橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土抗弯拉强度的影响分析

李 宁， 马 骉， 司 伟， 刘鹏伟

（长安大学 公路学院特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引 言

随着橡胶工业和汽车工业的飞速发展，废旧橡胶轮胎的处理面临着巨大的挑战，废旧橡胶若得不到合理处置，不仅会引起环境问题，还会造成资源浪费［1－2］。因而，废旧橡胶轮胎的处理成为国内外诸多领域学者研究的焦点，尤其废旧橡胶在道路工程领域的再利用备受关注［3］。将橡胶粉应用于水泥混凝土中，形成橡胶水泥混凝土，具有比普通水泥混凝土更加显著的韧性、变形能力和抗冲击能力，良好的收缩、抗冻、降噪、疲劳和抗高温等性能；降低混凝土的比重和刚度；且橡胶粉水泥混凝土的施工工艺简单，可选择的橡胶粉颗粒粒径范围较大，消耗能源少，无二次污染［4－6］。虽然橡胶水泥混凝土具有诸多优点，但是掺加橡胶粉后，会出现橡胶粉上浮、拌和难度大、抗弯拉强度和抗压强度出现不同程度衰减等现象，导致水泥混凝土不满足工程要求，限制橡胶粉水泥混凝土的推广应用［7－8］。

强度衰减是橡胶粉水泥混凝土的必然结果之一，目前主要是通过改善橡胶粉与水泥石之间的界面黏结状况、配置高强度的水泥混凝土等方法改善这种状况。通过改善橡胶粉与水泥石之间的界面状况，可使混凝土的强度得到提高，但具有局限性，难以保证混凝土的强度达到一定水平［9］；提高混凝土的配制要求，可以满足工程强度的要求，但橡胶水泥混凝土的其他性能可能会受到影响，而且工程造价会大幅增加［10］。因此，在普通水泥混凝土中掺加橡胶粉，采用前述方法不能经济、合理、有效地改善橡胶水泥混凝土的强度，需要从混凝土的结构组成进行考虑。文献［11］基于粗集料作用的考虑，综合“水泥石”结构模型和“大中心质”理论，提出嵌锁密实水泥混凝土，依靠粗集料之间相互嵌入、咬合而形成的粗集料嵌锁骨架结构；利用砂浆包裹粗集料和填充剩余空隙，使混凝土整体达到密实状态，这种水泥混凝土属于骨架密实型结构。相比于普通水泥混凝土，嵌锁密实水泥混凝土具有强度高、耐磨性好、阻挡裂缝能力强、节约资源等优点。基于嵌锁密实水泥混凝土的结构特点，以粗集料形成骨架结构，采用橡胶粉等体积替代部分砂，由砂、橡胶粉和水泥石形成浆体，裹附和填充粗集料及其形成的空隙，并添加适宜纤维而组成的橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土（Rubber Interlocking－dense Cement Concrete，RICC），橡胶粉作为弹性材料，等体积替代部分砂，不仅降低了混凝土的刚度，增强了变形能力，而且不会破坏混凝土的嵌锁骨架结构，对混凝土强度影响较小。这种结构不仅能够充分发挥橡胶粉混凝土的优点，同时解决了其强度不足的弊端。

为此，本文以橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土中橡胶粉掺量、纤维掺量、砂率和水灰比为影响因素，并考虑橡胶粉界面改性作用12－13，分析不同因素对橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土抗弯拉强度的影响，以期为橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土的应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验采用水泥为陕西生产的秦岭P.O 42.5型普通硅酸盐水泥；粗集料为陕西铜川石灰岩碎石；细集料为陕西灞桥河砂，细度模数2.34，为中砂；减水剂采用聚羧酸液体减水剂，掺量为水泥质量的1%；橡胶粉为40目，粒径为0.42mm，密度为1.194g／cm3，吸水率为40%；纤维采用聚乙烯醇纤维（PVA纤维）。

