橡胶粒径和掺量对再生混凝土性能的影响*

屠艳平，程子扬，程书凯，陈国夫

(武汉工程大学 土木工程与建筑学院，武汉 430073)

0 引 言

混凝土砂石等原材料基本依赖于天然开采，导致我国一些地区的砂石资源岌岌可危。如果能够利用废旧建筑拆除后的废弃混凝土块制备出再生粗骨料(RCA)，替代天然粗骨料(NCA)，利用废旧轮胎破碎的橡胶颗粒(RP)替代天然细骨料(NFA)，不仅可以解决建筑垃圾和废弃轮胎的资源再利用[1-3]，还能在一定程度上节约天然砂石资源，推动绿色建筑行业的可持续发展。

RCA表面附着大量的老旧砂浆，破碎过程导致骨料损伤，使得RCA相较于NCA具有较高的吸水率、压碎值和孔隙率，制备的再生混凝土(RC)的性能降低[4-7]。RP属于一种有机材料[8]，掺入混凝土不与水泥反应，只起到物理填充的作用，RP强度低、具有引气性以及与砂浆的粘结性差等缺点，RP掺入后导致混凝土的强度降低[9-10]。但也有研究发现，RP的掺入可以提高混凝土的流动性和延性[11-12]。

本文通过掺入不同粒径和掺量的RC进行含气量、坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、毛细吸水和抗氯离子渗透测试，分析RP粒径和掺量对于RC性能以及微观结构的影响，为今后的橡胶再生混凝土(RRC)发展和应用提供参考。

1 实 验

1.1 试剂与材料

水泥采用华新牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；NFA采用湖北产的天然河砂，细度模数2.6，属于Ⅱ区中砂。NCA和 RCA来自武汉惠迪绿色材料有限公司，性能指标见表1；RP购买于河南省承蒙橡胶加工厂，粒径分别为0.178、0.42、0.84和1～3 mm，如图1；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率为20%。

图1 不同粒径的橡胶颗粒

表1 骨料的性能指标

1.2 配合比设计

采用基准组混凝土的设计强度为C30，水胶比采用0.45，记为NC。RCA以等质量取代NCA，取代率为60%，RP以等质量取代NFA，取代率为0、1%、3%、5%，共配置14组配合比试验。RC代表再生混凝土,橡胶再生混凝土标号为RRC-m-n,m代表橡胶颗粒的粒径(A为0.178 mm、B为0.42 mm、C为0.84 mm、D为1～3 mm)，n代表RP的取代率，混凝土的配合比详细见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方法

为了确保RCA不会出现附加水吸收不充分，导致混凝土拌合物有效水灰比升高的情况，本文采取改进的搅拌工艺，搅拌步骤如下：(1)将RCA和附加水搅拌5 min；(2)NCA、RP、NCA、水泥放入搅拌机搅拌1 min；(3)水和减水剂倒入搅拌机中搅拌5 min。最后将拌合物倒出，参照规范GB/T 50080—2002中对混凝土含气量和坍落度的方法进行测量，测试完毕后，装入尺寸100 mm × 100 mm × 100 mm的试模，在放置24 h后拆模编号，转移到标准养护室((20±2)℃, RH95%)，养护28 d时，根据规范GB/T 50081—2019进行混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度测试。并采用SEM对28 d的混凝土的微观结构进行分析，抗氯离子渗透测试按照GB/T 50082—2009测试方法之一的6 h电通量法来测定，试件的尺寸为100 mm × 100 mm × 50 mm圆柱试块，同时依据规范ASTM C1202对于不同电通量的混凝土的抗氯离子渗透能力给出了评估。混凝土的毛细吸水率根据规范ASTM C1585-13中的测试方法进行测试，试件尺寸100 mm×100 mm×50 mm的试块。

2 结果与分析

2.1 含气量

图2为不同RP粒径和掺量下混凝土的含气量。可以看出，掺入RCA后RC的含气量明显增加，这是由于RCA表面附着的老旧砂浆中含有大量的孔隙，吸水率大，在搅拌的过程中能够引入更多气泡。同时，也可以发现，随着掺入RP后，RC的含气量增大，随着RP粒径的减小、掺量的增加，RC的含气量不断增大，当橡胶掺量为5%，RP粒径为0.178、0.42、0.84 和1～3 mm时，相较于RC的含气量分别增加了67.6%、51.1%、36.9%和27.3%。这是由于RP颗粒具有引气性，与无机材料砂浆混合时，表面容易吸附气泡，随着RP粒径的减小，RP的比表面积就越大，引气性也越强[13]，混凝土的含气量也就越大。

