橡膠粉改性橋涵回填用泡沫混凝土關(guān)鍵性能試驗(yàn)研究

熊 俊

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來，我國現(xiàn)代化建設(shè)逐步深入，交通運(yùn)輸尤其是交通基建領(lǐng)域邁入跨越式發(fā)展階段。橋梁、涵洞作為交通建設(shè)中重要的結(jié)構(gòu)物，在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的需求越來越大。傳統(tǒng)的土、砂石等建筑材料在應(yīng)用于橋臺背回填時，由于填筑材料性能、施工方法、工程造價低等諸多因素的影響而無法完全達(dá)到設(shè)計要求[1]。泡沫混凝土是泡沫、水泥、摻合料、外加劑等材料經(jīng)過充分?jǐn)嚢瓒瞥傻亩嗫谉o機(jī)材料[2]，其作為一種新型回填材料，已逐漸應(yīng)用于交通工程建設(shè)。但實(shí)際施工過程中，往往會由于材料配合比問題出現(xiàn)收縮變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物開裂等病害，影響工程質(zhì)量。因此，研發(fā)一種高環(huán)保效益且具備優(yōu)良使用性能的橋涵回填用泡沫混凝土刻不容緩。

近年來學(xué)者們針對泡沫混凝土的性能提升及應(yīng)用場景的拓展展開了一系列研究：陳龍龍[3]將黃原膠作為穩(wěn)泡劑，提高了發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和穩(wěn)定性，此類發(fā)泡劑通過改善泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，提升了路基填充用泡沫混凝土的性能；王統(tǒng)[4]將泡沫混凝土作為植生基體，通過研發(fā)植生型泡沫混凝土，制備屋面綠化種植模塊，以“綠化+蓄排水”為主要功能，為泡沫混凝土在海綿城市領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑；孫超[5]基于南京長江大橋南引橋雙曲拱橋維修加固的工程背景，從雙曲拱橋拱上填料的基本性能要求出發(fā)，通過摻入可再分散性乳膠粉改變泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而制備符合要求的泡沫混凝土?，F(xiàn)有研究主要以不同方式改進(jìn)泡沫混凝土的性能，但在橋涵回填中仍然尚未解決環(huán)保問題。21世紀(jì)以來，伴隨著汽車領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，大量廢舊輪胎成為威脅人類社會環(huán)境的主要問題之一。國內(nèi)外學(xué)者將廢舊輪胎制成的橡膠顆粒，以不同摻量加入混凝土，在改善混凝土性能的同時提升混凝土環(huán)境友好性。本文在吸收以往學(xué)者利用橡膠改善混凝土性能的基礎(chǔ)上，借鑒泡沫混凝土領(lǐng)域研究成果，試圖在泡沫混凝土中加入不同摻量的橡膠粉，通過物理性能、力學(xué)性能的測試，得到應(yīng)用于橋涵回填的新型泡沫混凝土，為今后泡沫混凝土的綠色應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

本文針對廣西某公路橋涵回填工程設(shè)計需求，將廢舊橡膠輪胎通過研磨等工序制成的橡膠粉，加入泡沫混凝土中，制備出橡膠粉改性泡沫混凝土試塊。根據(jù)《泡沫混凝土》[6]和《橋涵臺背回填泡沫混凝土施工技術(shù)規(guī)程》[7]等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(后文簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)，在已有基礎(chǔ)試驗(yàn)測試達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，測試濕密度、流動度、抗壓強(qiáng)度和抗裂性能，研究最佳橡膠粉摻量下泡沫混凝土性能及機(jī)理。

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用廣西某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求，見表1。由于橡膠粉的制備過程包含研磨、過濾等復(fù)雜工序，對儀器、環(huán)境等參數(shù)控制質(zhì)量要求較高，為不影響橡膠粉的質(zhì)量，橡膠粉選用廣西某研究院以廢舊輪胎制備的橡膠粉，目數(shù)為40目，送堆密度為350(g/cm3)。發(fā)泡劑采用1∶30倍數(shù)的復(fù)合型發(fā)泡劑。集料等其他原材料均滿足泡沫混凝土行業(yè)技術(shù)要求。