为了改善橡胶粉与水泥石的界面黏结状况，将橡胶粉进行表面处理，根据是否采用饱和NaOH 溶液对橡胶粉进行处理［12－13］，分为改性橡胶粉和未改性橡胶粉。按照橡胶粉种类的不同，分为2组测试28d龄期下混凝土的强度，橡胶粉体积掺量为0、10%、20%、30%4种，纤维体积掺量［14］为 0、0.4%、0.8%、1.2%，砂 率 为 0.28、0.30、0.32、0.34，水 灰 比 为 0.34、0.36、0.38、0.40、0.44。按照文献［15］中水泥混凝土抗弯拉试验要求进行试验。

2 试验结果分析

2.1 橡胶粉影响

以纤维掺量为0.8%、砂率为0.32和水灰比为0.38，改性橡胶粉和未改性橡胶粉的掺量分别为0、10%、20%、30%时，掺加2种橡胶粉的RICC混凝土的抗弯拉强度变化如图1所示。

图1 抗弯拉强度与橡胶粉掺量的关系

由图1可知，改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度随着橡胶粉掺量增加呈抛物线形变化，橡胶粉掺量为10%附近达到最大值；未改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度随着橡胶粉掺量的增加而减小；改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度均高于未改性橡胶粉RICC混凝土。掺加10%改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度比未掺加橡胶粉混凝土的抗弯拉强度增大了2%，而未改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度降低了2%；当橡胶粉的掺量达到30%时，改性橡胶粉和未改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度相比于未掺加橡胶粉混凝土分别降低了4%和12%。

嵌锁密实水泥混凝土在弯拉试验中，粗集料骨架结构承受主要荷载，集料与水泥石之间的黏结状况影响结构裂缝的产生。嵌锁结构在荷载作用下产生变形，弯拉应变超过水泥石的极限应变值后，裂缝出现，混凝土进入破坏状态。在嵌锁密实水泥混凝土中掺加橡胶粉后，橡胶粉的弹性变形能力强，水泥石极限弯拉应变得到缓和，延长了混凝土应变达到极限值的作用时间，粗集料骨架结构能够继续承受荷载作用，从而抗弯强度提高。但是，橡胶粉与水泥石的物理性质有较大差异，两者之间的黏结状况严重影响着抗弯拉强度。从试验结果可知，橡胶粉经过表面改性处理后，橡胶粉与水泥石之间的黏结状况得到改善，承受的应力增大，改性混凝土的抗弯拉强度高于未改性橡胶粉混凝土，而未改性橡胶粉与水泥石之间的黏结状况较弱，直接影响着承受荷载的能力。橡胶粉的掺量较小时，能够发挥橡胶粉的弹性作用，增大混凝土的弯拉应变，混凝土的抗弯拉强度提高；当橡胶粉的掺量超过一定值后，混凝土内部的薄弱面增多，裂缝易发展贯通，抗弯拉强度降低。

利用方差方法在5%的显著性水平下，分析橡胶粉掺量及种类对混凝土抗弯拉强度影响的显著性［16］，结果见表1所列。

表1 橡胶粉掺量及种类对抗弯拉强度影响的方差分析结果

由表1可知，橡胶粉掺量与种类对混凝土抗弯拉强度有显著影响。在进行橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土的配合比设计时，需要以抗弯拉强度作为橡胶粉掺量选择的主要参考指标之一。

根据图1，改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度与橡胶粉掺量呈抛物线形变化，未改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度与橡胶粉掺量则呈线性变化。采用抛物线形模型拟合改性橡胶粉混凝土、线性模型拟合未改性橡胶粉混凝土抗弯拉强度与橡胶粉掺量的关系，拟合模型为：

其中，Rf为抗弯拉强度；C为橡胶粉体积掺量，C取0～30。

（1）式中不同类型橡胶粉与抗弯拉强度的拟合模型与实际值具有良好的相关性，精确度高，计算方便。可利用该模型在橡胶粉掺量范围内进行计算和预测橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土的抗弯拉强度。

