橡胶粉改性桥涵回填用泡沫混凝土关键性能试验研究

熊 俊

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

近年来，我国现代化建设逐步深入，交通运输尤其是交通基建领域迈入跨越式发展阶段。桥梁、涵洞作为交通建设中重要的结构物，在交通基础设施建设中的需求越来越大。传统的土、砂石等建筑材料在应用于桥台背回填时，由于填筑材料性能、施工方法、工程造价低等诸多因素的影响而无法完全达到设计要求[1]。泡沫混凝土是泡沫、水泥、掺合料、外加剂等材料经过充分搅拌而制成的多孔无机材料[2]，其作为一种新型回填材料，已逐渐应用于交通工程建设。但实际施工过程中，往往会由于材料配合比问题出现收缩变形，最终导致结构物开裂等病害，影响工程质量。因此，研发一种高环保效益且具备优良使用性能的桥涵回填用泡沫混凝土刻不容缓。

近年来学者们针对泡沫混凝土的性能提升及应用场景的拓展展开了一系列研究：陈龙龙[3]将黄原胶作为稳泡剂，提高了发泡剂的发泡倍数和稳定性，此类发泡剂通过改善泡沫混凝土的气孔结构，提升了路基填充用泡沫混凝土的性能；王统[4]将泡沫混凝土作为植生基体，通过研发植生型泡沫混凝土，制备屋面绿化种植模块，以“绿化+蓄排水”为主要功能，为泡沫混凝土在海绵城市领域的应用提供了一种新的实现途径；孙超[5]基于南京长江大桥南引桥双曲拱桥维修加固的工程背景，从双曲拱桥拱上填料的基本性能要求出发，通过掺入可再分散性乳胶粉改变泡沫混凝土的孔结构，从而制备符合要求的泡沫混凝土。现有研究主要以不同方式改进泡沫混凝土的性能，但在桥涵回填中仍然尚未解决环保问题。21世纪以来，伴随着汽车领域的蓬勃发展，大量废旧轮胎成为威胁人类社会环境的主要问题之一。国内外学者将废旧轮胎制成的橡胶颗粒，以不同掺量加入混凝土，在改善混凝土性能的同时提升混凝土环境友好性。本文在吸收以往学者利用橡胶改善混凝土性能的基础上，借鉴泡沫混凝土领域研究成果，试图在泡沫混凝土中加入不同掺量的橡胶粉，通过物理性能、力学性能的测试，得到应用于桥涵回填的新型泡沫混凝土，为今后泡沫混凝土的绿色应用提供依据。

1 试验

本文针对广西某公路桥涵回填工程设计需求，将废旧橡胶轮胎通过研磨等工序制成的橡胶粉，加入泡沫混凝土中，制备出橡胶粉改性泡沫混凝土试块。根据《泡沫混凝土》[6]和《桥涵台背回填泡沫混凝土施工技术规程》[7]等技术标准(后文简称“标准”)，在已有基础试验测试达标的基础上，测试湿密度、流动度、抗压强度和抗裂性能，研究最佳橡胶粉掺量下泡沫混凝土性能及机理。

1.1 试验原材料

水泥采用广西某水泥厂生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，各项性能均符合相关技术要求，见表1。由于橡胶粉的制备过程包含研磨、过滤等复杂工序，对仪器、环境等参数控制质量要求较高，为不影响橡胶粉的质量，橡胶粉选用广西某研究院以废旧轮胎制备的橡胶粉，目数为40目，送堆密度为350(g/cm3)。发泡剂采用1∶30倍数的复合型发泡剂。集料等其他原材料均满足泡沫混凝土行业技术要求。

表1 P·O 42.5级水泥主要指标表

1.2 试件制备与测试

根据现场试验结果及参考以往研究经验，水灰比选取为0.5，橡胶粉掺合料增量梯度为3%，按照集料的质量百分比分别掺入0、3%、6%、9%、12%，具体配合比如表2所示。制备试验试件流程为：干料按照比例共混→预搅拌60 s→缓慢倒入水→慢搅180 s→加入预先制备的泡沫→快搅120 s→观察整体气泡均匀→入模→室温(自然状态)24 h→脱模→标准养护(7 d、28 d)。由于已有基础试验经验，故本试验在着重考虑桥涵回填工程特点的基础上，重点开展湿密度、流动度、抗压强度、抗裂性能等直接关系到材料在桥涵工程中应用的关键指标试验。

表2 橡胶粉改性泡沫混凝土配合比表

2 试验结果与分析

2.1 湿密度

泡沫混凝土的湿密度是表征橡胶粉改性泡沫混凝土处于流动状态时，每m3单位体积的质量，其可以很好地指导橡胶粉改性混凝土应用于桥涵回填工程时的工作方案，是控制施工质量的重要参数。测试结果如图1所示。观察图1可知：湿密度随着橡胶粉掺量的增加略有提升，橡胶粉掺量为0～9%时增长幅度较小，湿密度从1 150 kg/m3到1 270 kg/m3，累计增长10.4%，而橡胶粉掺量为9%～12%时增长幅度提升较快，湿密度从1 270 kg/m3增长为1 475 kg/m3，增长幅度达到了16.1%。这是由于本试验采用外掺法掺入橡胶粉，对湿密度会有一定的正影响，但掺量为9%以后随着橡胶粉百分比增大，混凝土填充于孔隙内的橡胶微粉过量，使得吸水量大幅升高，导致湿密度增幅变大。对照相关标准，由于湿密度始终>1 000 kg/m3，可满足各级公路桥涵回填工程。