表1 P·O 42.5級水泥主要指標(biāo)表

1.2 試件制備與測試

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及參考以往研究經(jīng)驗(yàn)，水灰比選取為0.5，橡膠粉摻合料增量梯度為3%，按照集料的質(zhì)量百分比分別摻入0、3%、6%、9%、12%，具體配合比如表2所示。制備試驗(yàn)試件流程為：干料按照比例共混→預(yù)攪拌60 s→緩慢倒入水→慢攪180 s→加入預(yù)先制備的泡沫→快攪120 s→觀察整體氣泡均勻→入?！覝?自然狀態(tài))24 h→脫?！鷺?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(7 d、28 d)。由于已有基礎(chǔ)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，故本試驗(yàn)在著重考慮橋涵回填工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展?jié)衩芏取⒘鲃佣?、抗壓?qiáng)度、抗裂性能等直接關(guān)系到材料在橋涵工程中應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)試驗(yàn)。

表2 橡膠粉改性泡沫混凝土配合比表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 濕密度

泡沫混凝土的濕密度是表征橡膠粉改性泡沫混凝土處于流動狀態(tài)時，每m3單位體積的質(zhì)量，其可以很好地指導(dǎo)橡膠粉改性混凝土應(yīng)用于橋涵回填工程時的工作方案，是控制施工質(zhì)量的重要參數(shù)。測試結(jié)果如圖1所示。觀察圖1可知：濕密度隨著橡膠粉摻量的增加略有提升，橡膠粉摻量為0～9%時增長幅度較小，濕密度從1 150 kg/m3到1 270 kg/m3，累計增長10.4%，而橡膠粉摻量為9%～12%時增長幅度提升較快，濕密度從1 270 kg/m3增長為1 475 kg/m3，增長幅度達(dá)到了16.1%。這是由于本試驗(yàn)采用外摻法摻入橡膠粉，對濕密度會有一定的正影響，但摻量為9%以后隨著橡膠粉百分比增大，混凝土填充于孔隙內(nèi)的橡膠微粉過量，使得吸水量大幅升高，導(dǎo)致濕密度增幅變大。對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于濕密度始終>1 000 kg/m3，可滿足各級公路橋涵回填工程。

圖1 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土濕密度的影響曲線圖

2.2 流動度

新拌和的泡沫混凝土應(yīng)具備良好的工作性能，因此需檢測流動性這一混凝土泵送的關(guān)鍵指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定適用于橋涵回填工程的泡沫混凝土，其流動度指標(biāo)在160±20 mm為宜。在不同摻量下測試新拌泡沫混凝土的流動度結(jié)果如圖2所示。觀察圖2可知：新拌和的泡沫混凝土，流動度指標(biāo)隨著橡膠粉摻量的增長而逐漸降低；當(dāng)橡膠粉摻量為0%時，初始流動度為196 mm，而橡膠粉摻量增長到12%時，流動度降低為155 mm，降低了20.0%；橡膠粉摻量在0～9%時，流動度分別為179 mm、168 mm、165 mm，雖然流動度呈降低趨勢，但仍然符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的橋涵回填指標(biāo)。這表明橡膠粉摻量在9%以內(nèi)時，改性泡沫混凝土在流動度測試中符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土流動度的影響曲線圖

2.3 抗壓強(qiáng)度

泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度是橋涵回填工程設(shè)計、施工等工作中的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中針對不同應(yīng)用場合，將泡沫混凝土的強(qiáng)度劃分為7個等級。在不同等級中均規(guī)定了100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件強(qiáng)度的最小平均值，其中7 d齡期下最低等級的試件抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa、最高等級試件抗壓強(qiáng)度≥1.5 MPa，28 d齡期下最低等級的試件抗壓強(qiáng)度≥0.6 MPa、最高等級試件抗壓強(qiáng)度≥3.0 MPa。圖3為不同橡膠粉摻量下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果曲線圖。經(jīng)分析可知：隨著橡膠粉摻量的增加，改性泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先略微升高再降低的趨勢。在橡膠粉摻量為6%時達(dá)到各齡期最大值，分別為1.4 MPa、2.15 MPa、4.20 MPa，對照標(biāo)準(zhǔn)中7個等級泡沫混凝土強(qiáng)度指標(biāo)，均可用于橋涵回填工程，其最佳強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)在橡膠粉摻量為6%附近。在0～6%摻量范圍內(nèi)，改性泡沫混凝土的強(qiáng)度有所增加，這是由于橡膠粉顆粒分布于泡沫混凝土中，使其具備一定的彈性緩沖能力，可適當(dāng)?shù)貛椭嚰惺軌簯?yīng)力，但隨著摻量的增加，橡膠粉增多使泡沫擠壓變形，導(dǎo)致不能承擔(dān)壓應(yīng)力。

