硅灰橡胶集料混凝土力学性能试验研究

柳颖臣 ，邓海斌 ，王海龙 ，吴坚荣

（1.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000；2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

随着汽车工业的迅猛发展，废旧轮胎数量急剧增加，据2009年统计数据，我国汽车轮胎年产量达到3.8亿条，年报废轮胎超过2.2亿条，数量惊人。废旧轮胎不易降解，填埋后对环境的污染较大，如果焚烧则会带来大气污染，如何处理日益增加的废旧轮胎已经成为一个非常严重的环境问题。现今采用的处理和回收利用废橡胶的途径主要有：生产再生胶、热裂解回收有机物和热能及生产胶粉等。前两者由于存在环境和经济的合理性问题正在逐渐被淘汰；生产胶粉将是今后废橡胶回收利用的主要途径。胶粉利用较成熟的技术是用以改性沥青路面和制备橡胶制品，但这些远不能满足废橡胶特别是废旧轮胎增长的要求。于是，急需要再开辟一条新的有效方法将废旧轮胎资源化，效益化。

根据美英等国家近期研究可以发现：如果将橡胶粉掺入混凝土可以增加混凝土的韧性，有效改善其抗冲击性和抗震性能[1-9]。据统计2012年我国水泥产量达到21.84亿吨，混凝土用量达到近35亿立方米，如果将废旧轮胎材料和混凝土相结合，即使在混凝土中掺入5%胶粉，将会消耗1.75亿立方米的橡胶粉。这不仅一定程度上解决了废轮胎橡胶的处理问题，而且其资源化再利用也有利于我国的资源和环境问题，而且相关产业也会得到促进与发展。

因此，本研究探索粗细橡胶颗粒以不同替换比例取代天然骨料后对混凝土力学性能的影响规律，以及掺入硅粉对其力学性能进行优化的效果。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥：杭州三狮水泥有限公司生产的P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，安定性良好，其主要性能指标符合标准 GB8076-1997规定；粗骨料：碎石，最大粒径16 mm；细骨料：河砂，最大粒径2.5 mm；拌合水为自来水；废轮胎橡胶细颗粒：8目；废轮胎橡胶粗颗粒：最大粒径16 mm，内有少量尼龙绳和铁丝等杂质，表观密度1.077 g/cm3。

1.2 混凝土配合比

用废轮胎橡胶粗颗粒取代混凝土中的粗骨料、细颗粒取代混凝土中的细骨料，体积取代率分别为10%、25%、50%、100%，对各组进行力学性能对比试验研究。在确定合适的橡胶颗粒取代比例后，利用矿物掺合料硅灰对橡胶集料混凝土的材料性能进行优化，为了探究废轮胎橡胶颗粒与硅灰复掺的复合效应。 混凝土的配合比为水泥∶砂子∶石子∶水=1∶1.10∶2.04∶0.43。混凝土设计强度等级为C35。单位用水量为220 kg/m3，砂率为35%。具体配合比详见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 混凝土制备及测试指标

轮胎橡胶颗粒混凝土的制备工艺为：按照所需数量称取各种材料，按石、水泥、橡胶颗粒或者橡胶粉、砂的顺序依次装入搅拌机，干拌 30 s，加入一半的水继续搅拌30 s，然后加入剩余的水和适当的减水剂搅拌 1 min。

按照《实用建筑材料试验手册》测试每组配合比新拌混凝土的坍落度、7天以及28天混凝土的立方体抗压强度、抗折强度、以及应力应变关系曲线。测试立方体抗压强度所用试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测试抗折强度以及应力应变关系曲线所用试件的尺寸为l00 mm×l00 mm×400 mm。

2 试验研究结果及讨论

2.1 混凝土的破坏特征

与普通混凝土相比，轮胎橡胶混凝土表现出更明显的韧性。不像普通混凝土，轮胎橡胶混凝土的破坏并不是突发性的、骤裂的，试件受压破坏时也不会产生大量碎块。其裂缝宽度要明显小于普通混凝土，而且其破坏过程更加柔和缓慢，征兆也更加明显；试件受压破坏后没有分离的碎块，整个试件基本连接在一起，其韧性得到了显著的提高。

2.2 立方体抗压强度

试验测得的各组混凝土7天及28天的立方体抗压强度如图1所示。由试验结果可以看出：与普通混凝土相比，含有橡胶集料混凝土的抗压强度明显下降，而且随着橡胶含量的增加，混凝土的抗压强度降低越明显。当粗橡胶100%替代率石子后混凝土的28天抗压强度仅有5.3MPa，降幅高达87%。在相同的替代条件下，利用细橡胶粉替代砂子的混凝土抗压强度要高于用粗橡胶颗粒替代石子的混凝土。一般来说，粗橡胶颗粒对于混凝土的强度影响程度更大，但是在替代比例较小的情况下，粗橡胶骨料和细橡胶骨料对混凝土强度的影响差别很小，此替代比例约为10%。

