橡胶掺量和粒径对胶砂性能的影响研究

韩云婷 杨利香

摘 要：采用不同掺量和不同粒径的橡胶颗粒改善体系的柔性，试验结果表明：随着橡胶颗粒掺量的增加，胶砂体系的流动度先增加后减少，当橡胶颗粒粒径为5-6mm，掺量为20%时，胶砂流动度最大，为245mm；胶砂试件的抗压和抗折强度随橡胶颗粒掺量的增加均呈下降趋势，且抗压强度的下降趋势大于抗折强度；小梁弯曲试件破坏时的跨中挠度随橡胶颗粒的增加呈增加趋势，当橡胶颗粒掺量为80%时，较基准试件其跨中挠度增加34.5%。

关键词：橡胶颗粒；压折比；破坏应变

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.001

0 引言

随着我国交通运输业的不断发展，废旧轮胎正以每年12%的速率在增长[1]。据《中国再生资源回收行业发展报告》，2017年我国废旧轮胎的产生量高达507万吨。但废旧轮胎降解难度较大，相关研究表明，轮胎的自然降解年限约100年左右[2]。焚烧发电虽可利用部分废旧轮胎，但其焚烧烟气常含有二噁英等致癌物质，对烟气处理系统要求较为严苛，这就大大限制了其焚烧利用。

基于此，本试验采用废旧轮胎破碎而成的橡胶颗粒等体积取代细砂，通过强度试验和小梁弯曲试验测试体系的强度和最大弯拉应变等，以期提升复合材料的柔性，拓展废旧橡胶颗粒的资源化利用途径。

1 试验原材料

（1）水泥。水泥为万安水泥厂生产的P.O42.5水泥，其性能符合GB175要求，其化学性能和物理性能分别见表1和表2。

（2）砂。试验用砂采用ISO标准砂。

（3）橡胶颗粒。废旧橡胶颗粒由河北某企业提供，橡胶颗粒粒径为和1～2mm，3～4mm和5～6mm三种。

2 试验方法及配合比

（1）试验方法。胶砂流动度按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；

胶砂抗压强度和抗折强度按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行；

小梁弯曲试验按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

（2）试验配合比。橡胶颗粒采用内掺，等体积替代砂，掺量分别为0%、10%、20%、40%、60%、80%，水灰比固定为0.5，参照有关规范测定其流动度、成型试件，养护7天后测定试件的抗折强度和抗压强度，橡胶胶砂的配合比见表3。

小梁弯曲试验依据相关标准成型后，置于标准养护箱养护至7d，按照标准要求的尺寸进行切割，试验配合比见表4。

3 结果与讨论

3.1 橡胶颗粒对胶砂流动度的影响

掺橡胶颗粒的胶砂流动度试验结果见图1，从图1可知：

（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，不同粒径的橡胶胶砂的流动度均呈先增加后减小的趋势，当掺量在15～25% 范围时流动度达到最大。

（2）掺量相同时，较粗橡胶颗粒配制的胶砂流动性优于细颗粒，5～6mm的橡胶砂浆流动性最好，其次是3～4mm，2～3mm的流动度最小。

这是因为橡胶颗粒虽为憎水材料，但其表面也会吸收一定水分，而较小粒径的橡胶颗粒比表面积大于较粗粒径的橡胶颗粒，相对吸水率也较大，因而在一定程度上影响了橡胶砂颗粒胶砂的工作性能。

（3）试验过程中观察到，当橡胶颗粒掺量高于60%时，胶砂粘聚性变差，且大粒径更为明显，且可清晰观察到成型后的橡胶颗粒外露。

3.2 橡胶颗粒对胶砂强度的影响

掺橡胶颗粒的胶砂7d抗折、抗压强度试验结果分别见图2和图3。

由图2、图3和图4可知：

（1）掺加橡胶颗粒后，水泥胶砂的抗折、抗压强度均有不同程度降低：

①橡胶颗粒粒径大小对胶砂强度影响不大，其7d抗折、抗压强度基本相当。

②随着橡胶颗粒掺量的增加，掺橡胶颗粒的胶砂抗折强度大幅下降，当橡胶颗粒粒径为5～6mm、掺量由10%增加至80%时，体系的抗折强度由7.5MPa下降到2.8MPa，较基准胶砂分别下降11%和63%。

③相较与抗折强度，随橡胶掺量的增大，胶砂抗压强度的下降速率更快，当橡胶颗粒粒径为5～6mm、掺量由10%增加至80%时，体系的抗压强度由39.9MPa下降到6.1MPa，较基准胶砂分别下降15%和85%。

