大掺量废旧轮胎橡胶粉对混凝土性能的影响

2022-08-26李龙梓宋秋磊李酉成田寅陈晶晶

江苏建材 2022年4期

李龙梓，宋秋磊，李酉成，田寅，陈晶晶

（1.苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏苏州 215004；2.江苏省高耐久混凝土工程技术研究中心，江苏苏州 215004）

0 引言

随着国内汽车行业的高速发展，大量的废旧汽车报废，伴随而生了大量的废旧轮胎。由于废旧轮胎是一种难以自然降解的材料，长期堆放会造成环境污染[1]，因此废旧轮胎也被认为是一种“黑色污染”[2]。目前，废弃轮胎的综合利用措施主要包括轮胎翻新、热能利用、热分解、生产再生胶和橡胶粉等方式，但未能真正解决废旧轮胎回收利用的问题[3]。

废弃轮胎加工而成的橡胶粉是一种高弹性材料，在受到外界冲击和荷载作用下，其具有较强的能量吸收作用，能减缓混凝土在外力下的破坏。文章通过对橡胶粉混凝土的基本力学性能、耐磨性能、静弹性模量和抗冻性等性能的影响研究,并对其影响机理进行了阐述分析。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：采用江南小野田水泥厂生产的P·O 52.5级水泥。

细骨料：中砂，细度模数为2.6，表观密度为2 600 kg/m3。

粗骨料：粒径为5～10 mm和10～20 mm的碎石，两种粒径范围碎石质量比例为1∶1。

橡胶粉：产自苏州虹磊橡塑科技有限公司，粒径为0.85 mm，表观密度为1 030 kg/m3。

外加剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，型号为PCA-1，固含量20%。

水：普通自来水。

1.2 配合比

首先，为了研究橡胶粉对混凝土的性能影响，制备了不同橡胶粉掺量替代细骨料的混凝土，如表1中编号A-1、A-2、A-3和A-4所示。其次，为了进一步评价橡胶粉对混凝土的抗冻性影响，制备了相同橡胶粉掺量不同强度等级的混凝土以及不同掺量橡胶粉相同强度等级的混凝土，如表1中编号B-1、B-2、B-3、B-4，以及C-1、C-2、C-3所示。

表1 试验配合比

1.3 试验方法

混凝土力学性能和静弹性模量测试：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土基本力学性能试验方法标准》。混凝土耐磨性测试：按照JC/T 421—2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》。混凝土抗冻性测试：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和

耐久性能试验方法标准》。

2 试验结果及其分析

2.1 橡胶粉对混凝土力学性能影响

当采用橡胶粉代替细骨料制备混凝土时，保证混凝土中的细骨料总体积不变。通过编号A-1、A-2、A-3和A-4配合比制备了不同橡胶粉掺量的混凝土，其容重分别为：2.38 kg/m3、2.35kg/m3、2.27 kg/m3和2.22 kg/m3。此外，不同橡胶粉掺量所制备混凝土的抗压强度和抗折强度测试结果如图1所示。

图1 不同橡胶粉掺量混凝土的抗压强度和抗折强度

由图1可得，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶混凝土的抗压强度和抗折强度呈下降趋势。当橡胶粉的掺量达到10%和15%时，抗压强度分别降低了13%和28%，抗折强度分别降低了9.6%和22%。由此可加，橡胶粉的掺入严重降低了混凝土的力学性能。橡胶粉取代细骨料起到填充的作用，其本身并不参与水化过程。此外，橡胶粉是一种增水性材料，其与水泥水化产物之间的粘接较差，制备橡胶粉混凝土相当于在混凝土内部引入了薄弱区，从而造成混凝土的力学性能降低。

2.2 橡胶粉对混凝土耐磨性能影响

通过编号A-1、A-2、A-3和A-4配合比制备了不同橡胶粉掺量的混凝土，并对其耐磨性能进行了研究，测试结果如图2所示。从图2可知，随着橡胶粉掺量增加，混凝土的磨损量会出现先减小后增加的趋势。当橡胶粉掺量为0时，混凝土的磨损量为1.12 kg/m2；当橡胶粉掺量为5%时，混凝土的磨损质量为0.69 kg/m2，相对磨损量降低了38%；而当橡胶粉掺量为10%和15%时，混凝土的磨损量分别为1.15 kg/m2和1.43 kg/m2，且磨损量均要大于无橡胶粉混凝土。橡胶的弹性模量大约为7.8 MPa，而岩石的弹性模量为40 000～90 000 MPa，二者差别较大。在摩擦的过程中，橡胶可以通过自身变形分散应力作用，缓解应力集中的破坏作用，可以改善橡胶混凝土的耐磨性能。但是，橡胶粉的引入，会造成混凝土的力学性能下降，从而降低其耐磨性。因此，在这综合影响效果下，这也就造成了混凝土的磨损质量随着橡胶粉掺量的增加而出现先降低后增加的现象。

