废旧轮胎胶粒对混凝土早期抗裂性能的影响研究

废旧轮胎胶粒对混凝土早期抗裂性能的影响研究

赵亮1，陈德鹏1, 2

(1. 安徽工业大学建筑工程学院，马鞍山 243002；2. 安徽工业大学绿色建材研究所，马鞍山 243002)

摘要：试验设置胶粒掺量与胶粒粒径两组变量，采用平板试件，评价橡胶混凝土成型24 h后早期抗裂性能。并结合试验结果，分析胶粒掺量与粒径对混凝土早期抗裂性能的影响。试验结果表明:胶粒掺量较小时，混凝土早期抗裂性能随胶粒粒径的减小而提高，但当胶粒掺量较大时呈现先减弱后增强的趋势；胶粒粒径较大时，混凝土早期抗裂性能随胶粒掺量的提高而增强，相反，呈现先减弱后增强的趋势。

关键词：橡胶混凝土；胶粒掺量；胶粒粒径；早期抗裂性能

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.010

Abstract:Rubberized concrete crack resistance after molding 24 hours later was evaluated with plate method and two variables including size and adding amount of rubber particles. On the basis of experimental results, influence of size and adding amount of rubber particles on the rubberized concrete crack resistance at early age was analyzed. Experimental results indicated that when the adding amount of rubber particles is low, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the particle size decreases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the adding amount of rubber particles is high. In addition, when the size of rubber particles is large, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the adding amount increases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the particle size is small.

收稿日期：2015-05-11.

基金项目：国家级大学生创新训练项目(201310360034)；安徽省自然科学基金项目(1308085QE83).

作者简介：赵亮(1993-),本科生.E-mail:zhaolianggs@hotmail.com

Influence of Waste Tire Rubber Particles on Concrete

Crack Resistance at Early Age

ZHAOLiang1,CHENDe-peng1, 2

(1.School of Civil Engineering，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China；

2. Institute of Green Building Materials，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China)

Key words:rubber concrete;adding amount of rubber particles;size of rubber particles;crack resistance at early age

废旧轮胎成为新的环境污染问题已是不争的事实。目前，我国已成为仅次于美国的第二大废旧轮胎产生国家，同时废旧轮胎的数量也在不断增加，2010年中国汽车废旧轮胎已达3亿条(300万t)以上，快速增多的废旧轮胎已成为新的固体废弃物污染源，加大了对资源与环境的压力。

通常，废旧轮胎的回收利用途径主要有5种[1]，包括旧轮胎翻新、生产胶粉、生产再生胶、热裂解及土法炼油，而这些方法或因面临技术和经济的双重制约或因严重污染环境而均无法得到大规模的推广。橡胶混凝土是利用废旧轮胎胶粒取代部分混凝土掺合料以期利用混凝土这一大宗建筑材料作为平台拓展废旧轮胎回收利用途径并在此过程中改善混凝土自身性能的新型混凝土。目前，橡胶混凝土的开发利用尚处于起步阶段，并且大多数研究者仅将目光集中在橡胶混凝土的力学性能及工作性能上[2-4]，而忽视了另一能够决定其能否被广泛推广的重要因素，即：橡胶混凝土的抗裂性能。虽然，一些研究者进行了与混凝土抗裂性能相关的试验，得出了胶粒具有提高混凝土抗裂性能的结论[5]，并且大多在胶粒粒径一定的前提下设置胶粒掺量变化梯度得出橡胶混凝土抗裂性能在胶粒掺量影响下的变化趋势。而事实上，橡胶混凝土抗裂性能，尤其是早期抗裂性能，不仅受胶粒掺量的影响，同时也受胶粒粒径的影响。因此，在橡胶混凝土抗裂性能试验中综合考虑胶粒掺量与胶粒粒径的变化，并通过分析试验结果得出其中规律对橡胶混凝土的推广有积极的指导意义。

1试验材料与方法

橡胶混凝土阻止裂缝的试验评价方法目前还不统一，一般采用对比试验的方法得出混凝土裂缝降低率。试验所采用的试件形式可分为两类，一种是平板试件，一种是圆筒试件。

平板试件是将试件四周用锚栓锚固在模框上，试件底面用塑料薄膜与底模隔离，试件浇筑完毕后按规定的时间开始进行干燥暴露试验。平板试件在进行数据测量前不需要拆除周围模板，操作简便，开始干燥的试件容易控制，暴露面接受吹风时比较均匀，量测裂缝长度与宽度的操作也较为方便，所以本试验采用平板试件[6]。