图1 不同橡胶粉掺量对泡沫混凝土湿密度的影响曲线图

2.2 流动度

新拌和的泡沫混凝土应具备良好的工作性能，因此需检测流动性这一混凝土泵送的关键指标。标准规定适用于桥涵回填工程的泡沫混凝土，其流动度指标在160±20 mm为宜。在不同掺量下测试新拌泡沫混凝土的流动度结果如图2所示。观察图2可知：新拌和的泡沫混凝土，流动度指标随着橡胶粉掺量的增长而逐渐降低；当橡胶粉掺量为0%时，初始流动度为196 mm，而橡胶粉掺量增长到12%时，流动度降低为155 mm，降低了20.0%；橡胶粉掺量在0～9%时，流动度分别为179 mm、168 mm、165 mm，虽然流动度呈降低趋势，但仍然符合标准规定的桥涵回填指标。这表明橡胶粉掺量在9%以内时，改性泡沫混凝土在流动度测试中符合标准。

图2 不同橡胶粉掺量对泡沫混凝土流动度的影响曲线图

2.3 抗压强度

泡沫混凝土的抗压强度是桥涵回填工程设计、施工等工作中的关键力学指标，标准中针对不同应用场合，将泡沫混凝土的强度划分为7个等级。在不同等级中均规定了100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件强度的最小平均值，其中7 d龄期下最低等级的试件抗压强度≥0.3 MPa、最高等级试件抗压强度≥1.5 MPa，28 d龄期下最低等级的试件抗压强度≥0.6 MPa、最高等级试件抗压强度≥3.0 MPa。图3为不同橡胶粉掺量下泡沫混凝土抗压强度测试结果曲线图。经分析可知：随着橡胶粉掺量的增加，改性泡沫混凝土的抗压强度呈现先略微升高再降低的趋势。在橡胶粉掺量为6%时达到各龄期最大值，分别为1.4 MPa、2.15 MPa、4.20 MPa，对照标准中7个等级泡沫混凝土强度指标，均可用于桥涵回填工程，其最佳强度指标出现在橡胶粉掺量为6%附近。在0～6%掺量范围内，改性泡沫混凝土的强度有所增加，这是由于橡胶粉颗粒分布于泡沫混凝土中，使其具备一定的弹性缓冲能力，可适当地帮助试件承受压应力，但随着掺量的增加，橡胶粉增多使泡沫挤压变形，导致不能承担压应力。

图3 不同橡胶粉掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响曲线图

2.4 抗裂性能

由于泡沫混凝土水灰比较大，水分在施工后易快速散失，导致收缩裂缝，针对这一病害，测试橡胶粉改性泡沫混凝土的抗裂性能，通过测试试件从微裂纹扩展至裂缝的开裂时间，表征橡胶粉含量对抗裂性能的影响。测试结果如图4～5所示。

图4 不同橡胶粉掺量对泡沫混凝土开裂时间的影响曲线图

图5 不同橡胶粉掺量对泡沫混凝土裂缝宽度的影响曲线图

观察图4可知：随着橡胶粉掺量从0逐渐增加至12%，泡沫混凝土的开裂时间从起初的11.0 h逐渐延长至25.6 h。随着橡胶粉掺量的不断增加，裂缝发生时间逐渐延长，当橡胶粉掺量为3%时开裂时间为12.5 h，当橡胶粉掺量为6%时开裂时间为15.2 h，当橡胶粉掺量为9%时开裂时间为19.0 h，当橡胶粉掺量为12%时开裂时间为25.6 h。与未掺和橡胶粉的泡沫混凝土相比，开裂时间分别延长了22.7%、38.2%、72.7%、132%，且延长的速率不断扩大。

观察图5裂缝宽度测试情况可知：随着橡胶粉掺量的不断增加，裂缝宽度不断减小。当橡胶粉掺入时，裂缝宽度从3.8 mm逐渐递减为1.2 mm，从图形的斜率可以看出，不掺加橡胶粉与掺加橡胶粉，对裂缝宽度的差别巨大，掺加橡胶粉后该差别逐渐减小。对比图4、图5可知：橡胶粉的掺入在很大程度上抑制了裂缝的发生，且随着掺量的增大，抗裂性能改善越明显。究其原因是由于混凝土的收缩开裂属于拉裂，而橡胶粉属于弹性体，大量的微小橡胶粉在缓解混凝土材料内部拉应力的同时，有效填充了部分应力集中点，延缓了开裂的时间和宽度。

3 结语

针对泡沫混凝土在桥涵回填工程中应用时出现的问题，在借鉴以往学者利用橡胶改善混凝土性能的基础上，将废旧橡胶轮胎通过研磨等工序制成橡胶粉，分别以0、3%、6%、9%、12%掺量加入泡沫混凝土中，制备出橡胶粉改性泡沫混凝土，通过湿密度、流动度、抗压强度和抗裂性能测试，得到适用于桥涵回填的新型泡沫混凝土，为此得出以下结论：

(1)掺入橡胶粉颗粒的改性泡沫混凝土，随着橡胶粉掺量的增加，湿密度呈升高的趋势，且始终>1 000 kg/m3，可满足各级公路桥涵回填工程。

(2)掺入橡胶粉颗粒的改性泡沫混凝土，随着橡胶粉掺量的增加，流动度数值逐渐降低，且橡胶粉掺量在0～9%时，流动度符合桥涵回填指标。

(3)掺入橡胶粉颗粒的改性泡沫混凝土，随着橡胶粉掺量的增加，抗压强度呈现先略微升高再降低的趋势，3 d、7 d、28 d强度峰值出现在6%掺量处，0～12%掺量范围内强度均达到桥涵回填工程要求。

(4)掺入橡胶粉颗粒的改性泡沫混凝土，大量的微小橡胶粉可缓解混凝土材料内部拉应力，在很大程度上抑制了裂缝的发生，且随着掺量的增加，抗裂性能改善越明显。