橡胶颗粒的掺入造成体系强度的降低，分析其原因，主要是因为橡胶颗粒属于惰性材料，只起填充作用，不参与水泥的水化；同時，橡胶颗粒属于柔性粒子，与细砂相比，所起到的骨架支撑作用显著降低，同时橡胶颗粒与水泥、砂等接触面粘结作用较弱，水泥胶砂强度的薄弱环节，且随着橡胶颗粒掺量的增加，胶砂中的薄弱环节也随之增加，因此强度也随之降低[3-4]。

（2）随着橡胶颗粒掺量的增加，胶砂压折比呈降低趋势，当橡胶颗粒粒径为5～6mm、掺量由10%增加至80%时，胶砂压折由5.5降低至3.2。这是因为，橡胶颗粒自身模量较低，变形能力强，随着橡胶颗粒的掺量的增加，胶砂的柔性也随着增加。

3.3 橡胶颗粒对弯曲变形性能的影响

选取5～6mm粒径的橡胶颗粒开展小梁弯曲变形试验，并通过小梁试件破坏时的最大荷载、跨中挠度和极限弯拉应变等表示其弯曲变形能力，具体试验结果见图5～图8。

由图5～图8可以看出：

（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，小梁试件的最大破坏荷载和抗弯拉强度均呈降低趋势，这与胶砂试验抗压、抗折强度试验结论一致；且当橡胶颗粒掺量较低时，最大破坏荷载的降低幅度较低，随着橡胶颗粒掺量逐渐增加，最大破坏荷载的降低幅度也逐渐增加；当橡胶颗粒掺量由0%增加至80%时，最大破坏荷载和抗弯拉强度降低幅度均为68.1%。

（2）随着橡胶颗粒掺量的增加，小梁试件的跨中挠度和最大弯拉应变均呈增加趋势，这表明橡胶颗粒的加入可有效提高小梁试件的柔韧性；且当橡胶颗粒掺量较低时，试件的跨中挠度的增加幅度较快，随着橡胶颗粒掺量逐渐增加，最试件的跨中挠度的增加幅度逐渐减慢，增长趋势趋于平缓；当橡胶颗粒掺量由0%增加至80%时，试件的跨中挠度和最大弯拉应变增加幅度均为34.5%。

根据相关研究表明，弯曲变形试验应以最大破坏荷载、抗弯拉强度和跨中挠度等均增大为最佳。但橡胶颗粒与各类纤维略有差别，由于自身模量较小，且与水泥基材料的粘结性能较差，因此掺加橡胶颗粒小梁试件变形能力的增加是以降低强度来实现的[5]。

4 结论

（1）橡胶颗粒的粒径对胶砂的流动度有一定影响，橡胶颗粒越粗，砂浆流动性越好。

（2）橡胶颗粒粒径大小对胶砂抗压和抗折强度影响较小，掺量相同时，三种粒径的橡胶颗粒配制的胶砂抗折和抗压强度比较接近。随橡胶颗粒掺量的增加，胶砂的抗折、抗压强度均呈下降趋势，且橡胶掺量较小时下降较快，随着橡胶颗粒掺量的增加强度下降趋势减缓；当橡胶颗粒掺量由0%增加至80%时，胶砂的抗折强度和抗压强度分别降低63%和85%。

（3）橡胶颗粒的加入，小梁试件的最大荷载有所降低，跨中挠度有所增加。当橡胶颗粒掺量由0%增加至80%时，小梁弯曲试件的最大破坏荷载降低68.1%，跨中挠度增加34.5%。

参考文献：

[1]杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状[J].公路交通科技，2005（07）：19-22.

[2]赵志远，毕乾，王立燕，张亚梅.废橡胶颗粒改性水泥基材料的塑性开裂和抗冲击性能[J].混凝土与水泥制品，2008（04）：1-5.

[3]马一平，刘晓勇，谈至明，杨若冲，李阳，施仲毅.改性橡胶混凝土的物理力学性能[J].建筑材料学报，2009，12（04）：379-383.

[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+2492.

[5]刘日鑫，侯文顺，徐永红，徐开胜.废橡胶颗粒对混凝土力学性能的影响[J].建筑材料学报，2009，12（03）：341-344.

基金项目：上海市科委研发基地建设项目（18DZ2283400）

作者简介：韩云婷（1985-），女，硕士研究生，主要从事固体废弃物资源化利用相关工作。