橡胶集料等体积替换细骨料对混凝土抗压强度的影响

刘 杨，何 超，黄嘉亨，肖 翔，黄 维,2，周 知

(1.武汉理工大学工程结构与力学系，武汉 430070；2.武汉理工大学，新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，武汉 430070； 3.武汉理工大学道路与桥梁工程系，武汉 430070)

0 引 言

随着汽车工业的迅速发展，世界各国每年产生大量的废旧轮胎。据统计，2017年日本产生的废旧轮胎总量为103.4万吨[1],2016年欧洲废旧轮胎产生量约为390万吨[2],2017年美国废旧轮胎产生量约为419万吨[3],2018年中国废旧轮胎的回收量为512万吨[4]，不断产生的废旧轮胎给生态环境带来了巨大负担，“黑色污染”及由其引发的橡胶资源严重浪费现象已经引起世界各国的重视，固体废弃物无害化处理和再生资源循环利用成为世界各国经济活动的主要准则。另一方面，混凝土中的重要组成成分细骨料——河砂，作为一种短期内不可再生的自然资源，如果在短期内过度开采，不仅会造成资源匮乏，还可能导致河床大量下陷、河岸塌陷等地质灾害，破坏区域生态环境，引发水土流失[5]。面对河砂资源紧缺、生态环境破坏等问题，寻找一种可以替代细骨料的集料成为混凝土材料的重点研究方向。而将粒径较小的废旧轮胎橡胶集料按照一定的比例替换细骨料添加至混凝土中，形成新的混凝土——橡胶集料混凝土(Crumb Rubber Concrete，CRC)[6]，不仅有利于废旧轮胎橡胶的处理，节约河砂等自然资源，而且有利于环境的保护。橡胶集料混凝土因引入一定量的柔性成分，混凝土性能得到相应的改善，但同时工程师更关注的混凝土承载能力却明显降低。

目前有关橡胶集料替换细骨料时混凝土强度方面的研究，得到了一致的结论：将橡胶掺入到混凝土中会降低混凝土的强度，且随着掺量的增加，降低幅度增大，而能耗显著提升。Eldin和Senouci[7]首先通过试验研究发现，当混凝土细骨料完全被橡胶集料代替时，混凝土抗压强度和抗拉强度分别降低了65%和50%。吕晶[8]、Ghaly[9]、冯凌云[10]、Thomas[11]和许翊[12]等学者对多组橡胶集料等体积替换细骨料的混凝土试件进行了抗压强度试验研究，证实橡胶颗粒的掺入会降低混凝土强度。龙广成等[13]研究了混凝土抗压强度随橡胶集料体积分数的变化规律，认为橡胶集料的疏水性质和低弹模特性是导致强度降低的主要原因，在此基础上提出了橡胶集料混凝土强度降低率与橡胶集料体积分数之间的线性关系。而Bompa等[14]对收集的不同学者的试验数据，采用数学回归方法建立了橡胶集料混凝土强度折减系数与橡胶集料体积替换率之间的分数关系。