图2 为不同掺量橡胶混凝土的磨损质量

2.3 橡胶粉对混凝土静弹性模量影响

图3为编号A-1、A-2、A-3和A-4配合比所制备的不同橡胶粉掺量混凝土的静弹性模量测试结果。

图3 不同掺量橡胶混凝土静弹性模量

从图3可知，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶混凝土的静弹性模量会逐渐降低。当橡胶粉掺量分别为5%、10%和15%时，橡胶混凝土的静弹性模量分别降低了5.4%、8.2%和9.6%。静弹性模量是表征材料的弹性能力大小的指标，静弹性模量越大，材料的弹性能力越差。普通混凝土中的砂子、石子和水泥石均是脆性材料，弹性模量较大。相比于细骨料而言，橡胶粉是一种高弹性体材料，有较大的变形能力。在混凝土中加入橡胶粉颗粒，相当于加入了大量的弹性球体，在外应力作用过程中橡胶混凝土会存在一个应变的过程，从而使橡胶混凝土的弹性模量迅速降低。

2.4 橡胶粉对混凝土抗冻性影响

混凝土抗冻融循环能力是评价混凝土抗冻性的重要指标。混凝土在冻融循环下的破坏形式主要有两种：表面剥落和内部开裂。其中，混凝土的表面剥落，主要体现在混凝土的质量损失。而混凝土的内部开裂，主要体现在混凝土的动弹模量变化。

表2为相同橡胶粉掺量不同强度等级混凝土和不同掺量相同强度等级混凝土在不同冻融循环次数下的质量损失率。

表2 橡胶混凝土抗冻质量损失率

图4和5分别为不同橡胶粉掺量相同强度等级混凝土和相同橡胶粉掺量不同强度等级混凝土在不同冻融循环次数下的弹性模量损失率。

图4 相同掺量不同强度的弹性模量损失率

图5 不同掺量相同强度的弹性模量损失率

由表2可知：①随着冻融循环次数逐渐增大，橡胶混凝土的质量损失率会逐渐增大；②在相同橡胶粉掺量情况下，随着强度等级提高橡胶混凝土的质量损失量逐渐降低；③在相同强度等级的情况下，橡胶粉掺量不同，橡胶混凝土的质量损失率差异也是很大的。尤其是在同等冻融循环次数下，C2组别的C40混凝土的质量损失率最小。

从图4中可以看到，随着混凝土强度逐渐增大，橡胶混凝土的弹性模量损失幅度逐渐降低。在冻融循环的过程中，混凝土内部的毛细孔壁会由于收到自由水状态变化带来的压力，直至孔结构的破坏，从而引起混凝土质量以及弹性模量的损失。一般来说，混凝土内部的自由水含量越高，其冻融破坏越严重。并且，随着冻融循环次数增加，混凝土表面的质量损失也会加大外加水进入混凝土内部的通道，会加速混凝土的冻融破坏。

此外，从图4可知，随着橡胶混凝土的冻融循环次数逐渐增加，混凝土的弹性模量逐渐降低，但不同掺量橡胶混凝土的弹性模量损失幅度是不同的。其中，橡胶粉掺量为10%的混凝土的弹性模量损失幅度最小，而当橡胶粉掺量大于10%时，橡胶混凝土的弹性模量降低幅度逐渐增大。这主要是由于一方面橡胶粉的材质造成其可以有效提高混凝土抵抗变形的能力，但是另一方面橡胶粉的加入亦会在混凝土内部形成薄弱区，造成内部容易产生破坏。综合作用下，这也就造成了10%橡胶粉掺量的C2组别混凝土，虽然其水灰比相对较大，但其弹性模量损失率与质量损失率是最低的。