偏高岭土对橡胶混凝土抗压性能影响的试验研究与分析

张启航 郝浩杰

摘 要：采用0～19%的橡胶粉等体积替代细骨料制备橡胶混凝土，采用0～19%掺量的偏高岭土等质量替代混凝土中的水泥，制备掺偏高岭土橡胶混凝土。测试混凝土28d单轴抗压强度，采用扫描电镜分析混凝土微观形貌。结果表明：掺入0～19%的橡胶粉使混凝土抗压强度发生一定程度的下降，掺量越高，强度下降越显著;掺入偏高岭土可提升橡胶混凝土的抗压强度，改善混凝土微观结构，偏高岭土的最佳掺量为13%左右。

关键词：偏高岭土;橡胶混凝土;单轴抗压强度;微观结构

中图分类号：TU528.41  文献标识码：A  文章編号：1673-260X（2020）09-0082-04

随着交通运输行业的发展，我国轮胎年产量高达6亿多条，橡胶年消耗量500万吨左右，预计到2020年我国废旧轮胎将达到2000万吨[1，2]。我国是一个橡胶资源匮乏的国家，废旧橡胶的再生利用对于节约资源、保护环境具有重要意义。

目前，许多学者开展了将橡胶粉作为混凝土细骨料的研究。大量研究表明，混凝土中掺入橡胶可以改善其韧性，提高抗裂性能等，如闻洋和刘培培[3]的研究表明，将橡胶粉掺入混凝土可以有效提高混凝土的抗冲击性能，降低其脆性。李赞成等[4]从折压比和韧性的评价指标得出，制备橡胶混凝土的最佳粒径为40目，掺量应当大于10L/m3。然而，橡胶的掺入也会带来一些不良影响，如杨若冲等[5]研究发现，随橡胶粉掺量的增加，橡胶混凝土的密度、抗折、劈裂强度逐渐降低;Ayman Abdelmonem等[6]发现当混凝土中的橡胶以30%比例取代细骨料时，混凝土抗冲击性能提高了83%，但其抗拉、抗压、抗折性能都下降近50%。因此，研究如何在保证橡胶混凝土良好韧性的同时，改善其抗压、抗拉等力学性能，具有重要意义。

方勇浩等[7]发现偏高岭土（metakaolin，简称MK）作为一种非常有效的火山灰材料，将其加入混凝土中，火山灰反应会填充内部孔隙，使水泥石中孔细化，并且会消耗大量Ca（OH）2，改善水泥浆体和集料界面，从而提高混凝土强度，抑制碱集料反应;刘红彬等[8]发现MK的掺入能提升混凝土的抗压、劈裂和弯折强度，当掺量在15%时各强度提升效果最佳;董伟等[9]研究表明MK对浮石轻骨料混凝土的抗压强度有很大提高，尤其对早期强度贡献比较大，当MK以10%质量替代水泥时性能最优;钱晓倩等[10]发现掺10～15%MK的高性能混凝土的轴拉强度有较为明显的提高;Nikhil Saboo等[11]发现MK可以显著降低混凝土孔隙率，且2%的MK可使孔隙率降低10%。将MK按一定比例替代混凝土中的水泥也是另一种优化混凝土性能的好方法，水泥用量减少可以有效降低水泥生产过程中二氧化碳排放量，提升材料性能的同时能够产生良好的经济和环境效益[12，13]。

以上研究分别体现了橡胶粉与MK在混凝土中的应用价值，但目前罕有人研究在混凝土中同时掺入MK与橡胶粉后的力学强度变化。所以决定通过研究MK对橡胶混凝土抗压性能和微观结构的影响，探索同时发挥橡胶粉和MK对混凝土性能改善作用的技术途径，为相关领域研究提供一定的参考。