图2 各组混凝土的含气量

2.2 坍落度

从图3可以明显的看出，掺入RCA后，混凝土的坍落度降低，这是由于RCA相较于NCA表面附着了大部分的老旧砂浆，使得RCA表明棱角增多，增大了混凝土拌合物之间的摩擦阻力。同时，可以看出，掺入RP粒径为0.84、1～3 mm时，随着RP的掺入，RC的坍落度逐渐提升，掺量5%时，相较于未掺入RP的RC提高了18.6%、27.8%；当掺入RP的粒径为0.178、0.42 mm时，随着RP的掺入，RC的坍落度逐渐降低，掺量5%时，相较于未掺入RP的RC降低了23.8%、19.6%。这是由于RP本身在具有吸水性和引气性，吸水性降低坍落度，引气性增加坍落度[14]。当RP的粒径较大时，掺入后RP在搅拌的过程中引气性的作用稍强于吸水性，混凝土拌合物内部滚珠作用增加，减少混凝拌合物之间的摩擦力，使得RC的坍落度增加。当RP的粒径过小，其比表面积较大，吸水性的作用大于引气性，致使拌合物中的自由水减少，导致RC的坍落度降低。

图3 各组混凝土的坍落度

2.3 抗压强度和劈裂抗拉强度

各组混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度见图4。从图4可知看出，掺入RCA后，RC的28 d的抗压强度和劈裂抗拉强度相较NC降低了13.7%、8.9%。这是由于RCA表面存在着大量的老旧砂浆，致使与新砂浆之间的粘接能力变差，老砂浆和RCA之间的粘接也是一个薄弱界面，同时，RCA相较于NCA经过了二次破碎，内部的裂缝积累增加，导致在受压过程中，新砂浆-老砂浆、老砂浆-再生粗骨料和RCA本身成为混凝土破坏的薄弱点[15]。

由图4可知，当RP掺量不变时，随着RP粒径的增加，RC的抗压强度和劈裂抗拉强度降低幅度逐渐减小，例如，当RP粒径为1～3 mm，掺量为5%时，抗压强度和劈裂抗拉强度相较RC分别降低11.1%、2.62%。这是由于RP的粒径越小，其比表面积就越大，与砂浆之间的界面薄弱区就增多，导致RC的抗压强度降低。同时，RP的粒径越小，引气性就越强，导致RC拌合物内部的含气量增加，RC硬化后孔隙增加，进一步降低RC抗压强度和劈裂抗拉强度;当RP的粒径不变的时候，随着RP掺量的增加，RC的强度逐渐降低，例如，当RP为0.178 mm，掺量为5%时，抗压强度和劈裂抗拉强度相较RC分别降低了26.7%、8.24%。这是由于RP属于有机材料，和水泥基体的相容性较差，两者界面处的粘结能力很差，掺量增多，不仅会造成界面过渡区(ITZ)薄弱点增多，还会使混凝土拌合物中引入较多气泡，增加混凝土内部孔隙，降低RC的抗压强度和劈裂抗拉强度[16]。

图4 各组混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度

2.4 拉压比

不同粒径和掺量的橡胶再生混凝土28 d的拉压比见图5。由图5可知，随着RP掺量增加，RRC的拉压比逐渐增大，例如，当RP的粒径为1～3 mm，掺量为5%时，相较未掺入RP的RC拉压比增加了9.55%。同时，随着RP的粒径逐渐减小，RRC的拉压比逐渐增加，例如，当RP的粒径为0.178 mm，掺量为5%时，相较未掺入RP的RC拉压比增加了25.2%。表明RP的掺入降低了RC的脆性，提高了RC的塑性变形能力，这是由于RP自身具有一定的弹性，可以吸收RC受力变形时产生的部分能量，减缓RC内部裂缝产生和发展，提高RC的延性。同时，当RP的粒径较小时，相较粒径较大的情况，可以更好的分散到RC的内部，导致RC破坏的断面起伏不平，多以沿着骨料与水泥砂浆、RP与水泥砂浆之间的界面断裂，出现一种类似于“多点破坏”的现象[17]。

图5 不同粒径和掺量的橡胶再生混凝土28 d的拉压比

2.5 电通量

不同RP粒径和掺量的混凝土28 d的氯离子6 h的电通量的测试结果如图6所示。由图6可知，根据6 h的电通量的数值，可以得出此批混凝土的抗氯离子渗透能力基本都为中等。当掺入RCA后，RC的6 h的电通量相较于NC增加了45%，抗氯离子渗透的能力明显降低，这是由于RCA表面附着有大量的老旧砂浆以及RC内部错综复杂的ITZ导致其抗氯离子渗透性能显著的降低[18-19]。

