SF-BF及预裹工艺对橡胶混凝土力学性能影响研究

汤华明，李子穗，钟伟杰 （安徽建工集团总承包公司，安徽 合肥 230031）

随着我国废旧橡胶的数量急剧增长，如何处理废旧橡胶，早已成为全世界的焦点问题[1]，目前主要的处理方式有填埋[2]、焚烧[3]，不仅污染环境，同时危害到人类和动植物的健康，将其用于混凝土中是实现变废为宝的有效方式之一。已有大量研究表明，橡胶的掺入虽会提升混凝土的韧性、抗冻融及耐磨[4-6]等性能，但同时会大幅降低混凝土的强度[7-9]，其原因在于具有疏水特性的橡胶与混凝土的粘结面的强度较低，缓解橡胶混凝土的强度衰减是其发展的关键。目前，国内外学者主要致力于提升橡胶混凝土的强度，研究方向较为单一，而橡胶降低混凝土强度的同时，也有效提升其韧性和抗冲击性能，因此，提升强度的同时也不应忽视其韧性、抗冲击性能强等自身优势。

基于以上分析，本文通过预裹工艺、硅灰、玄武岩纤维提升橡胶混凝土强度的同时，进一步提升其韧性和抗冲击能力，使其能够满足实际工程的需求，为橡胶混凝土在实际工程中的应用提供理论依据，同时对合理利用废旧橡胶和减少自然资源的消耗有着重要意义。

1 试验

1.1 试验原料

水泥：P·O42.5级普通硅酸盐水泥；石子：5mm～20mm连续集配碎石；砂：细度为模数为2.67的中砂；橡胶颗粒R：直径为2 mm～4mm；分析纯NaOH；12mm短切玄武岩纤维；优质微硅灰：SO2含量为95.3%。

1.2 橡胶处理

1.2.1 NaOH处理

将橡胶颗粒置于浓度为1mol/L的NaOH水溶液，24h后将橡胶颗粒取出，并用清水反复清洗至中性，本试验所使用的橡胶颗粒均经过NaOH溶液处理。

1.2.2 硅灰预裹处理

将 0.15 的硅灰和 0.85 的水泥混合均匀后对橡胶进行预裹处理。橡胶：水泥+硅灰：水=1:1:0.35，预裹工艺如图1所示，首先将按比例混合的水泥和硅灰倒入砂浆搅拌机中慢速搅拌30s，然后将橡胶颗粒倒入搅拌30s，将水匀速倒入搅拌机中搅拌3min出料，将出料室温干燥5h，胶凝材料初步硬化后，使用孔径为5mm的筛网筛分，将粘结的预裹橡胶分离，最后用孔径为2mm的筛网筛除多余的水泥和硅灰的碎渣，晾干后称重，发现预裹后质量提升了88%，用塑料袋密封14d后，用于试验。

图1 预裹工艺流程

1.3 配合比设计

本文采用固定配合比，水泥：石子：砂：水=1：3.13：1.54：0.487，分别用直径2mm～4mm的橡胶颗粒替换30%砂，使用85%水泥和15%硅灰的混合胶凝材料预裹橡胶（Pre-wrapped rubber，简称PR）、用微硅灰（Silica Fume，简称SF）等质量替换15%水泥、外掺5kg/m3玄武岩纤维(Basalt Fibre，简称 BF)，具体配合比见表1所示。

橡胶混凝土配合比 表1

1.4 试验方法

抗压、抗拉试验采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，落锤冲击试验采用φ150×65mm的圆饼试件，试件浇筑成型后用置于标准养护室28d后进行试验。

落锤冲击试验原理如图2所示，落锤冲击装置主要由底板、钢支架、边长为160mm的方形挡板，质量为4.5kg的钢质落锤、传力球、定向套筒、滑轮等元件组成。圆饼试件出现第一条裂纹时记录冲击次数N1为初裂冲击次数，出现第一条贯穿裂缝时记录冲击次数N2为破坏冲击次数。

图2 落锤冲击装置原理图

2 结果与分析

2.1 静荷载下橡胶混凝土的力学性能

通过测量试件的密度，抗压及抗拉强度，得到结果如表2所示。

橡胶混凝土静态力学试验数据 表2

结果表明，橡胶混凝土试件的表观密度均小于普通混凝土，当掺入30%粒径2mm～4mm的橡胶颗粒时，密度下降幅度为4.20%。BF对密度基本没有影响；PR和SF对密度提升幅度较大，分别为1.49%、1.67%。橡胶的外裹层密度大于RC密度，导致表观密度提升；微硅灰的粒径远小于水泥的粒径，掺入橡胶混凝土中，可以填充水泥浆空隙和橡胶颗粒与水泥基体的间隙，从而提升表观密度。