1 试验规划

1.1 试验原料

本试验选用淮南八公山水泥厂产的P·O 42.5水泥，其物理参数和化学成分含量见表1;粗骨料选用5～20mm连续级配的普通碎石子，表观密度为2650kg/m3;细骨料选用淮河中砂，细度模数2.5，表观密度为2550kg/m3;水选用淮南市自来水;掺合料为焦作市煜坤矿业有限公司产的1250目活性指数≥110%的MK，其成分详见表2;都江堰市华益橡胶有限公司生产的40目橡胶粉，表观密度为1030kg/m3。

1.2 配合比设计

在参考文献[1-3]中，本试验的橡胶混凝土设计强度等级为C40，采用的水胶比为0.42，砂率为33%。将橡胶粉以0、10%、13%、16%、19%等体积替代砂子制备橡胶混凝土，对每组橡胶混凝土，分别采用MK以0、10%、13%、16%、19%等质量替代水泥，制备掺MK的橡胶混凝土，所有配比完全正交，共制备25组混凝土。列举其中5组混凝土的配合比，见下表3，其余组均按此规律制作。

1.3 实验方法

先将碎石子和河砂放入搅拌机中干拌90s，然后将水泥和MK分别倒入搅拌机干拌60s，再把橡胶粉均匀倒入搅拌机中干拌60s，倒入水搅拌120s，将新拌混凝土装进边长为100mm的三联立方体塑料模具中，置于振动台上振动20～30s，最后抹平试块上表面。制作完成后在模具上表面覆盖一层保鲜膜，防止试块水分蒸发，放于标准养护室24h后脱模，再将试块放入室温下的饱和Ca（OH）2溶液中水浴养护28d，取出用于抗压强度试验。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定，抗压试验每组制作三个边长为100mm的正方体试块，试验机的加载速度为每秒钟0.5～0.8MPa。强度试验后，挑选R10M0、R10M13试块碎片放入乙醇中浸泡24h，再置于50℃烘箱中烘烤48h取出，将样品抽真空，然后在样品表面喷金属膜用以扫描电镜测试，电镜型号为FEI  Versa3D。

2 实验结果

抗压强度试验时试件的破坏形态见图1。可以看到对于不掺橡胶粉的混凝土，裂缝数目较多且多为贯穿状;掺加橡胶粉的混凝土试件破坏时裂缝少且没有贯通整个截面，考虑为橡胶粉使混凝土基质具备更好的韧性，在一定程度上阻碍受压构件的裂缝发展。以R0M0混凝土47.5MPa的抗压强度为基准，所有单掺MK的混凝土抗压强度较之有显著提升。在复掺MK和橡胶粉的混凝土中，R10M10、R10M13、R10M16、R10M19、R13M13、R13M16的抗压强度也都高于47.5MPa。具体数值变化见下图2。

图2（a）中，当MK的质量替代率保持不变时，混凝土的28d抗压强度随橡胶粉替代率的提升而逐渐降低，MK掺量为0时，在0～10%区间，抗压强度下降5.1MPa，较R0M0抗压强度下降10.7%。在10%～19%时，抗压强度下降11.5MPa，较R0M0抗压强度下降34.9%，下降趋势为先慢后快，在不掺加MK时，若橡胶粉掺量≥13%，混凝土的抗压强度不能达到C40强度等级要求;MK掺量为10%、13%、16%、19%时，抗压强度在0～10%分别下降13.5%、15.9%、16.8%、17.6%，在10%～19%又分别下降23.1%、16.9%、15.0%、17.3%。随着MK掺量增加，特别当MK掺量≥13%时能明显减缓橡胶混凝土因为橡胶粉体积分数的上升导致的抗压强度骤降，对橡胶混凝土起到一定的保护作用。

