橡胶再生混凝土力学性能试验研究

2023-10-11王雯睿朱瑢晨朱焕彬谭泽仁

广东土木与建筑 2023年9期

王雯睿，朱瑢晨，朱焕彬，谭泽仁，招戬

（华南农业大学水利与土木工程学院广州 510640）

0 引言

调查显示，混凝土是世界上消耗量最大的材料之一，一方面其带来了生态破坏，据IEA 估计，2019 年水泥行业排放了24 亿t 的CO2，占全球CO2排放量的7%［1］。另一方面，它还造成了材料的急剧消耗，据2018年的计算发现，混凝土行业的取水总量约为7.8亿t［2］；2019 年，全世界砂石产量高达517 亿t［3］。此外，中国橡胶工业协会指出，2016 年，我国废旧橡胶的总量已达到15 000 kt［4］。而橡胶混凝土具有密度小、耐磨性好、弹性好、延展性强等特征，再生混凝土有抗裂性好与导热率小等优点，所以有必要研究橡胶再生混凝土的力学性能，从而研究出与应用好绿色生态的混凝土。

虽然再生粗骨料来源广泛，但其弊端不容忽视，据研究，再生粗骨料的力学性能指标不如天然石子［5］。若只考虑粗骨料对混凝土强度的影响，再生混凝土的力学性能不如普通混凝土。经大量试验研究表明：橡胶混凝土具有密度小、耐磨性好、弹性好、延展性强等优点，虽然橡胶掺入混凝土中降低了其抗压强度，同时降低了混凝土的脆性损伤特性，但王军军等人［6］研究表明：橡胶颗粒可以增大混凝土拌合物的坍落度；汪海东等人［7］发现橡胶颗粒取代细骨料后可以大幅降低再生混凝土的密度。

在我国，对于橡胶再生混凝土的研究中涉及粗骨料粒径大小对橡胶再生混凝土力学性能产生的影响的研究较少，所以我们针对橡胶再生混凝土进行了一系列的力学性能试验，并通过改变其中橡胶颗粒的目数和掺量及粗骨料的粒径以寻求影响力学性能的因素，希望能为今后研究橡胶再生混凝土力学性能提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

本实验采用的水泥为广州某水泥公司制造的P.O42.5普酸盐水泥。用水为自来水，细骨料为天然河砂，粗骨料采用粒径范围5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm的连续级配再生石子。橡胶粉采用常州某公司生产的20目、40目、60目橡胶粉，如图1所示。以橡胶颗粒替代砂，替代率（质量替代）采用0%、15%和30%。

图1 橡胶颗粒Fig.1 Rubber Particles

1.2 试验方案

混凝土设计强度等级为C30，根据试验原材料的基本性能指标，按照《普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2011》规范，计算得出设计配合比。本试验的配合比以普通混凝土作为基准进行设计，试验保持变量统一，其他组依照该配合比进行设计（见表1）。

表1 橡胶再生混凝土配合比Tab.1 Rubber Recycled Concrete Mix Ratio （kg/m3）

试验制备27 块再生骨料橡胶混凝土立方体试块（100 mm×100 mm×100 mm）和27块棱柱体试块（100 mm×100 mm×400 mm）用于抗折强度试验，按橡胶目数（20目、40 目、60 目）、掺量（0%、15%、30%）及粗骨料级配（5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm）。混凝土均采用机械搅拌、振实，试件成型后放入标准养护室中养护，24 h后脱膜，随后进行标准养护至28 d。再生骨料橡胶混凝土参照《普通混凝土力学性能试验方法标准：GB/T 50081—2002》进行加载试验。

2 试验结果与分析

2.1 橡胶对强度的影响

在橡胶目数为40 目，掺量分别0%、15%和30%时，混凝土抗压强度分别为46.9 MPa、32.9 MPa 和49.1 MPa，如图2 所示。试验表明在橡胶掺量在0～30%的区间范围内，随着橡胶掺量的增多，再生骨料橡胶混凝土的抗压强度呈现先减小，后增大的趋势，如图2⒜。试验结果表明橡胶掺量对混凝土抗压强度影响显著，与进行正交试验得到的结论一致［8］。强度下降是由于橡胶作为表面惰性的有机物，与水泥的粘结力低［9］，导致受压时两者界面产生的摩擦力下降，从而降低了混凝土的抗压强度，另外，掺入橡胶相当于提高了混凝土的空隙率，密实度减少［10］，从而降低了混凝土的抗压强度。在抗压试验时还发现，不掺橡胶的混凝土破坏时有明显大裂痕或完全断裂，甚至有再生骨料出现破坏的情形，而大部分掺入橡胶的混凝土，出现少许裂痕，试块达到极限强度后并没瓦解分离，仍维持其整体性，这发挥了橡胶良好的延性作用。值得注意的是，当橡胶掺量为30%时，再生骨料橡胶混凝土的抗压强度比原先的再生骨料混凝土的强度要大，一方面是由于再生骨料混凝土的抗压强度低于普通混凝土，使得再生骨料橡胶混凝土强度的增幅能够有达到原先再生骨料混凝土强度的可能性，另一方面是再生骨料表面粗糙、多孔，橡胶的加入可以填充混凝土中粗骨料间的孔隙［11］，即使存在一开始增加孔隙率，抗压强度减少的情况，但当孔隙率大到一定程度，再增加橡胶对抗压强度的影响较小，也就是橡胶填充对抗压的增强大于孔隙率对抗压的削弱从而提高混凝土抗压强度。

