廢舊輪胎橡膠粉細度對水工混凝土抗凍融性能的影響

楊海全

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300）

0 引言

廢舊輪胎是一種常見的固體廢棄物，是一種危害自然生態(tài)的垃圾[1]。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車保有量的不斷攀升，必然產(chǎn)生大量的廢舊輪胎和橡膠制品。因此，如何對廢舊輪胎進行處理和資源化利用就成為亟待解決的問題。目前，我國的廢舊輪胎回收利用主要以生產(chǎn)再生膠為主，而西方一些國家則主要以膠粉利用為主。將廢舊輪胎制成膠粉，可以直接用于生產(chǎn)橡膠制品、建筑材料；將橡膠顆粒摻入水工混凝土，可以有效改善混凝土的抗裂性能，提升其隔熱保溫和耐久性[2]。顯然，橡膠顆粒對水工混凝土性能的影響主要取決于橡膠顆粒的摻量和顆粒大小。目前的研究主要集中于橡膠顆粒摻量對混凝土性能的影響，針對橡膠顆粒大小對混凝土性能影響的研究不多，特別是缺少橡膠顆粒大小對水工混凝土抗凍性能的影響研究[3]?；诖?，此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討不同目數(shù)廢舊輪胎橡膠粉對水工混凝土抗凍融性能的影響，以便為相關工程應用提供支持和幫助。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的水泥材料為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能如表1 所示。由表1 的數(shù)據(jù)可以看出，其各項指標均滿足相關施工規(guī)范的要求，可以用于此次試驗研究。

表1 水泥材料物理性能

試驗用砂為天然砂，符合JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》要求，細度模數(shù)為2.7 的中砂，其堆積密度為2 350 kg/m3，含泥量不超過3.5%；試驗中粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，符合JGJ 52-2006 要求，其壓碎率為5.8%，堆積密度為2 430 kg/m3；試驗用水為普通自來水；試驗用減水劑為聚羥酸減水劑，其推薦摻量為2.7 kg/m3。

試驗用廢輪胎橡膠顆粒目數(shù)為20～120 目。由于汽車輪胎在生產(chǎn)過程中需要使用硬脂酸鋅，橡膠顆粒中含有一定量的硬脂酸鋅，會導致橡膠顆粒與水泥砂漿黏結(jié)作用的下降[4]。因此，在橡膠混凝土制備之前首先利用氫氧化鈉溶液浸泡橡膠顆粒，再用清水清洗，以除去橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅。

1.2 試驗方案

鑒于橡膠顆粒摻量也是影響水工混凝土物理力學性能的重要因素，為保證試驗結(jié)果的科學性和有效性，在試驗中選擇5%，10%和15%等3 種不同的體積取代率取代混凝土制作過程中的天然砂，制成廢舊橡膠顆粒混凝土[5]。同時，結(jié)合此次研究的主要目的，每種不同的取代率再設計20，40，60，80，100 和 120 目等不同的細度等級進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果的對比，獲得橡膠顆粒細度對混凝土抗凍融性能的影響。

1.3 試件制作

由于試驗中使用的橡膠顆粒粒徑較小，在混凝土的制作過程中容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，從而對試驗結(jié)果的科學性和準確性造成影響[6]。為保證橡膠粉能夠均勻分散到混凝土拌合物中，需要將橡膠粉和水泥攪拌均勻。在混凝土制作過程中，先將砂子、石子倒入攪拌機攪拌60 s，然后加入水泥和橡膠粉的拌合物再攪拌30 s，最后加入水和減水劑攪拌120 s[7]。

試驗中采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試模，將攪拌好的混凝土材料裝入試模，然后在振動臺上振動20～30 s。將制作完成的試件在陰涼通風處靜置24 h 后拆模并編號，然后放入標準養(yǎng)護室，在20 ℃和相對濕度為95%的條件下養(yǎng)護至標準齡期進行抗凍性能測試。

1.4 試驗方法

將養(yǎng)護至標準齡期的試件從養(yǎng)護室內(nèi)取出，在清水中浸泡4 d 后取出試件稱量其質(zhì)量，將其放入凍融試驗箱內(nèi)進行凍融試驗，在試驗過程中保持試驗盒內(nèi)水面的高度始終高出試件頂面5 mm。試驗中每個凍融循環(huán)持續(xù)4 h，其中冷凍溫度為-18 ℃，時間為3 h；融化溫度為5 ℃，時間為1 h。結(jié)合相關試驗經(jīng)驗，此次研究進行100 次凍融循環(huán)試驗。根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算出試件的質(zhì)量損失率、相對動彈模量及抗壓強度損失率[8]。

2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗中獲得的數(shù)據(jù)，計算獲取不同試驗方案下試件的質(zhì)量損失率、相對動彈模量、抗壓強度損失率。根據(jù)計算結(jié)果，繪制質(zhì)量損失率、相對動彈模量、抗壓強度損失率的變化曲線，如圖1-3所示。

圖1 質(zhì)量損失率變化曲線

由圖1-3 可以看出，橡膠粉取代率對質(zhì)量損失率、相對動彈模量、抗壓強度損失率均存在比較明顯的影響，過小和過大的取代率都不利于三者的控制，橡膠粉的細度對三者也存在比較顯著的影響，從圖1 可看出，隨著橡膠粉目數(shù)的增加，不同取代率方案下的試件的質(zhì)量損失率都呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當橡膠粉為100 目時試件的質(zhì)量損失率最小。從圖2 可以看出，隨著橡膠粉目數(shù)的增加，不同取代率方案下的試件的相對動彈模量都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點，當橡膠粉為100 目時試件的相對動彈模量最大。究其原因，主要是橡膠粉為疏水性材料，在混凝土制備過程中其表面很容易攜帶氣泡，因此具有一定的引氣作用，從而有效提升混凝土的抗凍性能。同時，當橡膠粉的粒徑越小，上述作用越明顯，因此試件的相對動彈模量增大。但是，過細的橡膠粉不利于混凝土整體性的提高，因此相對動彈模量有所增大。從圖3 可以看出，隨著橡膠粉目數(shù)的增加，不同取代率方案下的試件的抗壓強度損失率都呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當橡膠粉為100 目時試件的抗壓強度損失率最小?？傮w來看，當橡膠粉為100 目時可以獲得最佳的抗凍性能。

圖2 相對動彈模量變化曲線

圖3 抗壓強度損失率變化曲線

3 結(jié)語

將廢舊輪胎橡膠粉用于水工混凝土制作具有顯著的工程價值、經(jīng)濟價值和環(huán)境價值，是學術界和工程界研究和關注的重要領域。此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討分析了廢舊輪胎橡膠粉細度對水工混凝土抗凍性能的影響。試驗結(jié)果顯示，橡膠粉為100 目時，水工混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率最小，相對動彈模量最大，為最佳摻量，建議在工程設計中采用。此次試驗研究為基于室內(nèi)人工模擬環(huán)境所進行的耐久性試驗，在實際的環(huán)境中混凝土所服役的情況更為復雜，因此，可以考慮通過設置實驗站等手段，在實際的環(huán)境下進行試驗，探究實際服役過程中廢舊輪胎橡膠粉目數(shù)對水工混凝土抗凍性的影響，以保證研究結(jié)論的科學性和有效性。