2.2 纤维影响

以橡胶粉掺量为15%、砂率为0.32和水灰比为0.38，纤维的掺量分别为0、0.4%、0.8%、1.2%时，2种橡胶粉的RICC混凝土的抗弯拉强度变化如图2所示。

图2 抗弯拉强度与纤维掺量的关系

从图2可知，随着纤维掺量增加，RICC混凝土的抗弯拉强度呈抛物线形变化，纤维掺量为0.4%是抛物线的峰值点，抗弯拉强度达到最大值；改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度高于未改性橡胶粉RICC混凝土，前者随纤维掺量增加，抗弯拉强度变化速率较小，而后者的变化速率较大。在纤维掺量为0.4%时，相比于未掺加纤维混凝土，改性橡胶粉RICC混凝土和未改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度分别增加了4%和11.4%，改性橡胶粉RICC混凝土抗弯拉强度比未改性橡胶粉RICC混凝土提高了6.1%。纤维掺量在0.4%和0.8%时，改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度降低速率比未改性橡胶粉RICC混凝土大；纤维在0.8%和1.2%掺量变化范围时，未改性橡胶粉RICC混凝土抗弯拉强度显著降低，而改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度降低速率基本不变。

纤维的乱向分布和“加筋”作用能够增强混凝土的变形能力，提高弯拉应变，抗弯拉强度增大。在嵌锁密实水泥混凝土中，纤维的作用效果不如在普通混凝土中明显。对比改性橡胶粉和未改性橡胶粉RICC混凝土随纤维掺量增加的变化速率可知，纤维与未改性橡胶粉对RICC混凝土产生较强的交互作用，纤维可以增强未改性橡胶粉与水泥石之间的黏结，混凝土的抗弯拉强度显著提高，当纤维掺量超过0.8%后，抗弯拉强度迅速下降，纤维增多，水泥石被纤维分割，而纤维与水泥石之间的黏结强度弱于水泥石之间的黏结，而未改性橡胶粉与水泥石之间的黏结进一步限制了纤维的增强作用。

利用方差方法在5%的显著性水平下，分析纤维掺量对RICC混凝土抗弯拉强度影响的显著性，结果见表2所列。

表2 纤维掺量对抗弯拉强度影响的方差分析结果

由表2可知，纤维掺量对混凝土抗弯拉强度有显著影响，橡胶粉种类对混凝土抗弯拉强度的影响不显著。

抗弯拉强度与纤维掺量呈抛物线形变化趋势，可采用抛物线性模型对改性橡胶粉混凝土和未改性橡胶粉混凝土的抗弯拉强度进行拟合，拟合模型为：

其中，F为纤维体积掺量，F取0～1.2%。

利用（2）式中不同类型橡胶粉混凝土抗弯拉强度的拟合模型，可在纤维掺量范围内进行计算和预测混凝土的抗弯拉强度。

2.3 砂率影响

以橡胶粉掺量为15%、纤维掺量为0.8%和水灰比为 0.38，砂率分别为 0.28、0.30、0.32、0.34时，2种橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度变化如图4所示。

图3 抗弯拉强度与砂率的关系

由图3可知，随着砂率增大，2种橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度均呈抛物线形变化，在砂率为0.32时达到最大值；改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度大于未改性橡胶粉RICC混凝土；改性橡胶粉RICC混凝土在砂率小于0.32时，抗弯拉强度的变化速率较小，当砂率大于0.32后，抗弯拉强度的变化速率较大；而未改性橡胶粉RICC混凝土抗弯拉强度随砂率的增大和减小速率基本相同。