然而，不同的橡胶集料粒径等体积替代细骨料时，橡胶集料混凝土抗压强度并不相同。Yu等[15]采用粒径为2～4 mm、1～3 mm和0～2 mm的3种橡胶集料取代混凝土细骨料，研究发现在相同的体积替换率时，橡胶集料混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度都会随着橡胶粒径的减小而降低。然而，Su等[16]通过比较20%掺量的3 mm、0.5 mm和0.3 mm三组单一尺寸的橡胶颗粒样品和一个连续尺寸混合样品试验得出了相反的结论，相同体积替换率时，较小橡胶粒径的混凝土表现出更高的抗压强度。同样的，张海波等[17]研究了5目和100目两种粒径废旧橡胶颗粒对砂浆和混凝土抗压强度的影响规律，结果表明，在较低取代量下，100目橡胶混凝土抗压强度高于5目橡胶混凝土抗压强度，当达到一定取代量后，100目橡胶混凝土抗压强度反而低于5目橡胶混凝土抗压强度，存在一个转变取代量，对于不同龄期强度，转变取代量不同。Aslani[18]通过对比大量试验数据发现，0.5～5 mm和5～25 mm粒径橡胶对混凝土强度影响都很大，混合掺加的强度损失最高，大粒径橡胶颗粒的混凝土抗弯强度损失最低，小粒径橡胶颗粒的混凝土抗压强度损失最低。不同学者研究结论相反的原因可能是在计算相同体积橡胶集料时，采用的是橡胶的堆积密度而不是表观密度。而且已有的研究主要集中在小体积替换率，而对大体积替换率的影响研究较少，主要是因为许多学者认为将橡胶集料混凝土用于工程结构，橡胶集料的体积替换率要控制在25%以内。橡胶集料在不同的体积替换率时，橡胶集料混凝土表现出较好的轻质、延性性能、减震性能、抗冲击性能、抗爆裂性能、保温隔热性能和降噪隔声性能，能用于非结构构件或用于低、中抗压强度混凝土结构中[19]。因此，本文对不同粒径橡胶集料等体积替换细骨料时橡胶集料混凝土抗压强度进行试验研究，其中采用单一尺寸橡胶集料5组(60目、40目、20目、1～3 mm和3～6 mm)，混合尺寸橡胶集料1组(60目+20目+3～6 mm按体积1∶1∶1混合)，橡胶集料等体积替换细骨料，替换率分别为0%、20%、40%、60%和80%，进行等体积替换时采用橡胶集料表观密度计算。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用华新水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；高效减水剂采用勤奋建材生产的Q8011HPWR液体标准型高性能减水剂，其减水率为26%；拌和用水为自来水；细骨料采用普通河砂，其表观密度为2.793 g/cm3，细度模数为2.43，级配满足中砂级配要求；粗骨料采用连续级配碎石，其粒径范围为5～25 mm；橡胶集料采用成都市四通橡塑有限公司生产的粒径为60目(0.25 mm)、40目(0.38 mm)、20目(0.83 mm)、1～3 mm和3～6 mm橡胶粉，橡胶集料表观密度如表1所示，尺寸如图1所示。各骨料的级配曲线如图2所示。

表1 橡胶集料表观密度Table 1 Apparent density of rubber aggregate /(g/cm3)

图1 橡胶集料尺寸Fig.1 Particle sizes of rubber aggregate

图2 砂和橡胶集料的级配曲线Fig.2 Grading curves of sand and rubber aggregate

1.2 试验方法

试验按照JGJ 5—2011《普通混凝土配合比设计规程》[20]设计，以水灰比为0.53的普通混凝土配合比为基准，砂率45%。分别采用5种单一粒径橡胶集料和1种混合粒径橡胶集料，分别以0%、20%、40%、60%和80%的体积替换率替换细骨料制备橡胶集料混凝土试块。试验中具体的配合比如表2所示。

表2 橡胶集料混凝土配合比Table 2 Mix proportions of CRC

按照配合比设计制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，本试验共制作25组试件，每组3个，一共75个试件。试件成型1 d后拆模并对试块进行标准养护。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[21]进行28 d抗压强度测试。

2 结果与讨论

试验得到的不同粒径橡胶集料混凝土28 d抗压强度数据如表3所示。不同粒径橡胶集料混凝土28 d抗压强度如图3所示，从图中可以看出，采用不同粒径橡胶时，橡胶集料混凝土的强度随着橡胶集料体积替换率的增加，均表现出明显的降低趋势，这与其他学者的试验结果相同。对不同粒径橡胶集料混凝土的抗压强度进行标准化，绘制出橡胶集料混凝土强度折减系数随橡胶集料体积替换率的变化情况，如图4所示。可以发现，采用3～6 mm橡胶粒径的橡胶集料混凝土，体积替换率从20%增加到80%，强度折减系数从0.69降低到0.29。采用粒径为60目的橡胶集料混凝土，体积替换率从20%增加到80%，强度折减系数从0.51降低到0.09。随橡胶集料体积替换率的增加，粒径较大的橡胶集料混凝土抗压强度折减系数降低。采用混合粒径的橡胶集料混凝土，体积替换率从20%增加到80%，强度折减系数从0.58降低到0.17，强度折减系数介于不同单一粒径橡胶集料混凝土之间。

图4 混凝土抗压强度折减系数随体积替换率的变化Fig.4 Relationship between compressive strength reduction factor and volume replacement ratio

表3 橡胶集料混凝土28 d抗压强度Table 3 28 d compressive strength of CRC /MPa

续表

图3 不同橡胶粒径时橡胶集料混凝土28 d抗压强度Fig.3 28 d compressive strength of CRC with different rubber particle sizes