由图1还可以看出：橡胶集料混凝土掺入硅粉后，与橡胶颗粒相同替代比例的未掺组相比，混凝土抗压强度提高了30%～40%以上。由此可见，硅粉对于橡胶混凝土强度的提高具有很强的促进作用。通过对比28天的抗压强度还可以看出，当橡胶集料混凝土中天然粗细骨料的替代率不大于10%时，硅粉的掺入使得橡胶集料混凝土的强度超过了普通混凝土的强度。而且硅粉的掺入对橡胶集料混凝土后期强度的提升更为显著。

图1 不同配合比橡胶集料混凝土的立方体抗压强度

2.3 抗折强度

试验测得的各组混凝土28天的抗折强度如图2所示。由图2可以看出：随着橡胶含量的增加，混凝土的抗折强度呈明显的下降趋势；橡胶含量越高，降低幅度越大。细橡胶粉替代砂子的F型混凝土总体强度要优于同比例的C型混凝土，F型混凝土强度的降幅也小于C型混凝土。但是，当橡胶掺配比例小于或者等于25%时，C型与F型混凝土的抗折强度值相差较小。这说明当橡胶含量低于某一定值时，橡胶骨料的颗粒大小因素对混凝土的抗折强度影响可以忽略，此值约为25%，当橡胶骨料超过这个含量就会对混凝土的强度产生较大的影响。

采用硅粉对橡胶集料混凝土进行优化改性后，混凝土的抗折强度有明显的改善。对比同样掺和比例的F型与C型混凝土，硅粉掺入后，橡胶颗粒越粗，对混凝土抗折强度的削弱越明显。对比抗压强度硅粉对橡胶集料混凝土抗折强度的改善相对较弱，因此当实际应用中对混凝土材料的抗拉强度要求较高时，还需要严格控制橡胶骨料的含量以及骨料的颗粒大小。

2.4 弹性模量与应力应变关系曲线

试验所得的各组混凝土应力应变关系曲线如图3所示。由此图可以得出：橡胶颗粒的掺入增加了混凝土的延性，特别是细橡胶骨料混凝土的延性有了较大幅度的增长；当粗橡胶颗粒的掺量小于10%、细橡胶颗粒掺量小于25%并采用硅灰进行材料改性后，混凝土的强度和韧性有了明显改善；这些改变有利于混凝土的抗冲击和抗震性能。

由图3还可以看出：与普通混凝土相比，掺入橡胶集料的混凝土弹性模量均低于普通混凝土，且各组混凝土弹性模量满足如下规律，C25>C50>C100，F10>F25>F50>F100，随着橡胶含量的增加，弹性模量呈明显的下降趋势。其主要原因是：与砂石骨料相比，橡胶颗粒本身的弹性模量很低，掺入后使得复合材料的弹性模量下降。

图2 不同配合比橡胶集料混凝土的抗折强度

图3 不同配合比橡胶集料混凝土的应力应变关系曲线

比较粗、细橡胶对混凝土弹性模量的影响可以发现：当橡胶含量相同时，粗橡胶颗粒混凝土弹性模量低于同类型细橡胶骨料混凝土，而且橡胶颗粒粒径越大，对弹性模量的影响程度也越大。当加入硅粉后，橡胶集料混凝土的弹性模量有明显提升，其弹性模量与普通混凝土的弹性模量相当，由此可再次证明硅粉的使用可以优化橡胶混凝土的力学性能。

3 结论

（1）轮胎橡胶颗粒替代砂石骨料掺入混凝土中，对混凝土力学性能有一定程度的削弱，其立方体抗压强度，抗折强度以及弹性模量均随着轮胎橡胶骨料含量的增加而降低。

（2）橡胶颗粒的大小亦是影响混凝土力学性能的一个重要因素。粗橡胶颗粒对于强度的削减作用要明显大于细橡胶粉。因此工程应用中可以采用减小橡胶骨料粒径，或将一部分粗颗粒替换成细橡胶粉的方式来满足强度的需要。

（3）当粗橡胶颗粒掺量不超过10%，细橡胶粉掺量不超过25%时，改性后混凝土力学性能没有太大的削弱。而且在此掺量下，掺入少量的硅灰，就可以大大提升橡胶集料混凝土的力学性能，使其强度接近于普通混凝土，甚至在某种程度上优于普通混凝土。因此，可以通过调整粗细橡胶骨料的含量、或掺入硅灰来调整或优化混凝土的性能。

（4）与普通混凝土相比，轮胎橡胶混凝土破坏过程更加柔和缓慢，破坏时的现象和应力应变曲线也都表明橡胶集料混凝土、特别是细橡胶集料混凝土具有更好的韧性，可以增加材料的抗冲击性和抗震性能。

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