废旧轮胎橡胶颗粒对混凝土性能的影响

周蔓兰 施慧伦

(1.山西建筑职业技术学院，山西 晋中 030619; 2.山东理工大学建筑工程学院,山东 淄博 255000)

在现代化社会建设过程中，混凝土越来越成为重要的建筑材料，但混凝土较弱的延性性能导致其在实际应用中受到很大的限制。如何提高混凝土的延性性能已成为一项亟待解决的问题。20世纪90年代，由美国的Shuaib Ahmad最先提出了橡胶混凝土这一概念，他发现在混凝土中加入橡胶颗粒虽然会降低其强度但延性和抗冲切性能得到极大提升。随着我国汽车工业的发展，轮胎的产量呈现大幅上升的趋势，相应废旧轮胎产量也逐年增多，预计到2020年，我国废旧橡胶轮胎的产量能达到600多万吨，这给橡胶颗粒混凝土的发展提供了良好的前景。本文运用控制变量和正交试验法，就橡胶颗粒粒径与橡胶颗粒掺量选取不同水平形成多组实验，从力学角度阐述橡胶颗粒对混凝土抗压强度和延性性能的影响，并作出变化规律分析。

1 试验

1.1 试验材料

实验采用42.5普通硅酸盐级水泥，表观密度为2 600 kg/m3，细度模数为2.47的黄砂；Dmax为25 mm的级配良好的碎石；20%的UNF-1型萘系高效减水剂，自来水，50目～90目，1 mm～3 mm，2 mm～4 mm三种规格的废旧轮胎橡胶颗粒。

1.2 试验配合比

本实验设计采用三种橡胶粒径与四种橡胶掺量，研究不同橡胶粒径和掺量对混凝土性能的影响。基准混凝土的设计强度为C45，实验中各粒径橡胶颗粒分别按照5%,10%,20%等体积取代砂。减水剂用量为水泥用量的0.75%，具体配合比见表1。

表1 试验混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

根据试验需求准备试验材料，按照配合比称量出各材料用量，将减水剂在水中搅拌混合，将砂、石、70%掺有减水剂的水及橡胶颗粒放入搅拌机中，搅拌30 s，使材料混合均匀，加入水泥，搅拌30 s，最后加入剩余的30%掺有减水剂的水，搅拌60 s，倒出拌合物，进行和易性检测后制成标准试件，采用标准条件进行养护。共制作试块84个，养护到测试时间后，取试块在试件两侧粘贴应变片，然后放在万能应变机上进行加载，加载速度为0.1 MPa/s，并通过动态应变仪和数据采集分析仪记录数据，见表2。

表2 立方体抗压强度试验结果 MPa

2 试验结果分析

2.1 抗压强度

如图1所示，橡胶混凝土的轴心抗压强度受橡胶颗粒掺量与橡胶颗粒粒径的影响显著。橡胶颗粒掺量越大，混凝土抗压强度下降越多，由图1可知，当橡胶颗粒的掺量达到10%时，各粒径的橡胶均使混凝土强度降低接近30%，而当掺量达到20%时，其强度下降均超过50%。

而且比较图2～图4可以发现橡胶颗粒粒径越大，混凝土的抗压强度下降越多，而且橡胶颗粒粒径越大，混凝土强度增长速度越慢，早期具有的强度越低。

分析原因：混凝土强度下降的原因主要有3个：1)掺入的橡胶颗粒由于自身的强度低，导致加入橡胶颗粒的混凝土强度下降。2)加入橡胶颗粒使得混凝土的和易性变差，造成橡胶混凝土强度降低。3)橡胶颗粒的掺入削弱了水泥与骨料的粘结强度，使混凝土强度降低。橡胶混凝土强度下降趋势随橡胶颗粒粒径增大而增大的原因：橡胶颗粒越小，在水化作用下越容易产生聚团现象，使得混凝土强度降低少，颗粒粒径越大则不容易发生团聚现象；橡胶颗粒粒径越大，对混凝土的和易性影响越大，混凝土强度下降越明显。橡胶混凝土早期强度低的原因：掺入的大粒径橡胶颗粒较小粒径橡胶颗粒更能影响混凝土和易性，减弱了早期强度的形成。