PR，SF，BF对橡胶混凝土的抗压、抗拉强度、拉压比均有不同程度的提升，其中SF，BF具有较好的正向协同作用，同时掺入5kg/m3BF，15%SF，橡胶混凝土的抗压强度由RC的30.38MPa提升至 42.92MPa，抗拉强度由 2.69MPa 提升至3.51MPa，较素混凝土提升1.15%。单掺BF时拉压比最高为0.0936，较素混凝土提升29.8%。

2.2 动荷载下橡胶混凝土的力学性能

如图3所示，普通混凝土出现初裂纹时，继续冲击试件，裂缝呈“一”字型发展，很快贯穿整个试件，使试件破坏成两半，呈脆性破坏，而其他橡胶混凝土试件最终破坏后仍会保持较好的完整性，呈延性破坏。RCSF15、PRCSF15破坏时主裂缝较RC增加，而微裂纹减少，破坏痕迹均匀，破坏程度有所提升。掺入玄武岩纤维的试件最终破坏时的完整性，初次出现裂纹后，继续冲击试件，裂缝不断加宽直至贯穿试件的上下面，期间产生多条微裂纹，而不会产生新的贯穿试件的上下面的主裂缝，最终呈延性破坏，破坏时保持更好的完整性，为橡胶混凝土能够在实际工程中使用有一定指导意义。

图3 冲击破坏形态

根据ACI544委员会推荐的落锤冲击方法，使用自制的手拉式落锤冲击装置，测试圆饼状橡胶混凝土的抗冲击吸能，试件初裂时吸收的能量为W1，破坏时吸收的能量为W2，计算公式为W=Nmgh（W：冲击功；N：冲击次数；m：落锤质量，4.5kg；g：重力加速度，9.81m/s2；h:落锤高度，457mm），试验结果如表3所示。

橡胶混凝落锤冲击试验数据 表3

由表3可知，相较于RC的破坏冲击性能，预裹橡胶基本没有影响，BF有微小提升效果，RCSF15、PRCSF15的提升率均超过30%，RCSF15BF5、PRCSF15BF5的提升率均超过50%，可知当掺入等量橡胶时，混凝土的抗冲击性能与强度有关，与劈裂抗拉强度规律相同，SF与BF对抗冲击性能的提升具有较好的协同偶联作用，最高可超过60%。综上所述，对于RC抗冲击性能的提升效果由高到低：硅灰+玄武岩纤维＞硅灰＞玄武岩纤维＞预裹橡胶。

2.3 静动态荷载下橡胶混凝土的韧性

本文使用抗拉强度与抗压强度的比值及折压比[10]评价静态荷载下的韧性。以试件破坏时所吸收的能量及抗冲击韧性比[11]评价动态荷载下的韧性，C=Wi/W0（C：抗冲击韧性比；Wi：橡胶混凝土破坏时的冲击功；W0：素混凝土破坏时的冲击功）。

由图4可知，静态荷载下，除RCBF5的拉压比上升5.76%，其余组均降低，其中RCSF15、PRCSF15的拉压比降幅最大分别为15.93%、14.24%，而 RCSF15BF5、PRCSF15BF5的降幅分别为7.57%、7.23%，较RCSF15、PRCSF15减少一半，可知在掺硅灰组试件中继续添加玄武岩纤维，可有效缓解硅灰对橡胶混凝土韧性的负面影响。冲击荷载下，各种方案对橡胶混凝土的韧性均起到正面提升作用，其中硅灰对韧性提升效果最显著，可知抗冲击韧性比与强度呈正相关，各组试件中RCSF15BF5、PRCSF15BF5的强度最大，同时抗冲击韧性比也达到最高，较RCSF15、PRCSF15的提升幅度分别增加20.6%、25.0%，PRCSF15BF5的增幅最大，可见预裹橡胶、SF、BF混掺对橡胶混凝土的冲击韧性比的提升有较好的协同偶联作用，而预裹橡胶对混凝土的韧性基本没有影响，PRC的韧性指标在静、动态荷载下变化幅度仅为-1.58%、1.14%。

图4 各组相较于RC韧性指标变化率

3 结论

①用硅灰等质量替换15%的水泥、预裹橡胶均会提升橡胶混凝土的表观密度，而玄武岩纤维对表观密度基本没有影响。

②3种改进方法对RC的抗压强度均有不同程度的提升，作用效果由强到弱：微硅灰＞预裹橡胶＞玄武岩纤维。

③3种改进方法单独作用时，对RC的劈裂抗拉强度的提升效果相近，提升幅度在12%左右，但同时掺入硅灰、玄武岩纤维时具有良好的协同偶联作用，劈裂抗拉强度最高可提升30.48%。

④对于静、动态荷载下的韧性性能，不同的改进方法具有完全不同的效果，静态荷载下预裹橡胶与玄武岩纤维对RC的韧性无明显影响，而掺入硅灰会使RC的韧性有较大幅度的降低。动态荷载下，RC的韧性与强度呈正相关，硅灰对RC韧性提升效果明显高于预裹橡胶和玄武岩纤维，且3个因素共同作用时效果最佳，PRCSF15BF5的抗冲击韧性比最高为5.222，较RC提升60.2%。