胶粒混凝土抗冲磨性能研究

张迎雪，娄宗科，高 凤，张 臻(西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌712100)

0 引 言

废旧橡胶是固体工业废物的一种，随着汽车工业迅猛发展，废旧轮胎的产生量迅速增长，已成为一个新的污染源。将废旧轮胎胶粒掺入混凝土中，既能减少固体废弃物，又能改善混凝土的一些性能, 将胶粒用于混凝土引起了广大学者的关注。

混凝土是一种脆性材料，导致混凝土的高强化具有局限性[1]，因此高强混凝土的一个研究焦点是改变传统混凝土的脆性材料特性。掺杂橡胶集料的混凝土是新型“弹性混凝土”，国外较早地开展了对该种混凝土的研究。Fattuhi[2]采用的胶粒粒径为1～16 mm和0.5～5 mm两种类型，分别取代细骨料和粗骨料，对胶粒混凝土冲击能试验表明，冲击性能试验说明胶粒混凝土相对于普通混凝土的韧度大，受冲击时吸收能量的能力也较强。李光宇[3]选取颗粒粒径为 8、14、16、28 目的胶粒, 分别按水泥质量的3%、6%、9%、12%、15%掺入混凝土,对混凝土力学性能进行试验,结果表明,混凝土强度、弹性模量随橡胶粒粒径的减小和掺量的增加而降低；胶粒的掺入可提高混凝土的抗冲耐磨性能, 在掺量一定的前提下, 抗冲耐磨强度提高3倍，与同水泥用量的硅粉混凝土相比, 抗冲耐磨强度提高2倍。宋少民[4]等研究了掺入胶粒对混凝土抗压强度、抗折强度及抗冲击性能的影响，提出以下观点：将废胎制成的胶粒以一定掺量加到混凝土中，填充空隙，改善水泥与骨科的界面状况，能够约束微裂缝的产生和扩展，并形成吸收应变能的结构变形中心，可吸收振动能，从而明显改善混凝土的抗冲击性，提高混凝土的抗震性能。上述研究都涉及胶粒粒径和掺量对胶粒混凝土性能的影响，但关于影响胶粒混凝土抗冲磨性能的主要因素对胶粒混凝土抗冲磨性能的影响程度，以及各因素之间的最佳配比的研究较少。

本文通过机械的方式将废旧轮胎粉碎、研磨等加工处理得到小于5 mm的颗粒胶粒，并按一定的比例替代等体积的砂子配制成胶粒混凝土。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

(1)水泥。盾石牌P·O 32.5R 级水泥，经原材试验得出水泥的各种性能均满足国家标准规定的指标。

(2)粗骨料。粗骨料为渭河卵石，II 级配卵石。

(3)细骨料。细骨料为渭河河砂，表观密度为2 700 kg/m3，堆积密度为1 550 kg/m3，泥质量分数为2.21%。砂的细度模数为2.27，属中砂，级配合格。

(4)胶粒。西安市长乐维康再生胶厂生产的14目和28目胶粒。

(5)水。满足规范的试验室自来水。

1.2 试验设计

为了提高混凝土抗冲磨性能的能力，在普通混凝土中加入废旧的胶粒来提高其抗冲磨性能，胶粒的掺入选用等体积取代砂法[5]。考虑到水灰比对普通混凝土抗冲磨性能的影响较大，本文利用混合正交设计的原理进行试验，选用3个试验因素：胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比，研究胶粒混凝土抗冲磨性能与各影响因素的关系，找出胶粒混凝土抗冲磨性能最优配合比方案。

1.3 试验因素水平

本次试验采用混合的正交设计安排试验。根据L8(41×22)正交组合设计安排8组试验点用于测定胶粒混凝土的抗冲磨性能，每组3个试件，共24个试件。试验因素水平见表1。

表1 胶粒混凝土抗冲磨性能试验因素水平表Tab.1 The factor level of abrasion resistance properties of rubber concrete

1.4 试验方法

本试验采用《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)[6]规定的混凝土抗冲磨试验测试。按照配合比配制成胶粒混凝土进行拌和，坍落度满足要求后装模，放在振捣台上振动 30 s后成型，在试件成型1d后拆模，随后放入养护室，标准养护28d后，用水下钢球法进行抗冲磨试验。