图2（b）中，当橡胶粉的体积替代率保持不变时，随MK掺量的上升，各组橡胶混凝土的28d抗压强度呈现先升高后降低的趋势，且最高点都在区段10%～16%，当橡胶粉掺量为0、10%、13%、16%、19%时，随着MK掺量的增加，试块的最高抗压强度与MK掺量为0时的试块强度相比分别提高了32.4%、24.8%、30.4%、33.0%、36.9%。由此可见，MK的使用对于橡胶混凝土的抗压强度具有显著的提升作用，在配置C40强度等级的橡胶混凝土时，当采用适当掺量的MK作为掺合料，橡胶粉的替代率可达到19%。

3 作用机理分析

橡胶粉作为一种憎水性有机材料，难以与作为无机材料的水泥和石子产生强烈的相互作用[15]，与混凝土基质的粘结程度远小于砂子与混凝土基质的粘结程度;其次橡胶粉强度远远小于混凝土，导致掺有橡胶粉的混凝土在受力变形过程中，软弱点增多，实际承载面积缩小[16]。所以当橡胶粉掺入混凝土后，抗压强度出现下降的趋势。

MK的掺入之所以能提高混凝土的抗压强度，其一是因为它的颗粒小，掺入混凝土中能充分发挥填充效果，起到粉体颗粒密实堆积作用，填充混凝土内部孔隙，增加混凝土结构密实性;其二是因为MK具有超高火山灰活性，当它处于碱性环境时，内部会溶出大量的活性SiO2、Al2O3，这些活性物质会与水泥水化析出的Ca（OH）2发生二次水化反应，从而促進水化产物中C-S-H和C-A-S-H凝胶的生成，详见下图3a、b（R10M13试样SEM成像），使水化凝胶的结构更加致密，从而增强混凝土的抗压能力。此外，混凝土中骨料和浆体之间的界面过渡区（ITZ）对混凝土的力学性能有着重要影响，界面过渡区的多孔、大尺寸Ca（OH）2晶体定向生长等特征会对混凝土的抗压强度带来不利影响。对于橡胶混凝土，橡胶粉与水泥浆体之间的结合状态通常比普通细骨料混凝土更差。因此，改善橡胶混凝土力学性能的关键之一就是改善其ITZ的性能。图3（c）所示，掺13%MK的混凝土骨料与浆体界面区微观形貌，可以看出，该混凝土的ITZ内未见大尺寸孔隙或Ca（OH）2晶体定向生长，界面处浆体结构较为密实，与图3（d）中R10M0混凝土的ITZ相比，很明显加入MK能有效改善混凝土的ITZ性能，优化骨料和浆体之间的结合状态，从而提高混凝土的抗压性能。

随着MK掺量逐渐增加，混凝土中水泥质量逐渐减少，水泥水化产生的Ca（OH）2减少，影响了MK火山灰反应的进行，而MK本身并不具备胶凝性能，因此当MK掺量过高时，造成混凝土抗压强度的下降。故MK只有在适当的比例范围内替代水泥才能发挥其促强作用，本试验得出在不掺加额外物质（如激发剂、减水剂等）时，宜选用13%为最优MK掺量。

3 结论

（1）采用橡胶粉取代混凝土中的天然河砂时，混凝土的28d抗压强度下降，且随掺量提高，强度下降更加明显;MK能明显减缓橡胶混凝土因为橡胶粉体积分数的上升导致的抗压强度骤降，在橡胶混凝土中掺入MK，其28d抗压强度都有明显提升，且随MK掺量的增加，促强效果先增强后减弱。（2）MK对橡胶混凝土抗压强度的促进作用与其良好的填充效应、火山灰效应及ITZ改善效果有关。其表现为MK的掺入能减少橡胶混凝土内部孔隙，促进具有正向作用的C-S-H和C-A-S-H凝胶生成，抑制不良Ca（OH）2晶体的定向发展。考虑抗压强度的提升作用，本试验得出MK的最优掺量为13%，其对橡胶混凝土的抗压强度提升效果最大可达36.9%。（3）综合考虑混凝土的抗压强度、MK的制作成本以及橡胶粉的再生利用，在制备C40强度等级的橡胶混凝土时，可考虑采用R19M13的掺配方式。

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