1.1　原材料

水泥为安徽省马鞍山市十七冶水泥厂42.5普通硅酸盐水泥；砂为河砂，细度模数2.6；石子为花岗石碎石，最大粒径30 mm；胶粒采用浙江省金华市华科橡胶有限公司钢丝胎粉磨精细橡胶粉。

1.2　试验配合比

拟定配合比为：c∶w∶s∶g= 0.49∶1∶2.38∶1.58,胶粒等体积取代混凝土，胶粒密度按1 g/cm2计算。

试验分组见表1。

表1　试验分组记录表

1.3　试验方法

1)试件制作混凝土试件采用600 mm×600 mm×63 mm的片面薄板。模具边框用63 mm×40 mm×6.3 mm的槽钢制作，边框内设Φ6双排栓钉，间距40 mm，栓钉分别按50 mm和100 mm长短间隔布置，100 mm栓钉在上层，50 mm栓钉在下层。底板采用20 mm厚的密度板，在底板上铺设聚乙烯薄膜隔离层。图1为模板实物图。

橡胶混凝土采用强制式搅拌机，拌合方法采用先干后湿法，即先加水泥、砂、石、胶粒干拌1～2 min，然后加水湿拌2～3 min。

试件在浇筑、振实、抹平后立即用塑料薄膜覆盖，2 h后取下薄膜，正式开始试验。用吹风系统吹试件表面，风向平行试件表面，风速5 m/s，通过KIMO-VT100型风速仪监测试件表面风速，环境温度(30±2)℃。成形后24 h，观察所有试件裂缝数量、宽度和长度，并计算相关评价参数。

2)裂缝测量裂缝长度以肉眼可见裂缝为主，用钢尺测量其长度，近似取裂缝两端直线距离为裂缝长度，当裂缝出现明显弯折时，以折线长度之和代表裂缝长度。用DJCK-2裂缝测宽仪测读裂缝宽度。

1.4　早期抗裂性能评价

定量分析混凝土的裂缝开展可以通过4 个参数[7]来描述：平均开裂面积a、总开裂面积c、总开裂长度、总开裂数。其中前2个参数分别按照下列方法计算

式中，Wi为第i条裂缝的最大宽度；Li为第i条裂缝的长度；N为所试验面积内的总开裂条数。

c=aN

式中，a、N分别为平均开裂面积和总开裂条数。

2试验结果

根据既定试验分组和试验方法进行橡胶混凝土早期抗裂性能试验，结果见表2。

表2　抗裂性能试验结果统计表

2.1　裂缝总数

图3表现出橡胶混凝土早期裂缝总数由于胶粒掺量与粒径的不同而发生的变化。

可以得出：①胶粒掺量为5%时，混凝土早期裂缝总数随胶粒粒径的减小而降低；②胶粒掺量为10%与15%时，混凝土早期裂缝总数随胶粒粒径的减小呈现先增长后降低的趋势；③胶粒粒径较大时，胶粒掺量越大混凝土早期裂缝数越少，但随着粒径的减小，胶粒掺量越大混凝土早期裂缝数越多。

2.2　裂缝总长

图4表现出橡胶混凝土早期裂缝总长由于胶粒掺量与粒径的不同而发生的变化。

可以得出：①胶粒掺量为5%时，混凝土早期裂缝总长随胶粒粒径的减小而降低；②胶粒掺量为10%与15%时，混凝土早期裂缝总长随胶粒粒径的减小呈现先增长后降低的趋势；③胶粒粒径较大时，胶粒掺量越大混凝土早期裂缝总长度越小，但当胶粒粒径较小时，混凝土早期裂缝总数随胶粒掺量的增大呈现先增长后降低的趋势。

2.3　裂缝平均面积

图5表现出橡胶混凝土早期裂缝平均面积由于胶粒掺量与粒径的不同而发生的变化。

可以得出：①胶粒粒径较大时，胶粒掺量越大混凝土早期裂缝平均面积越小，但当胶粒粒径较小时，混凝土早期裂缝平均面积随胶粒掺量的增大呈现先增长后降低的趋势。

2.4　裂缝总面积

图6表明橡胶混凝土早期裂缝总面积由于胶粒掺量与粒径的不同而发生的变化。

可以得出：①胶粒掺量为5%时，混凝土早期裂缝总面积随胶粒粒径的减小而降低；②胶粒掺量为10%与15%时，混凝土早期裂缝总面积随胶粒粒径的减小呈现先增长后降低的趋势；③胶粒粒径较大时，胶粒掺量越大混凝土早期裂缝总面积越小，但当胶粒粒径较小时，混凝土早期裂缝总面积随胶粒掺量的增大呈现先增长后降低的趋势。