图2 橡胶掺量对强度的影响Fig.2 Effect of Rubber Content on Strength

在橡胶目数为40目，掺量分别0%、15%和30%时，混凝土抗折强度分别6.24 MPa、5.96 MPa和5.023 MPa。试验表明橡胶掺量越多，如图2⒝，再生骨料橡胶混凝土的抗折强度降低越多。这是因为橡胶是有机材料，与无机材料水泥石的粘结力低［12］，且橡胶掺量越大，与水泥石间的薄弱界面就越大，抗折强度就越小。

再生骨料橡胶混凝土抗折试件从破坏形态上看，与普通再生骨料混凝土（见图3⒜、图3⒞）相比，再生骨料橡胶混凝土的破坏面裂缝（见图3⒟）相对较细，甚至部分试块达到极限强度时，尚未完全裂开。同时，再生骨料橡胶混凝土的破坏面（见图3⒞）沿着粗骨料与橡胶水泥砂浆黏结界面裂开，而非普通混凝土裂开时，粗骨料也被劈开的状态。这是由于橡胶具有较好的延性和较高的能量耗散能力，当试块受力时，可以有效传递力并且耗散掉一部分能量，阻碍了裂缝的进一步扩大，混凝土内应力重新分布，造成断面处裂缝无法贯通的情况。

图3 普通再生骨料混凝土与再生骨料橡胶混凝土的破坏形态Fig.3 Failure Patterns of Ordinary Recycled Aggregate Concrete and Recycled Aggregate Rubber Concrete

选取橡胶目数分别为20 目、40 目、60 目，橡胶掺量为15%，再生骨料级粒径为5～20 mm，橡胶再生骨料的抗压强度和抗折强度规律如图4所示。橡胶目数分别为20 目、40 目、60 目时，混凝土抗压强度分别为34.3 MPa、32.9 MPa、35.6 MPa，随着橡胶目数的增大，再生骨料橡胶混凝土的抗压强度呈现先减小，后增大的趋势，如图4⒜所示。在掺量为15%的情况下，橡胶目数对于抗折强度无显著影响，约为5.5 MPa，如图4⒝所示。

图4 橡胶目数对强度的影响Fig.4 Effect of Rubber Mesh on Strength

2.2 再生粗骨料对强度的影响

在橡胶粒径为40 目，掺量为15%的条件下，选取再生骨料级配为5～15 mm、5～20 mm、5～25 mm 再生骨料级的混凝土抗压强度和抗折强度如图5所示。试验数据表明，级配粒径范围增加，会使各材料间结合更加密实，使其抵抗变形的能力增加，进而提升抗压强度。而石子级配粒径变化，对于抗折强度无明显影响，总体在6 MPa 的区间范围上下波动，这是由于混凝土形成裂缝后，在裂缝尖端形成应力集中，但材料性质未发生变化，抗折强度的变化幅度不大。

图5 再生粗骨料对强度的影响Fig.5 Effect of Recycled Coarse Aggregate on Strength

2.3 3种变量对于强度影响的显著差异分析

单因素方差分析是用来测试某一个变量的不同水平是否给观察变量造成显著差异和变动，有利检验几组样本总体变化的显著性。其应用需满足独立性，正态性和方差齐性。

由于本实验的样本均为相互独立随机的样本，所以以下数据均满足独立性要求。

设石子粒径为因素A，橡胶目数为因素B，橡胶掺量为因素C，分别具有3个水平。以石子粒径为例，其有3个水平，记为A1，A2，A3，具体如表2所示。建立假设为：

表2 石子粒径分类情况Tab.2 Classification of Stone Particle Size

单因素方差分析统计量为：

其中，MSA、MSe分别为因素的组间偏差平方和（Between groups）与组内偏差平方和（Within groups）。该检验的拒绝域为W=｛F≥F1-α（fA，fe）｝，如果F≥F1-α（fA，fe），即Prob＞F的值在拒绝域内（＜0.05），则认为因素显著，即因素各水平具有显著差异。

以表3为例，所有数据均满足正态分布检验，满足正态性要求，之后进行3 种变量对于抗压抗折强度的单因素方差分析，可得，骨料粒径和橡胶目数两种变量对抗压强度和抗折强度同方差检验的P值分别为0.582，0.966，0.885，0.935，均大于0.05，满足方差齐性，Prob＞F的值分别为0.202 8，0.897 2，0.796 9，0.118 0，也均大于0.05，说明以上两种变量对强度无显著性差异。