摻加橡膠集料道面混凝土的力學(xué)性能研究

駱春雨，朱 涵，柏曉劍，劉海濤，陳龍龍，邵建文

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津市 300072；3.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300072；4.天津交通科學(xué)研究院，天津市 300300）

0 引言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的橡膠消費(fèi)國(guó)[1]，其中70%以上橡膠用于生產(chǎn)輪胎，但是我國(guó)的廢舊輪胎回收量及利用率均很低。目前，我國(guó)的橡膠回收利用率僅為50%，約為90萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平[2-4]。對(duì)于廢舊輪胎，傳統(tǒng)處理方式主要為焚燒、填埋或堆放，不僅污染環(huán)境，占用土地，而且嚴(yán)重危害居民的身體健康[5-6]。我國(guó)正在倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)。走可持續(xù)發(fā)展道路已經(jīng)成為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，解決廢舊輪胎的回收再利用問(wèn)題具有重大意義。橡膠集料混凝土也被稱(chēng)為彈性混凝土，是一種將橡膠顆粒按照一定的比例加入混凝土配制而成的新型混凝土[7]，橡膠集料混凝土無(wú)疑是一種新型節(jié)能環(huán)保材料。在道面混凝土中摻加適當(dāng)?shù)南鹉z微粒代替部分骨料，可以明顯改善混凝土的工程特性[8]，如降低脆性、彈性模量，提高抗開(kāi)裂性能，增大阻尼系數(shù)等。

目前，傳統(tǒng)普通水泥混凝土仍然是道面工程中的主要材料，具有強(qiáng)度高，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。但其在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載作用下極易產(chǎn)生道面裂縫，致使道路耐久性不足，使用壽命短。而在道面混凝土中加入橡膠微粒可明顯降低混凝土的脆性指數(shù)、沖擊韌性、抗疲勞開(kāi)裂等性能[9]。研究發(fā)現(xiàn)，在道面混凝土中加入橡膠顆粒會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，這在一定程度上限制了橡膠集料混凝土的推廣應(yīng)用。而且，摻加橡膠微粒的粒徑大小及摻加比例對(duì)道面混凝土的力學(xué)性能有著顯著的影響[10-15]?；诖?，本文中以普通水泥道面混凝土為對(duì)照組，研究?jī)煞N粒徑、三種摻量的橡膠集料道面混凝土的基本力學(xué)性能，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為橡膠集料混凝土在道面工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：蒙西牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能見(jiàn)表1；石子：粒徑5～20 mm,連續(xù)級(jí)配，堆積密度1 650 kg/m3；砂：普通河砂，Ⅱ級(jí)中砂，最大粒徑5 mm,堆積密度1 520 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6。橡膠顆粒：20目、50目?jī)煞N不同粒徑橡膠集料，表觀(guān)密度分別為1 050 kg/m3、1 020 kg/m3，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。水為實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水。減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%。

表1 水泥的物理性能

表2 橡膠集料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 試驗(yàn)配合比及試件尺寸

本試驗(yàn)中基準(zhǔn)混凝土配合比為水泥：水：砂：石子：外加劑 =1∶0.45∶1.672∶3.395∶0.01，橡膠集料采用外摻法加入，摻量分別為70 kg/m3、90 kg/m3、110 kg/m3三種，粒徑選用20目和50目?jī)蓚€(gè)目數(shù)，每個(gè)配合比制作6個(gè)試件。由于試驗(yàn)粗骨料粒徑較小，故試件尺寸采用100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件。不同摻量目數(shù)混凝土配合比見(jiàn)表3～表5。

表3 基準(zhǔn)道面混凝土配合比

表4 20目橡膠混凝土配合比

表5 50目橡膠混凝土配合比

1.3 攪拌工藝

依據(jù)輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程（JGJ 51-2002、J215-2002）及相關(guān)研究表明橡膠細(xì)集料吸水率較大，在攪拌過(guò)程中吸附較多自由水，從而減少了水泥水化所需的水分，影響混凝土凝結(jié)硬化。本試驗(yàn)中，采取提前對(duì)粗骨料潤(rùn)濕，同時(shí)應(yīng)當(dāng)在配合比中扣除相應(yīng)的用水量，然后與細(xì)骨料混合攪拌，最后加入橡膠膠料和水，攪拌3 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表6為各組試件7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，橡膠集料的加入會(huì)明顯降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。在橡膠粒徑相同情況下，抗壓強(qiáng)度與橡膠摻量成反比關(guān)系，且當(dāng)橡膠摻量為110 kg/m3時(shí)，T組28 d抗壓強(qiáng)度降低超過(guò)59%，F(xiàn)組抗壓強(qiáng)度降低亦超過(guò)50%，已經(jīng)嚴(yán)重影響了混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比基準(zhǔn)組、T1組、F1組抗壓強(qiáng)度值可知，在摻加相同摻量的橡膠粉情況下，橡膠粒徑越小，抗壓強(qiáng)度降低越小。

T組試件28d的抗壓強(qiáng)度回歸曲線(xiàn)方程：

y=3.95x2-27.39x+61.1

F組試件28d的抗壓強(qiáng)度回歸曲線(xiàn)方程：

y=3.12x2-22.89x+57.6

圖1、圖2分別為各組試件7 d和28 d抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)圖。不難看出，兩組橡膠集料混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著橡膠摻量的增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且橡膠集料的目數(shù)大小與抗壓強(qiáng)度成正比。相同摻量情況下，T組抗壓強(qiáng)度降低較F組更大，且下降幅度更大。主要原因是，橡膠顆粒自身抵抗荷載破壞的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于砂，石子等骨料，而且橡膠顆粒是一種有機(jī)物，其與凝膠材料的界面結(jié)合強(qiáng)度要小于砂石等集料與凝膠材料的結(jié)合強(qiáng)度，故橡膠顆粒對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。對(duì)比基準(zhǔn)組不難發(fā)現(xiàn)，橡膠集料混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的85%左右，可能原因是橡膠與混凝土內(nèi)某些惰性元素發(fā)生漫長(zhǎng)反應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)度較普通混凝土出現(xiàn)微增長(zhǎng)。