3废旧轮胎胶粒混凝土早期抗裂性原因分析

在试验论证的基础上，废旧轮胎胶粒对混凝土早期抗裂性能的提高毋庸置疑，而其影响混凝土早期变形行为的原因亦是多方面的，具体包括：

1)废旧轮胎胶粒作为低弹性模量材料能够为包括塑性收缩、干缩和徐变、碳化收缩、自收缩等在内的混凝土收缩变形行为提供变形空间，并缓冲由上述变形行为产生的内应力，消除空隙中的应力集中，这一结论可以从弹性废橡胶细颗粒混凝土收缩过程中有应力松弛作用和橡胶混凝土具有明显能量耗散功能[8]的相关研究中得到验证[9]。

2)橡胶集料作为分布在混凝土内部的微小伸缩粒子群，会截住混凝土内的微观裂纹，从而减慢或阻止微观裂纹扩展为宏观裂纹[10]。

3)橡胶颗粒表面粗糙、不透水且富有弹性，与水泥浆体的粘结形态要比聚丙纤维等其他混凝土抗裂增韧材料要好[11]，能够在混凝土内部形成分布较为均匀的可伸缩粒子群，显著降低混凝土的弹性模量并提高其韧性。

4)由熵变引起的橡胶形变热效应(拉伸放热、回缩吸热)有助于胶粒在混凝土凝结硬化过程中降低由水泥水化热引起的绝热温升，从而减小与之相关的混凝土温度变形。

5)橡胶颗粒本身不吸水，但保水性良好，掺加到混凝土中，可帮助混凝土降低游离水分的蒸发，从而减少了与失水有关的混凝土收缩及与之相关的收缩应力。

6)橡胶颗粒的掺入，改变了混凝土的孔隙结构，减少了混凝土中的连通孔，阻断了渗水通道，进而降低了混凝土中水分的蒸发和干燥收缩值[12,13]。

已有研究表明：橡胶粉(颗粒)的掺量在10%以下时，可以改善混凝土抗渗性能，掺量超过10%时，抗渗性能就出现下降的趋势[14]；当橡胶颗粒掺量在50 kg/cm3以内时，混凝土的抗渗性随胶粒掺量的增多而增强，当胶粒掺量大于50 kg/cm3时，混凝土的抗渗性随胶粒掺量的增多而减弱[15]；掺入橡胶粉(颗粒)提高了混凝土的抗冻性，在小于15%掺量下，随着橡胶粉(颗粒)掺量增多，混凝土的质量损失越小[16]；将废旧橡胶颗粒掺入混凝土中，可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力，废旧橡胶颗粒的最佳掺量为2%～5%[17]。混凝土早期裂缝促使包括水、硫酸盐、氯酸化物、以亚碳酸形式存在的二氧化碳、阴极氧气等侵蚀性因子的快速渗入是导致混凝土劣化的主要原因之一。因此，掺入废旧轮胎胶粒对混凝土早期抗裂性能的改善应与其耐久性提升密切相关，并具有相似的影响趋势，这亦为本试验相关结论的正确性提供了佐证。

4结论

试验利用平板试件，测量评价混凝土早期抗裂性能的相关参数，可以得出以下结论：

a.胶粒掺量为5%时，混凝土早期抗裂性能随胶粒粒径的减小而提高，当胶粒掺量提高至大于10%后，呈现先减弱后增强的趋势。

b.橡胶混凝土所掺胶粒粒径较大时，混凝土早期抗裂性能随胶粒掺量的提高而增强，而当橡胶混凝土所掺胶粒粒径较小时，呈现先减弱后增强的趋势。

c.综合橡胶混凝土早期抗裂性能随粒径梯度与掺量梯度变化的趋势，大粒径胶粒(10目)更适合以较大掺量掺入混凝土中用以改善混凝土早期抗裂性能。

d.尚需进一步开展经表面处理胶粒与基体间界面的微观分析和基于细观力学的废旧轮胎胶粒混凝土早期抗裂及变形机理研究。

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