废旧轮胎橡胶粉细度对水工混凝土抗冻融性能的影响

杨海全

（喀左县水利局，辽宁 朝阳 122300）

0 引言

废旧轮胎是一种常见的固体废弃物，是一种危害自然生态的垃圾[1]。随着汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断攀升，必然产生大量的废旧轮胎和橡胶制品。因此，如何对废旧轮胎进行处理和资源化利用就成为亟待解决的问题。目前，我国的废旧轮胎回收利用主要以生产再生胶为主，而西方一些国家则主要以胶粉利用为主。将废旧轮胎制成胶粉，可以直接用于生产橡胶制品、建筑材料；将橡胶颗粒掺入水工混凝土，可以有效改善混凝土的抗裂性能，提升其隔热保温和耐久性[2]。显然，橡胶颗粒对水工混凝土性能的影响主要取决于橡胶颗粒的掺量和颗粒大小。目前的研究主要集中于橡胶颗粒掺量对混凝土性能的影响，针对橡胶颗粒大小对混凝土性能影响的研究不多，特别是缺少橡胶颗粒大小对水工混凝土抗冻性能的影响研究[3]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨不同目数废旧轮胎橡胶粉对水工混凝土抗冻融性能的影响，以便为相关工程应用提供支持和帮助。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验中使用的水泥材料为P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其主要物理性能如表1 所示。由表1 的数据可以看出，其各项指标均满足相关施工规范的要求，可以用于此次试验研究。

表1 水泥材料物理性能

试验用砂为天然砂，符合JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求，细度模数为2.7 的中砂，其堆积密度为2 350 kg/m3，含泥量不超过3.5%；试验中粗骨料为人工石灰岩碎石，符合JGJ 52-2006 要求，其压碎率为5.8%，堆积密度为2 430 kg/m3；试验用水为普通自来水；试验用减水剂为聚羟酸减水剂，其推荐掺量为2.7 kg/m3。

试验用废轮胎橡胶颗粒目数为20～120 目。由于汽车轮胎在生产过程中需要使用硬脂酸锌，橡胶颗粒中含有一定量的硬脂酸锌，会导致橡胶颗粒与水泥砂浆黏结作用的下降[4]。因此，在橡胶混凝土制备之前首先利用氢氧化钠溶液浸泡橡胶颗粒，再用清水清洗，以除去橡胶颗粒表面的硬脂酸锌。

1.2 试验方案

鉴于橡胶颗粒掺量也是影响水工混凝土物理力学性能的重要因素，为保证试验结果的科学性和有效性，在试验中选择5%，10%和15%等3 种不同的体积取代率取代混凝土制作过程中的天然砂，制成废旧橡胶颗粒混凝土[5]。同时，结合此次研究的主要目的，每种不同的取代率再设计20，40，60，80，100 和 120 目等不同的细度等级进行试验，根据试验结果的对比，获得橡胶颗粒细度对混凝土抗冻融性能的影响。

1.3 试件制作

由于试验中使用的橡胶颗粒粒径较小，在混凝土的制作过程中容易出现团聚现象，从而对试验结果的科学性和准确性造成影响[6]。为保证橡胶粉能够均匀分散到混凝土拌合物中，需要将橡胶粉和水泥搅拌均匀。在混凝土制作过程中，先将砂子、石子倒入搅拌机搅拌60 s，然后加入水泥和橡胶粉的拌合物再搅拌30 s，最后加入水和减水剂搅拌120 s[7]。

试验中采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试模，将搅拌好的混凝土材料装入试模，然后在振动台上振动20～30 s。将制作完成的试件在阴凉通风处静置24 h 后拆模并编号，然后放入标准养护室，在20 ℃和相对湿度为95%的条件下养护至标准龄期进行抗冻性能测试。

1.4 试验方法

将养护至标准龄期的试件从养护室内取出，在清水中浸泡4 d 后取出试件称量其质量，将其放入冻融试验箱内进行冻融试验，在试验过程中保持试验盒内水面的高度始终高出试件顶面5 mm。试验中每个冻融循环持续4 h，其中冷冻温度为-18 ℃，时间为3 h；融化温度为5 ℃，时间为1 h。结合相关试验经验，此次研究进行100 次冻融循环试验。根据试验中获取的数据，计算出试件的质量损失率、相对动弹模量及抗压强度损失率[8]。

2 试验结果与分析

根据试验中获得的数据，计算获取不同试验方案下试件的质量损失率、相对动弹模量、抗压强度损失率。根据计算结果，绘制质量损失率、相对动弹模量、抗压强度损失率的变化曲线，如图1-3所示。

图1 质量损失率变化曲线

由图1-3 可以看出，橡胶粉取代率对质量损失率、相对动弹模量、抗压强度损失率均存在比较明显的影响，过小和过大的取代率都不利于三者的控制，橡胶粉的细度对三者也存在比较显著的影响，从图1 可看出，随着橡胶粉目数的增加，不同取代率方案下的试件的质量损失率都呈现出先减小后增大的变化特点，当橡胶粉为100 目时试件的质量损失率最小。从图2 可以看出，随着橡胶粉目数的增加，不同取代率方案下的试件的相对动弹模量都呈现出先增大后减小的变化特点，当橡胶粉为100 目时试件的相对动弹模量最大。究其原因，主要是橡胶粉为疏水性材料，在混凝土制备过程中其表面很容易携带气泡，因此具有一定的引气作用，从而有效提升混凝土的抗冻性能。同时，当橡胶粉的粒径越小，上述作用越明显，因此试件的相对动弹模量增大。但是，过细的橡胶粉不利于混凝土整体性的提高，因此相对动弹模量有所增大。从图3 可以看出，随着橡胶粉目数的增加，不同取代率方案下的试件的抗压强度损失率都呈现出先减小后增大的变化特点，当橡胶粉为100 目时试件的抗压强度损失率最小。总体来看，当橡胶粉为100 目时可以获得最佳的抗冻性能。

图2 相对动弹模量变化曲线

图3 抗压强度损失率变化曲线

3 结语

将废旧轮胎橡胶粉用于水工混凝土制作具有显著的工程价值、经济价值和环境价值，是学术界和工程界研究和关注的重要领域。此次研究通过室内试验的方式，探讨分析了废旧轮胎橡胶粉细度对水工混凝土抗冻性能的影响。试验结果显示，橡胶粉为100 目时，水工混凝土的质量损失率和抗压强度损失率最小，相对动弹模量最大，为最佳掺量，建议在工程设计中采用。此次试验研究为基于室内人工模拟环境所进行的耐久性试验，在实际的环境中混凝土所服役的情况更为复杂，因此，可以考虑通过设置实验站等手段，在实际的环境下进行试验，探究实际服役过程中废旧轮胎橡胶粉目数对水工混凝土抗冻性的影响，以保证研究结论的科学性和有效性。