橡胶粉对透水混凝土性能的影响研究

王 岩

（盘锦市大洼区水利服务中心，辽宁 盘锦 124200）

近年来，随着时代的进步和汽车行业的快速发展，我国汽车保有量以及废旧轮胎数量都大幅提升。调查显示，我国每年产出的废旧轮胎数量巨大且呈现出逐年上升趋势[1-3]。目前，许多地区依然选用翻新生产新轮胎或直接焚烧的方法来处理废旧轮胎，但是焚烧会严重污染大气环境，故有效再利用废旧轮胎逐渐成为亟待解决的问题[4]。透水混凝土又称为开放空隙、多孔或无砂混凝土，因其透水性能良好尝被应用于地下停车场、公园小区和人行道等轻荷载路面。城市路面使用透水混凝土有利于降低“热岛效应”，吸收行车噪音减少声污染，切实改善城市生态环境[5]。另外，由于不含细骨料使得车辆轮胎与透水混凝土路面间的摩擦力增加，从而降低了行驶过程中车辆侧滑风险。然而，透水混凝土孔隙率较高，特别是冻融循环作用下自由水充满孔隙后发生冻胀，长期以往极易产生压力破坏，在辽宁、吉林等北方地区透水混凝土的应用受到一定限制[6]。为增强透水混凝土的抗冻性能，胡立国等[7]试验探讨了聚羧酸高效减水剂、粉煤灰、硅灰等掺合料对透水混凝土抗冻性的影响。文章借鉴王海龙[8]、刘星雨等[9]研究成果，采用盐冻破坏评价方法试验探讨了橡胶粉对透水混凝土性能的影响，以期为北方地区透水混凝土掺橡胶粉的推广应用提供一定参考。

1 试验方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅集团股份有限公司生产的P·O42.5 级水泥，细度1.2%，安定性合格，SiO322.10%，初、终凝时间145min 和180min，3d、28d 抗压强度26.8MPa 和55.2MPa，抗折强度5.5MPa和8.2MPa。

粉煤灰：大连华源粉煤灰有限公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，细度21.2%，平均密度2.4g/cm3，需水量比105%。

粗骨料：大连地区天然碎石，压碎指标7.2%，表观密度2510kg/m3，堆积密度1460km/m3，含泥量0.2%。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，易溶于水，减水率25%，掺量1%。

拌合水：当地自来水。

1.2 试验过程

1）试件的制备。设计基准配合比水:水泥:粉煤灰:石子=120 : 400 : 40 : 1480，按基准配合比配制不掺橡胶粉的透水混凝土。

本试验选用粒径20 目、60 目、80 目的橡胶粉颗粒，通过内掺的方式等量替代水泥掺入透水混凝土中，设计5%、10%、15%三种掺量，每种掺量制备1 块高度150mm、底面直径150mm 的圆柱体试件，2 块400mm×100mm×100mm 的棱柱体试块和15 块100mm×100mm×100mm 的标准试件。经混合搅拌、入模成型后，室内静置48h 脱模，参照现行规范测试7d、14d、21d、28d 龄期的抗压强度，并测定标养28d 时透水混凝土的抗冻融循环性能和透水率。

2）透水率的测定。透水混凝土的透水率参照现行技术规范推荐的定水头法进行测定：试验前先浸泡24h 以确保试块的充分湿润，测试过程中用凡士林涂抹仪器表面，将试块置于透水仪并用石蜡密封边缘孔隙，以防有水流的渗出；然后打开出水闸让水流透过试块流出，结合注水时间与溢水量之间的关系计算混凝土的透水系数。

3）抗压强度的测定。透水混凝土抗压强度参照《混凝土设计规范》，应用压力试验机进行测定，并准确记录7d、14d、21d、28d 龄期的强度值。

4）抗冻融性能的测定。抗冻性参照试验方法标准推荐的快冻法来测定：试验开始前，采用动弹仪测量标准养护28d 龄期的混凝土弹性模量和横向基频，并称取试件初始质量，以往测试完成后在水中浸泡4d，然后利用快速冻融机开展冻融循环试验。一个冻融循环周期为4h，最高融化温度(10±2)℃，最低冻结温度(-20±2)℃，每冻融循环25 次测量一次试件质量和弹性模量，并观察试块破坏情况，以相对动弹模量下降60%或质量损失率超过5%作为冻融破坏的判定标准。

2 试验结果与分析

2.1 透水率试验

5%、10%、15%不同掺量以及20 目、60 目、80 目不同粒径橡胶粉对透水混凝土的透水系数影响，如表1 所示。结果表明，基准组明显高于掺橡胶粉组的透水系数，这是因为橡胶粉的弹性非常好，在养护过程中被夯实的橡胶粉颗粒产生体积膨胀，从而堵住了内部细小孔隙，大大降低了混凝土的透水能力。