RICC混凝土在弯拉试验中，粗集料骨架结构承担着主要作用，由于掺加了纤维和橡胶粉，砂率较小时，混凝土中的粗集料虽然能够形成良好的骨架结构，但混凝土中的空隙较多，微裂缝产生的概率增大，此时混凝土破坏仍以水泥石与集料的界面结合破坏为主，抗弯拉强度较小；随着砂率增大，混凝土结构达到密实状态，橡胶粉与纤维的作用得以体现，使粗集料骨架结构充分发挥作用，混凝土抗弯拉强度增大；但砂率超过一定界限值后，粗集料骨架结构被撑开，降低了骨架结构的作用，而橡胶粉、纤维与水泥石的界面结合相对较弱，混凝土的抗弯拉强度明显减小。

利用方差分析在5%的显著性水平下，分析橡胶粉种类及砂率对混凝土抗弯拉强度影响的显著性，结果见表3所列。

由表3可知，橡胶粉种类与砂率对RICC混凝土抗弯拉强度的影响不显著。结合上述分析，在砂率的变化范围不大时，砂率对混凝土的抗弯拉强度影响不大，橡胶粉种类对其影响也不大，可知RICC混凝土的抗弯拉强度主要与粗集料骨架结构有关。

表3 砂率对抗弯拉强度影响的方差分析结果

2.4 水灰比影响

以橡胶粉掺量为15%、纤维掺量为0.8%和砂率为 0.32，水灰比分别为 034、0.36、0.38、0.40、0.44时，2种橡胶粉 RICC混凝土的抗弯拉强度变化如图4所示。

图4 抗弯拉强度与水灰比的关系

图4表明，随着水灰比增大，RICC混凝土的抗弯拉强度呈递减变化趋势，抗弯拉强度与水灰比具有良好的线性关系；改性橡胶粉RICC混凝土抗弯拉强度大于未改性橡胶粉RICC混凝土，两者随水灰比变化的速率基本相同。

水灰比对RICC混凝土抗弯拉强度的影响与普通水泥混凝土相似，均随着水灰比的增大，混凝土的抗弯拉强度降低。由嵌锁密实水泥混凝土的强度特点可知，其粗集料骨架结构承受主要荷载作用，掺加橡胶粉和纤维后，水灰比增大时，降低了其与水泥石之间的界面结合作用。在保证工作性的前提下，水灰比越小，水泥石与橡胶粉及纤维之间的黏结越紧密，则混凝土抗拉强度越高。而未改性橡胶粉与水泥石之间的界面结合状况比改性橡胶粉与水泥石弱，改性橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土的抗弯拉强度高于未改性橡胶粉嵌锁密实水泥混凝土。

利用方差方法在5%的显著性水平下，分析橡胶粉种类及水灰比对混凝土抗弯拉强度影响的显著性，结果见表4所列。

由表4可知，橡胶粉种类与水灰比对混凝土抗弯拉强度的影响显著，在以抗弯拉强度作为RICC混凝土主要设计指标时，需要慎重考虑水灰比的选择。

表4 水灰比对抗弯拉强度影响的方差分析结果

根据图4，采用线性模型拟合抗弯拉强度与水灰比的关系，拟合模型为：

其中，Rf为抗弯拉强度；W为水灰比，W取0.34～0.40。

利用（3）式中不同类型橡胶粉RICC混凝土抗弯拉强度的拟合模型，可在水灰比变化范围内进行计算和预测混凝土的抗弯拉强度。

3 结 论

（1）通过不同因素对RICC混凝土的抗弯拉强度的影响可知，改性橡胶粉RICC混凝土的抗弯拉强度大于未改性橡胶粉RICC混凝土；但与不同因素综合作用时，橡胶粉类别对RICC混凝土抗弯拉强度显著性影响不同。

（2）橡胶粉掺量和种类、纤维掺量和水灰比对RICC混凝土抗弯拉强度具有显著性影响；而砂率对RICC混凝土抗弯拉强度的影响不显著。

（3）可采用抛物线形模型拟合RICC混凝土抗弯拉强度随改性橡胶粉和纤维的变化关系；采用线性模型拟合RICC混凝土抗弯拉强度与未改性橡胶粉和水灰比的变化关系，且抛物线形和线性模型具有良好的相关性。

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