橡膠混凝土性能的初步研究

[摘　要] 　將不同比例的橡膠粉或橡膠顆粒分別代替水泥和砂，制作了C50 橡膠混凝土，分析了加壓成型對(duì)其抗壓和抗折性能的影響， 并對(duì)橡膠混凝土的抗凍和抗?jié)B等性能做了初步研究。研究證明，橡膠混凝土力學(xué)性能較基準(zhǔn)混凝土有所下降，但采用加壓成型工藝可有效改善其下降幅度;橡膠粉(顆粒) 摻量在10 %以下時(shí)，可明顯改善混凝土的抗凍和抗?jié)B性能。

[關(guān)鍵詞] 　橡膠混凝土；　加壓成型；　抗凍；　抗?jié)B

0 　引言

    我國(guó)的汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，每年產(chǎn)生大量的廢棄橡膠輪胎。橡膠是一種聚合物固體，日益增加的廢橡膠處理問(wèn)題關(guān)系到全球環(huán)境及資源問(wèn)題。廢舊橡膠制品是一種在自然條件下難溶的高分子彈性材料，其不溶于水，難溶于有機(jī)溶劑，而且不易腐爛。按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行處理，費(fèi)用高昂?，F(xiàn)在世界范圍內(nèi)對(duì)橡膠的處理方式傾向于將其回收利用。在混凝土業(yè)中，人們經(jīng)常將橡膠粉末或橡膠顆粒以一定的比例代替部分骨料或水泥摻加到混凝土中[ 1～4 ] ，但是試驗(yàn)結(jié)果表明，這種混凝土的力學(xué)性能有很大下降。文獻(xiàn)[ 1 ]研究表明，用橡膠粉( FRC) 和橡膠顆粒(CRC) 代替體積百分比為45 %的骨料，其28 天立方體抗壓強(qiáng)度最大可分別下降56 %和81 %。橡膠混凝土的性能如何，直接關(guān)系到其應(yīng)用和發(fā)展的前景。因此，本文為了探討橡膠粉(顆粒) 對(duì)混凝土的正負(fù)效應(yīng)， 對(duì)橡膠混凝土的力學(xué)性能、抗凍和抗?jié)B等方面的性能進(jìn)行了初步研究。

1 　原材料及試驗(yàn)方法

1.1 　原材料

水泥:采用南京江南水泥廠生產(chǎn)的“金寧羊”牌P·Ⅱ4215 硅酸鹽水泥。其熟料的化學(xué)組成如表1 所示:

表1 　金寧羊P·Ⅱ4215 水泥熟料的化學(xué)組成

　　橡膠粉(rubber powder) 及橡膠顆粒(granulated rubber) :采用青島綠葉橡膠有限公司生產(chǎn)的橡膠粉(140μm) 和橡膠顆粒(3mm～4mm) 。表2 列出了3mm～4mm 橡膠顆粒的物理性能。3mm～4mm 橡膠顆粒形貌和140μm 橡膠粉形貌分別如圖1 和圖2 所示。

                                   圖1 　3mm～4mm 橡膠顆粒形貌

集料: (1) 普通黃砂(中砂，細(xì)度模數(shù)213)； (2) 石灰石碎石，最大粒徑為：10mm；水：自來(lái)水；

外加劑：本試驗(yàn)采用江蘇省建筑科學(xué)院生產(chǎn)的JM - B 型高效萘系減水劑，主要成分為聚羧酸，減水率≥20 % ，以及主要成分為有機(jī)物三萜皂甙的SJ 引氣劑。

                                              圖2 　140μm 橡膠粉形貌

1.2 　試驗(yàn)方法

    按C∶S∶G∶W= 1∶1.28∶2.73∶0.35 的比例成型C50 基準(zhǔn)混凝土，具體配比如表3 所示。將140μm 橡膠粉以水泥質(zhì)量7.5 %等量代砂或水泥制作的混凝土記為C50P715C 或C50P715S；同樣，將3mm～4mm橡膠顆粒以水泥質(zhì)量715 %、10 %、15 %等量代砂制作的混凝土記為C50G715S、C50G10S、C50G15S。減水劑外摻量為1 %，引氣劑摻量為015 ×10- 4～1.5 ×10- 4 。

　　表中，各字母的含義分別為：P —橡膠粉( rubber powder) ， G—橡膠顆粒(granulated rubber) ，C —水泥(cement) ，S —砂(sand)；7.5 ，10 ，15 分別為置換百分比； 3 摻引氣劑。

　　加壓成型混凝土試件采用40mm ×40mm ×160mm 三聯(lián)鋼模成型，分別施加0.7MPa 和1.4MPa 的壓力，加壓時(shí)間均為15 分鐘。一天后拆模，然后放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)[溫度(20 ±3) ℃， 相對(duì)濕度90 %以上] ，養(yǎng)護(hù)28 天后測(cè)量其抗壓和抗折強(qiáng)度。

    抗凍試驗(yàn)采取100mm ×100mm ×400mm 的棱柱體試件， 每組3 根，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天。采用快凍法，且每25 個(gè)凍融循環(huán)進(jìn)行一次橫向基頻的測(cè)試并稱重。

    抗?jié)B試驗(yàn)成型試模：上口直徑175mm ，下口直徑185mm ， 高150mm ，每組6 個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天。試驗(yàn)時(shí)，水壓從0.2MPa 開始，每隔8h 增加0.1MPa。當(dāng)6 個(gè)試件中有3 個(gè)表面滲水，即停止試驗(yàn)。

