下，分布在混凝土中的橡膠顆粒發生變形以致耗散更多的能量，從而減小作用于基體的動能，提升了混凝土的韌性［11-12］。

2.3" 橡膠混凝土抗氯離子滲透性能研究

由混凝土耐久性相關規范可知，混凝土中電通量越大，表明其抗氯離子的滲透性能越低。由圖3可知，在混凝土中，隨著橡膠顆粒摻量的增大，其抗氯離子滲透性能呈先減小后略微增大的變化趨勢，擬合度可達0.96，當混凝土中橡膠顆粒摻量＞8%時，抗氯離子滲透性能呈微小下降的趨勢。當橡膠顆粒摻量為4%、8%、12%、16%時，其抗氯離子滲透性能相較于基準組分別提高了33.4%、47.8%、47.6%、45.3%。結果表明，橡膠顆粒對混凝土的抗氯離子滲透性能的改善起重要影響作用，且最佳橡膠顆粒摻量在8%～12%。究其原因，當少量的橡膠顆粒加入混凝土中時，水泥水化的膠凝材料在橡膠表面處形成大量密集的氣泡群，對毛細孔具有阻隔作用，使Cl-的滲透路徑延長了，阻止了混凝土中Cl-的擴散［13］；當橡膠摻量＞8%時，橡膠顆粒相互堆積在一起，且與膠凝材料的粘結較差，增大了孔隙率，改變了孔徑及孔結構，導致橡膠混凝土抗氯離子滲透性能下降。因此，橡膠混凝土抗氯離子滲透性能對應的橡膠顆粒最佳摻量為8%。

2.4" 橡膠混凝土抗凍融循環性能研究

如后頁圖4所示為不同橡膠顆粒摻量下的混凝土抗凍融循環性能隨凍融循環次數的變化規律。由圖4可知，質量損失率隨凍融循環次數的增加而逐步增加，當橡膠顆粒摻量在8%～12%時，其抗凍融循環性能最優。基準組混凝土經歷25次、50次、75次、100次、125次凍融循環后，質量損失率分別為0.22%、0.73%、1.19%、1.98%、3.11%；橡膠顆粒摻量為4%、8%、12%、16%下的橡膠混凝土經歷25次、50次、75次、100次、125次凍融循環后，最大質量損失率分別為0.13%、0.31%、0.81%、1.7%、2.61%。結果表明，混凝土中橡膠顆粒的摻入對抗凍融循環性能有重要影響作用，且橡膠顆粒最佳摻量為8%。究其原因：橡膠顆粒在混凝土中作為彈性體，在凍融循環的作用下能夠發生一定的形變，減弱了混凝土內應力的產生，抑制了內部微裂縫的產生和擴散，提高了其抗凍性能；摻入的橡膠顆粒引入大量的氣泡，在一定程度上細化了混凝土內部孔隙，改善了混凝土內部孔結構，增加了混凝土內部孔隙率，從而有效緩解膨脹壓力。但在凍融的反復作用下，其內部細小裂紋逐漸擴展，且微裂紋逐漸相互貫通，導致混凝土內部損傷加劇，表現為宏觀上質量損失的增加。

3" 結語

（1）混凝土中摻入橡膠顆粒，會導致其強度的下降，摻量越大強度降幅越大。橡膠顆粒摻量為12%時，混凝土強度折減率迅速增大。

（2）混凝土中摻入橡膠顆粒對抗沖擊性能的提升有利，且當橡膠顆粒摻量在8%～12%時，抗沖擊性能提升最明顯。當橡膠顆粒摻量為4%、8%、12%、16%時，其抗沖擊性能相較于基準組分別提高了65.8%、153.8%、354.5%、416.0%。

（3）橡膠顆粒可在一定程度上改善混凝土的抗氯離子滲透性能，且最佳橡膠顆粒摻量在8%～12%。

（4）混凝土中摻入一定量的橡膠顆粒，可提高其抗凍融循環性能。隨著凍融循環次數的增多，混凝土質量損失率逐步增大，且當橡膠顆粒摻量在8%時，其抗凍融循環性能最優。

（5）根據橡膠混凝土力學性能和耐久性能的指標測試結果，橡膠混凝土可用作橋面鋪裝材料。

［1］董亞杰.橡膠混凝土路面板的抗沖擊性能研究［D］.包頭：內蒙古科技大學，2022.

［2］高夢秋.季凍區路用改性橡膠混凝土最佳配合比設計試驗研究［D］.綿陽：西南科技大學，2022.

［3］顏劍秋.不同沖擊氣壓下橡膠混凝土力學性能研究［J］.水利技術監督，2023（2）：146-172.

［4］趙行之，宗" 琦，呂" 鬧，等.沖擊荷載作用下橡膠混凝土動態力學性能研究［J］.河南科技，2023，783（13）：73-79.

［5］Farhad Aslani，Maryam Khan.Properties of High-Performance Self-Compacting RubberizedConcrete Exposed to High Tempera-tures［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（5）：04019040.

［6］劉家興，楊榮周，徐 "穎，等.超高強度橡膠混凝土的力學特性及能量演化［J］.建筑材料學報，2023，33（9）：2 387-2 392.

［7］楊鵬輝，姚" 遠.地聚物橡膠混凝土的力學、抗沖擊性能及強度機理分析［J］.硅酸鹽通報，2023，42（1）：239-247.

［8］彭書成，雷" 鳴，徐光波，等.摻FC纖維材料混凝土在橋面整體化層中的應用研究［J］.工程質量，2020，38（10）：64-71.

［9］黃曉雯.凍融循環作用下橡膠粒徑對混凝土耐久性能影響試驗研究［D］.淮南：安徽理工大學，2022.

［10］孔" 慧，耿" 歐，朱思遠，等.改性廢輪胎橡膠混凝土微觀結構及其力學性能［J］.混凝土，2022，397（11）：152-155.

［11］魏昆侖，李雙喜.玄武巖纖維對橡膠混凝土抗沖擊性能的影響［J］.工業建筑，2022，52（9）：42-48.

［12］陳雅瓊.聚丙烯腈纖維在鐵路橋橋面鋪裝中的研究與應用［J］.工程機械與維修，2022，303（2）：60-61.

［13］張立群，張曉冉，張靜軒，等.改性橡膠骨料混凝土的抗氯離子滲透性能及抗沖擊性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2019，3（3）：10-13.

20240312