橡胶集料混凝土强度折减系数随橡胶集料粒径的变化情况如图5所示，可以发现在相同的体积替换率下，橡胶集料混凝土强度折减系数随橡胶集料粒径的增大而增加，但与其他单一粒径橡胶集料混凝土相比，采用1～3 mm粒径橡胶集料混凝土的强度折减系数在不同体积替换率下，上升趋势均出现一定程度下降。产生这种现象的原因可能是在混凝土制样过程中对掺入1～3 mm橡胶颗粒的橡胶集料混凝土搅拌不均匀造成橡胶聚集在某些区间。虽然Su等[16]和Aslani[18]认为，细橡胶集料能更好地填充孔隙，减小端部应力集中，相同体积替换率时小粒径比大粒径橡胶集料混凝土强度降低更少。然而在相同的体积替换率时，细橡胶集料增加了表面积，增大了橡胶集料混凝土的薄弱环节，给混凝土破坏提供了更多的路径，并且细橡胶集料引入更多的空气，如图6所示，增大了混凝土的孔隙率，降低了混凝土密度。因此相同体积替换率时，采用小粒径橡胶集料比大粒径橡胶集料混凝土强度降低更多。

图5 混凝土抗压强度折减系数随橡胶集料粒径的变化Fig.5 Relationship between compressive strength reduction factor and particle sizes of rubber aggregate

图6 橡胶集料引入的空气Fig.6 Trapped air bubbles at rubber aggregate

3 考虑橡胶粒径的强度折减公式

要将橡胶集料混凝土用于工程实践，必须建立橡胶集料混凝土强度计算公式。定义橡胶集料混凝土强度折减系数SRF(r)如下：

SRF(r)=fcu/fcu,k

(1)

式中：r为橡胶集料取代细骨料砂的体积替换率，0%≤r≤100%；fcu为橡胶集料体积替换率为r的橡胶集料混凝土立方体抗压强度；fcu,k为普通混凝土立方体抗压强度。

龙广成等[13]提出的混凝土抗压强度折减系数(以不掺橡胶集料混凝土抗压强度值为基准)与橡胶集料体积替换率之间的关系：

SRFLong(r)=-1.261 3r+1

(2)

Bompa等[14]建立了橡胶集料混凝土抗压强度折减系数与橡胶集料体积替换率的分数关系：

(3)

根据公式(2)和公式(3)计算得到橡胶集料混凝土抗压强度折减系数与本试验结果对比，如图7所示。龙广成模型和Bompa模型计算结果与试验结果误差的相关系数R2分别为0.933和0.958。采用线性拟合的龙广成模型结果误差明显，而采用分数关系拟合的Bompa模型计算得到的橡胶集料混凝土强度折减系数与混合粒径试验结果吻合度较好，但大粒径(3～6 mm)的橡胶集料混凝土计算结果相对偏低，60目和40目粒径的橡胶集料混凝土计算结果相对偏高。

图7 橡胶集料混凝土强度折减系数随体积替换率的变化Fig.7 Relationship between strength reduction factor of CRC and volume replacement ratio

在Bompa模型的基础上，引入考虑橡胶粒径尺寸的影响参数s，s的取值为等体积替换的橡胶集料粒径的均值，拟合得到考虑橡胶粒径影响的橡胶集料混凝土抗压强度折减系数计算公式：

(4)

将得到的拟合公式与试验结果进行对比，如图8所示，误差的相关系数R2=0.990，计算结果与试验结果吻合较好。因此可以采用考虑橡胶粒径影响的橡胶集料混凝土抗压强度折减系数公式(4)计算目标橡胶集料等体积替换率和橡胶粒径下的橡胶集料混凝土抗压强度折减系数。

图8 不同粒径橡胶替换时橡胶集料混凝土抗压强度的折减系数Fig.8 Compressive strength reduction factor as function of CRC when replacing rubber with different particle sizes

4 结 论

本文研究了不同粒径橡胶集料等体积替换细骨料时对橡胶集料混凝土抗压强度的影响。试验结果表明橡胶集料体积替换率和橡胶集料粒径对橡胶集料混凝土的抗压强度有明显影响。橡胶集料粒径越大，混凝土强度降低程度越小。采用线性拟合的龙广成模型计算得到的橡胶集料混凝土抗压强度折减系数与试验结果误差明显，而采用分数关系拟合的Bompa模型计算得到的橡胶集料混凝土强度折减系数与混合粒径试验结果吻合度较好，但对大粒径和小粒径的橡胶集料混凝土存在一定误差，因此在计算橡胶集料混凝土抗压强度折减系数时，不仅需要考虑橡胶集料的体积替换率，还需要考虑橡胶粒径大小的影响。基于此，在Bompa模型的基础上，引入考虑橡胶粒径尺寸的影响参数(等体积替换橡胶集料粒径的均值s)，拟合得到橡胶集料混凝土抗压强度折减系数计算公式，计算得到的结果与试验结果吻合较好，相关系数R2=0.990。