图6 28 d混凝土的电通量

当RP的粒径不变时，随着RP的掺量增加，RC的6 h的电通量是不断增加的，当RP的掺量为5%时，RP粒径为0.178、0.42、0.84和1～3 mm，相较于RC的6 h的电通量分别增加了30.1%、25.1%、19.3%和13.9%。同时，也可以看出当RP掺量相同时，随着RP的粒径的不断增大，RC的6 h的电通量是逐渐降低的。这是由于RP的掺入，由于其本身和砂浆之间的粘结较差，同时RP自身的引气性导致RC内部产生了大量的气孔，进一步降低RC的抗氯离子渗透性能，但随着RP的粒径增加，RP本身的引气性逐渐降低，也就减少了RC内部的气孔。

2.6 毛细吸水性能

不同RP粒径和掺量的混凝土28 d的毛细吸水性能的测试结果如图7所示。掺入RCA后，初始吸水率和二次吸水率相较于NC分别增加了38.6%、57.1%。这是由于RCA表面附着的老旧砂浆和老界面过渡区的产生，导致RC内部出现更多薄弱的界面过渡区，更容易形成连通的孔隙，从而导致RC的毛细吸水率增大[20]。

从图7可以看出，当RP的粒径不变时，随着RP掺量的增加，RC的初始吸水率和二次吸水率逐渐增加。当RP的掺量为5%时，RP粒径为0.178、0.42、0.84和1～3 mm时，相较于RC的初始吸水率分别增加了49.9%、43.9%、28.3%和18.1%，二次吸水率分别增加了65.3%、60.8%、41.5%和32.9%。同时，可以看出当RP掺量不变时，随着RP的粒径不断增大，RC的初始吸水率和二次吸水率逐渐降低。这主要是由于RP本身具有引气性，且与砂浆之间的粘结较差，致使RC内部孔隙增加，导致RC的吸水量增大，但随着RP粒径的增加，RP本身的引气性减弱的同时，自身和水泥砂浆的粘结增强，减少了RC的内部孔隙。

图7 28 d混凝土的毛细吸水率

2.7 微观结构分析

从图8看出，RC相较于NC的ITZ，RCA和新砂浆之间存在着明显的裂缝，ITZ存在着大量的孔洞和裂缝，老砂浆和RCA之间存在微裂缝，各种水化产物分布不均匀，砂浆表面零星的存在着一些大小不一的未水化的水泥熟料，Ca(OH)2(CH)堆叠和C-S-H凝胶形成连续相，但存在孔洞、裂缝，整体结构的密实度较差，这些缺点也是影响RC抗压强度降低的主要因素之一。

图8 28 d混凝土的微观结构

从图8可以明显的看出，当RP的粒径为0.178、0.42 mm时，RP和砂浆几乎处于脱离状态，和砂浆的粘结极差，并且由于RP的掺入，引入了大量的气泡，导致RP周围的砂浆存在着大量的裂缝和孔洞，水化产物的分布较为分散，CH和C-S-H凝胶都是四散分布，C-S-H凝胶之间的搭接较差，没有类似于NC中完整的C-S-H凝胶的连续相。这可能是造成RP掺入后RC强度降低幅度较大的主要原因，也印证了RP的粒径较小时，RP具有黏弹性几乎不受力，在RC内部类似一个孔洞，受力时容易在RP处产生应力集中。当RP的粒径为0.84、1～3 mm时，RP被砂浆内外包裹着，虽然砂浆和RP之间还存在裂缝，但是相较于0.178、0.42 mm的RP完全和砂浆处于脱离的状态，RP的粒径增大后，与砂浆之间的粘结得到了改善，同时也可以明显的观察到，RP周围的水泥砂浆也存在着孔洞和裂缝，并且水化产物较为分散，但相较于粒径较小的情况，微观结构得到了改善。

3 结 论

(1)RP的掺入后，RC的含气量增加，RP粒径为0.178 mm时，掺量为5%时，RC内部的含气量最大。

(2)RP掺入后，RC的坍落度随着粒径的增加，先减小后增大，当RP粒径为1～3 mm时，掺量为5%时，RC的坍落度最大。

(3)RP掺入后会降低RC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗氯离子渗透性能和毛细吸水性能，提高RC的延性，对于RC的抗压强度发展影响不大。综合含气量、坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗氯离子渗透性能、毛细吸水性能和拉压比的测试结果，当RP粒径为1～3 mm，掺量为3%时，RC的各项性能相对较优，既能更多的利用RP取代天然河砂，又能保证性能满足一般的工程应用要求。

(4)通过SEM的微观结构的扫描图像可知，RP和水泥砂浆之间的粘结较差，ITZ存在明显裂缝和孔洞，整体结构密实度较差，是RC内部薄弱区域之一。