2 　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 　抗壓及抗折強(qiáng)度

     從圖3 和圖4 可以看出，加壓成型的抗壓和抗折強(qiáng)度明顯高于未加壓的橡膠混凝土，且加1.4 MPa 壓力比加0.7MPa 壓力時(shí)可明顯提高橡膠混凝土的力學(xué)性能，其中對(duì)其抗折強(qiáng)度的提高更加顯著。圖3 圖4 均在C50G715S 處出現(xiàn)峰值，說(shuō)明存在一個(gè)最優(yōu)的橡膠摻量。在加壓成型時(shí)，可以看到有水從試塊表面滲出。雖然橡膠粉(顆粒) 摻量不同的試塊的滲水量有所差異，但是，對(duì)同一摻量的橡膠混凝土試塊而言，加壓1.4 MPa 較加壓0.7 MPa 時(shí)，滲出的水量要多，即加壓成型減小了有效水灰比;另外，加壓成型使混凝土的空隙率降低，減少了試塊內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)。正是由于這兩方面原因同時(shí)作用，才使得橡膠混凝土的力學(xué)性能得以提高。

圖3 　混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 　混凝土抗折強(qiáng)度

2.2 　抗凍試驗(yàn)結(jié)果

   本研究只對(duì)5 種配比的混凝土進(jìn)行了抗凍試驗(yàn)，即C50 、C50P715C、C50P715S、C50G715S 和C50J S。相對(duì)動(dòng)彈性模量反映的是混凝土內(nèi)部微裂縫開展情況;質(zhì)量損失則反映混凝土表面剝落破壞的情況，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)造成骨料或增強(qiáng)材料暴露。因此，可用這兩個(gè)指標(biāo)反映混凝土內(nèi)部與表面受到損傷的程度。

    由圖5 可以看出：凍融循環(huán)開始時(shí)，混凝土重量變化較小， 隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，混凝土表面剝落，使得混凝土重量損失變大。對(duì)于經(jīng)受凍融循環(huán)而破壞的混凝土，混凝土的重量不但不減小，反而有所增加，可能是由于凍融后試件表面形成大量的微裂紋，水分通過(guò)微裂紋進(jìn)入試件中，引起了重量的微小增加。

    從圖6 可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈?；境氏陆第厔?shì)?；鶞?zhǔn)混凝土在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)50 次后已經(jīng)破壞。從下降的趨勢(shì)上看，開始混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模下降比較平緩，而接近破壞時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模急劇下降。主要是因?yàn)殡S著在凍融破壞的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部及表面出現(xiàn)微裂紋，形成了水分通道，更多的水就能進(jìn)入基體內(nèi)部參與凍融破壞，加速混凝土的凍融破壞。

圖6 　混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模

　　對(duì)于改善混凝土抗凍性的效果，140μm 橡膠粉好于SJ 引氣劑，3mm～4mm 橡膠顆粒與SJ 引氣劑效果相當(dāng)。因?yàn)橐龤鈩┊a(chǎn)生的氣泡直徑在20μm～200μm 之間，所以，橡膠粉可以作為固體引氣劑而存在，且能夠保證其在混凝土中分布的穩(wěn)定性及均勻性，從而提高混凝土抗凍性。

2.3 　抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

    從抗?jié)B試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，各組混凝土的抗?jié)B性能都很高，其抗?jié)B標(biāo)號(hào)均達(dá)到了P12 ，只是滲水高度有所不同。滲水高度可以反映出混凝土的密實(shí)性，也可用于混凝土抗?jié)B性能的比較。由圖7 可知， C50P715C 的平均滲水高度最低， C50P715S 和C50G715S 的平均滲水高度均低于基準(zhǔn)混凝土， 而C50G10S 和C50G15S 的平均滲水高度比基準(zhǔn)混凝土的要高。即當(dāng)橡膠粉(顆粒) 的摻量控制在10 %以下時(shí)，可以改善混凝土的抗?jié)B性能，但當(dāng)橡膠粉(顆粒) 摻量再增加時(shí)，抗?jié)B性能會(huì)逐漸降低；橡膠粉與橡膠顆粒對(duì)抗?jié)B性能的改善效果差別不大。在抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，C50P715C 的強(qiáng)度最低，而在抗?jié)B試驗(yàn)中，C50P715C 的抗?jié)B效果卻最好，這種矛盾的結(jié)果有待進(jìn)一步探索。

3 　結(jié)論

　　(1) 橡膠混凝土的力學(xué)性能比基準(zhǔn)混凝土要低，配比不同的橡膠混凝土的力學(xué)性能下降的程度不同。C50G715S 的抗壓抗折強(qiáng)度最高，為最佳配比。

    (2) 摻橡膠粉(顆粒) 對(duì)混凝土的抗凍性能有很大提高，其中，摻橡膠粉比摻橡膠顆粒對(duì)改善抗凍性能的效果要好，橡膠混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)均可達(dá)到P12 。

    (3) 橡膠粉(顆粒) 的摻量在10 %以下時(shí)，可以改善混凝土抗?jié)B性能;摻量超過(guò)10 %時(shí)，抗?jié)B性能就出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。橡膠粉與橡膠顆粒對(duì)改善抗?jié)B性能的區(qū)別不明顯。

[參考文獻(xiàn)]

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[ 3 ]Zaher K. Khatib ，F(xiàn)ouad M. Bayomy ，Member. Rubberized Portland cement concrete[J ] . Journal of Materials In Civil Engineering ，1999 (8) : 206 - 210.

[4 ]宋少民，劉娟紅，金樹新. 橡膠粉改性高韌性混凝土研究[J ] . 混凝土與水泥制品，1997 (1) :10 - 11.

[作者簡(jiǎn)介] 　陳波，1978 年生，男，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程系，碩士研究生。

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