表1 透水混凝土的透水系数

2.2 抗压强度试验

抗压强度损伤率与20 目、60 目、80 目橡胶粉掺量间的关系，如图1 所示。结果显示，相同粒径条件下，随橡胶粉掺量的增大透水混凝土抗压强度损失率相较于基准组逐渐增大，28d 龄期透水混凝土抗压强度损失率，如表2 所示。

图1 强度损失率与橡胶粉掺量的关系

表2 28d 龄期抗压强度损失率

研究认为，表面凸凹不平易携带水分且自身属于憎水性材料的橡胶粉颗粒的掺入降低了水泥之间的粘结性，并且水泥间的粘结性随着掺量的增加逐渐下降；橡胶粉的弹性非常好，在养护过程中被夯实的橡胶粉颗粒会产生体积膨胀，从而降低石子与水泥间的结合力，形成受力薄弱区；另外，橡胶粉掺量越高则替代的水泥量越多，这大幅度降低了整体强度。

透水混凝土抗压强度与橡胶粉5%、10%、15%不同掺量之间的关系，如图2 所示。结果显示随橡胶粉颗粒粒径的下降透水混凝土各龄期抗压强度逐渐提高，其中掺入80 目的5%橡胶粉较基准透水混凝土28d 抗压强度增大11.92%达到21.6MPa。究其原因，粒径越小则橡胶粉的分布越均匀，其孔隙填充效应也就越明显，透水混凝土中的细小孔隙被大量小颗粒橡胶粉填充密实，有利于提高骨料的支撑能力，故橡胶粉粒径越小则透水混凝土抗压强度越高。

图2 抗压强度与橡胶粉掺量的关系

2.3 抗冻融性能试验

冻融循环25 次、50 次、75 次、100 次时掺20目、60 目、80 目橡胶粉透水混凝土的相对动弹模量变化，如图3 所示。

图3 不同粒径的相对动弹模量

结果表明，粒径相同条件下，橡胶粉掺量从5%增大到10%则透水混凝土质量损失率呈下降趋势，而相对动弹模量表现出上升趋势，有利于增强试件的抗冻融性能；掺量从10%增大到15%则透水混凝土质量损失率呈上升趋势，而相对动弹模量表现出下降趋势，在一定程度上降低了混凝土抗冻融能力；另外，掺20 目、60 目的15%橡胶粉组低于基准透水混凝土的抗冻融性能。

研究认为，表面较为粗糙的橡胶粉颗粒能够将引入大量微小气泡，而这些微小气泡可以提供压力缓冲空间，为冻融循环下自由水体积变化创造有利条件，掺量从5%增大到10%时橡胶粉比表面积增大，具有较强的阴气作用，从而降低了冻融破坏作用；另外，弹性较好的橡胶粉能够缓解自由水冻融体积变化所形成的压力；橡胶粉可以可以填充内部微小孔隙，在一定程度上降低冻融循环对孔隙间水泥连接处的破坏作用[10]。掺量从10%提高到15%时，橡胶粉替代水泥用量使得混凝土内部结构稳定性、强度均明显下降，并且橡胶粉颗粒之间很容易形成没有胶结力的接触面，冻融条件下极易发生破坏，从而降低了其抗冻融性能[11]。

冻融循环25 次、50 次、75 次、100 次时掺5%、10%、12%橡胶粉透水混凝土的相对动弹模量变化，如图4 所示。结果表明，掺量相同条件下，随橡胶粉粒径的减小透水混凝土冻融循环质量损失率减小，而相对动弹模量表现出上升趋势。究其原因是掺量相同条件下，粒径越小则橡胶粉颗粒的比表面积越大，其引气作用越明显，其增强抗冻融性能越好。同时，粒径越小橡胶粉颗粒填充细小孔隙效应越突出，有利于提高结构密实度，有效降低冻融循环导致的孔隙间水泥连接破坏风险。

图4 不同粒径的相对动弹模量

2.4 微观结构

依据掺5%、10%、15%的20 目橡胶粉和基准透水混凝土28d 扫描电镜检测结果，发现各组均存在许多微裂缝，且随着橡胶粉掺量的增大结构密实程度逐渐下降，由于橡胶粉的憎水性使得水泥连接之间形成较多的微小裂纹和薄弱区，内部结构变得更加松散，大大降低了混凝土强度[12-17]。

3 结 论

1）橡胶粉的掺入不利于改善透水混凝土的透水性能，其中掺80 目的15%橡胶粉组透水系数降幅最大，与基准组相比减小了42.81%；掺橡胶粉组相较于基准透水混凝土抗压强度有所降低，但掺80 目的5%橡胶粉组相较于基准透水混凝土28d 强度增大11.92%达到21.6MPa。

2） 橡胶粉的掺入能够改善混凝土抗冻融性能，其中掺80 目的5%橡胶粉组的抗冻融能力最优，冻融循环100 次后其相对动弹模量与基准透水混凝土相比提升53.7%，质量损失率较基准组也明显减小。