圖3 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線圖

2.4 抗裂性能

由于泡沫混凝土水灰比較大，水分在施工后易快速散失，導(dǎo)致收縮裂縫，針對這一病害，測試橡膠粉改性泡沫混凝土的抗裂性能，通過測試試件從微裂紋擴(kuò)展至裂縫的開裂時間，表征橡膠粉含量對抗裂性能的影響。測試結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土開裂時間的影響曲線圖

圖5 不同橡膠粉摻量對泡沫混凝土裂縫寬度的影響曲線圖

觀察圖4可知：隨著橡膠粉摻量從0逐漸增加至12%，泡沫混凝土的開裂時間從起初的11.0 h逐漸延長至25.6 h。隨著橡膠粉摻量的不斷增加，裂縫發(fā)生時間逐漸延長，當(dāng)橡膠粉摻量為3%時開裂時間為12.5 h，當(dāng)橡膠粉摻量為6%時開裂時間為15.2 h，當(dāng)橡膠粉摻量為9%時開裂時間為19.0 h，當(dāng)橡膠粉摻量為12%時開裂時間為25.6 h。與未摻和橡膠粉的泡沫混凝土相比，開裂時間分別延長了22.7%、38.2%、72.7%、132%，且延長的速率不斷擴(kuò)大。

觀察圖5裂縫寬度測試情況可知：隨著橡膠粉摻量的不斷增加，裂縫寬度不斷減小。當(dāng)橡膠粉摻入時，裂縫寬度從3.8 mm逐漸遞減為1.2 mm，從圖形的斜率可以看出，不摻加橡膠粉與摻加橡膠粉，對裂縫寬度的差別巨大，摻加橡膠粉后該差別逐漸減小。對比圖4、圖5可知：橡膠粉的摻入在很大程度上抑制了裂縫的發(fā)生，且隨著摻量的增大，抗裂性能改善越明顯。究其原因是由于混凝土的收縮開裂屬于拉裂，而橡膠粉屬于彈性體，大量的微小橡膠粉在緩解混凝土材料內(nèi)部拉應(yīng)力的同時，有效填充了部分應(yīng)力集中點(diǎn)，延緩了開裂的時間和寬度。

3 結(jié)語

針對泡沫混凝土在橋涵回填工程中應(yīng)用時出現(xiàn)的問題，在借鑒以往學(xué)者利用橡膠改善混凝土性能的基礎(chǔ)上，將廢舊橡膠輪胎通過研磨等工序制成橡膠粉，分別以0、3%、6%、9%、12%摻量加入泡沫混凝土中，制備出橡膠粉改性泡沫混凝土，通過濕密度、流動度、抗壓強(qiáng)度和抗裂性能測試，得到適用于橋涵回填的新型泡沫混凝土，為此得出以下結(jié)論：

(1)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，濕密度呈升高的趨勢，且始終>1 000 kg/m3，可滿足各級公路橋涵回填工程。

(2)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，流動度數(shù)值逐漸降低，且橡膠粉摻量在0～9%時，流動度符合橋涵回填指標(biāo)。

(3)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，隨著橡膠粉摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先略微升高再降低的趨勢，3 d、7 d、28 d強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在6%摻量處，0～12%摻量范圍內(nèi)強(qiáng)度均達(dá)到橋涵回填工程要求。

(4)摻入橡膠粉顆粒的改性泡沫混凝土，大量的微小橡膠粉可緩解混凝土材料內(nèi)部拉應(yīng)力，在很大程度上抑制了裂縫的發(fā)生，且隨著摻量的增加，抗裂性能改善越明顯。