2.2 应力—应变

2.2.1混凝土应力—应变的影响

由图5～图7可知，三种颗粒粒径的橡胶混凝土应力—应变关系与普通混凝土类似，应变上升阶段经历了弹性阶段、塑形阶段、内部裂缝形成阶段[3]。与普通混凝土相比，橡胶颗粒混凝土的弹性极限和内部裂缝开展点的应力、应变较小，橡胶混凝土的峰值应力和峰值应变也较小，应力增长平缓，应变增长显著。

随着橡胶颗粒掺量的不断增加，橡胶颗粒混凝土的弹性模量逐渐减小(混凝土试块的应变值不断加大)，在不同的粒径中，掺量对应力—应变的影响也不同[4]。在50目～90目和2 mm～4 mm橡胶颗粒混凝土中，随着橡胶颗粒掺量的不断增加，混凝土的应变值呈现小幅度增长，而在1 mm～2 mm橡胶颗粒混凝土中应变的增长速度很快。且50目～90目和2 mm～4 mm橡胶颗粒混凝土的应变在小掺量时小于正常混凝土，而1 mm～2 mm橡胶颗粒混凝土的应变则始终大于正常混凝土。

2.2.2混凝土弹性模量的影响

由图8可知，橡胶颗粒混凝土弹性模量的减小与橡胶颗粒粒径有关，掺入1 mm～2 mm橡胶颗粒时，橡胶混凝土弹性模量随橡胶掺量的增加而减小，掺入50目～90目与2 mm～4 mm橡胶颗粒的混凝土弹性模量虽然随橡胶掺量的增加而下降，但其弹性模量表现出离散型，其主要是由于大橡胶颗粒与橡胶粉在混凝土中的不均匀分布引起的。分析橡胶颗粒的掺入降低混凝土弹性模量的原因：橡胶颗粒在外力作用下产生的形变较大，橡胶颗粒的掺入使得混凝土在外力作用下产生更大的形变，弹性模量就随着橡胶颗粒的增加逐渐减小了。

而且在试验过程中发现，不掺加橡胶颗粒的混凝土在受压破坏时，呈现脆断崩裂现象，而掺加橡胶颗粒的混凝土试件则表现出明显的延性破坏，这个现象也很好的证实了橡胶颗粒的掺入能有效改善混凝土的延性性能。

3 结语

本次试验研究了橡胶颗粒粒径与掺量对橡胶颗粒混凝土的性能影响，通过对比分析可以得到以下结论：

1)橡胶颗粒掺量相同时，颗粒粒径越大，早期强度越低，混凝土的强度下降越多；橡胶颗粒粒径相同时，随橡胶颗粒掺量增加，混凝土强度明显下降。

2)与普通混凝土相比，橡胶混凝土的弹性极限、内部裂缝开展点的应力与应变、峰值应力和应变均较小。

3)掺入橡胶颗粒以后，试验得到的应力—应变关系曲线与普通混凝土类似，混凝土的弹性模量变小，且无规律性。

参考文献：

[1] 张 鹏.塑性混凝土材料性能试验研究及其应用[D].郑州：郑州大学硕士学位论文,2005.

[2] 张振利.碾压橡胶混凝土变形性能研究[D].天津：天津大学硕士学位论文,2008.

[3] 乔卫国,王立华，林登阁，等.橡胶颗粒混凝土最优配合比正交试验研究[J].混凝土，2014(10)：89-92.

[4] 路沙沙,麻凤海，邓 飞.橡胶颗粒掺量、粒径影响橡胶混凝土性能的试验分析[J].硅酸盐通报，2014,33(10)：2477-2483.