表6 各組抗壓強(qiáng)度 MPa

圖1 各組7 d抗壓強(qiáng)度

圖2各組28 d抗壓強(qiáng)度

圖3 為基準(zhǔn)組立方體試件破壞形態(tài)，圖4為T(mén)2組立方體試件的破壞形態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)組混凝土呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài)，解體現(xiàn)象嚴(yán)重。隨著橡膠粉的加入，試件破壞表現(xiàn)出延性特征，保持較好的完整性，開(kāi)裂后仍然可以承載一定的荷載。

圖3 基準(zhǔn)混凝土試件破壞形態(tài)

圖4 T2組混凝土立方體試件破壞形態(tài)

2.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

本試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）測(cè)定各組混凝土試件的抗折強(qiáng)度。混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)儀器為三分點(diǎn)處雙點(diǎn)加荷和三點(diǎn)自由支承式混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。各組抗折強(qiáng)度見(jiàn)表7。

圖5和圖6分別摻加不同粒徑橡膠顆粒時(shí)混凝土的7 d和28 d抗折強(qiáng)度曲線(xiàn)變化圖，由圖可知，橡膠集料混凝土的抗折強(qiáng)度與橡膠顆粒的摻量成反比，隨著橡膠顆粒的加入，抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出近似直線(xiàn)下降的趨勢(shì)。橡膠摻量為110 kg/m3時(shí)，兩組橡膠混凝土抗折強(qiáng)度降低量分別為41%和30.6%；橡膠摻量為90 kg/m3時(shí)，兩組橡膠混凝土抗折強(qiáng)度降低量分別33%、28.6%；橡膠摻量為70 kg/m3時(shí)，兩組橡膠混凝土抗折強(qiáng)度降低量分別為23.5%、16%。并且，T組混凝土抗折強(qiáng)度下降的幅度明顯大于F組，這是因?yàn)橄鹉z顆粒與混凝土漿體本身材料具有差異性，降低了其粘結(jié)能力，粒徑越大且粘結(jié)性越差，而粒徑降低，接觸面積增大。從而橡膠顆粒與混凝土漿體摩擦力增大，密實(shí)性增強(qiáng)，從而提高了強(qiáng)度。

表7 各組抗折強(qiáng)度

圖5 各組7 d抗折強(qiáng)度

圖6 各組28 d抗折強(qiáng)度

本試驗(yàn)引入脆性指數(shù)k來(lái)研究橡膠混凝土的延性。定義脆性指數(shù)為混凝土試件抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值，見(jiàn)表8及圖7。

式中：k為脆性指數(shù)；fc為抗壓強(qiáng)度，MPa；ff為抗折強(qiáng)度，MPa。

表8 各分組脆性指數(shù)

圖7 橡膠摻量對(duì)脆性指數(shù)的影響

試驗(yàn)結(jié)果較好地反映了脆性指數(shù)k的變化趨勢(shì)，當(dāng)橡膠摻量為0時(shí)，脆性指數(shù)k值為6.49，隨著摻量的增加，脆性指數(shù)呈降低趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到90 kg/m3后，T脆性指數(shù)不在降低，趨于直線(xiàn)，F(xiàn)組降低依舊降低。當(dāng)摻量為70 kg/m3時(shí)，k值平均降低了28%，當(dāng)摻量達(dá)到110 kg/m3，k值平均降低了40%，說(shuō)明橡膠的摻入使混凝土的延性得到增強(qiáng)，抗裂性能得到提高，脆性指數(shù)越小，混凝土抗裂性越高，所以橡膠混凝土在50目橡膠110 kg/m3摻量下抗開(kāi)裂性能最佳。

3 結(jié)論

本文主要通過(guò)對(duì)摻加橡膠集料的道面混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，為橡膠混凝土在道面工程的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。一系列試驗(yàn)結(jié)論表明摻加橡膠顆粒對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能影響顯著，結(jié)論如下：

（1）橡膠顆粒的加入對(duì)道面混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯的負(fù)面影響。7 d和28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著橡膠顆粒摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低程度也隨之增大，并且表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。同時(shí)，橡膠顆粒的粒徑大小對(duì)抗壓強(qiáng)度亦有影響。在相同橡膠集料的摻量下，橡膠顆粒的粒徑越小，立方體試件的抗壓強(qiáng)度越高。

（2）橡膠顆粒的加入會(huì)降低道面混凝土的抗折強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土整體抗折強(qiáng)度與橡膠摻量的增加成反比關(guān)系。摻加橡膠顆粒的粒徑越大，混凝土的抗折強(qiáng)度下降越顯著，建議工程實(shí)踐中優(yōu)先選用粒徑較小的橡膠顆粒。

（3）橡膠集料道面混凝土具有更好的韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明，脆性指數(shù)隨橡膠摻量的增加而降低，隨橡膠粒徑的降低而降低。隨著橡膠摻量的增加，試件的破壞形態(tài)由明顯的脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，裂縫出現(xiàn)后試件完整性較好。此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)橡膠集料混凝土試件破壞后能繼續(xù)承擔(dān)部分荷載，存在明顯的屈服階段。