(1)试验前，试件在水中浸泡48 h。

(2)试验时，取出试件，擦去表面水分，称量(并记为M0)，将试件放入钢容器，由1 200 r/min转速的叶轮带动水和70个大小不等的钢球摩擦试件表面72 h。

(3)取出试件，清洗干净,擦去表面水分，称量(并记为MT)，计算试件的磨损率。

磨损率按下式计算:

(1)

式中:L为磨损率, %；M0为试验前试件的质量, kg；MT为试验后试件的质量, kg。

2 试验结果分析与讨论

2.1 拌和过程中的胶粒混凝土性能参数及其分析

混凝土拌和物性能的好坏影响混凝土的力学性能与耐久性能，坍落度是衡量混凝土拌和物性能的重要指标；另外，混凝土拌和物的含气量也会影响混凝土的性能，含气量增大能增强拌和物黏性，减少拌和物离析和泌水，改善混凝土耐久性[7]，在搅拌成型过程中，得到表2各编号混凝土具体参数。

表2 各编号胶粒混凝土具体参数Tab.2 Number of concrete specifications

由表2可知，掺入胶粒以后，胶粒混凝土的含气量比基准混凝土的含气量大，且含气量随掺量的增加而递增，掺加的胶粒颗粒越小，拌和物含气量增加幅度越大。胶粒混凝土的坍落度比基准混凝土的坍落度低，且随着胶粒掺量的增加, 坍落度逐渐降低，胶粒混凝土的表观密度随胶粒掺量的增加而减小。

2.2 正交试验结果及其分析

2.2.1正交试验结果极差分析

对胶粒混凝土的抗冲磨性能的试验结果进行极差分析, 借助极差分析，可以得出研究因素对评价指标的影响，并得出各因素的最适宜量和配比，极差分析所得结果见表3。

在试验因素水平变化范围内, 按照极差的大小, 影响胶粒混凝土抗冲磨性能因素的主次顺序为：胶粒掺量>胶粒粒径>水灰比。掺入胶粒后，胶粒混凝土的磨损率较基准混凝土有所降低，表明掺入胶粒能提高胶粒混凝土的抗冲磨性能。且随着胶粒掺量的增加，胶粒混凝土的磨损率逐渐降低，在此次试验条件下，得到降低胶粒混凝土磨损率的最优组合为胶粒掺量为12%，胶粒粒径为14目，水灰比为0.55。

表3 正交试验结果及极差分析Tab.3 The result of orthogonal experiment and poor calculation

为了进一步说明胶粒混凝土抗冲磨性能随其影响因素的变化规律，建立胶粒混凝土磨损率K值与各因素的关系图，见图1。

图1 磨损率K值与各因素关系图Fig.1 Each of factors for abrasion resistance properties of rubber concrete

由图1可知，胶粒混凝土的磨损率会随着胶粒掺量的增加逐渐下降，由表3可得，当胶粒掺量为0%时，磨损率为2.62%，当胶粒掺量为4%时，磨损率从2.62%下降至1.38%，下降1.24%。当胶粒掺量为12%时，磨损率从1.38%下降至0.33%，此时，胶粒混凝土的掺量增加8%，磨损率却只下降1.05%，下降幅度占总下降幅值的46%，下降速率明显减慢。说明，掺入胶粒以后，可提高胶粒混凝土的耐磨性，但只是在一定范围内。

2.2.2正交试验结果方差分析

为了确定各试验因素对胶粒混凝土抗冲磨的影响程度，找出对胶粒混凝土的有显著影响试验因素，排除对胶粒混凝土无显著影响的试验因素，将试验结果进行方差分析，分析结果如表4。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

方差分析表明：胶粒掺量对胶粒混凝土抗冲磨性能有极显著影响，水灰比对胶粒混凝土抗冲磨性能显著影响，胶粒粒径对试验结果的影响不显著，这与极差分析的结果相符。

3 回归分析

为了对胶粒混凝土的抗冲磨性能进行预估，利用SPSS软件对试验得到的胶粒混凝土的抗冲磨性能与各因素水平进行回归分析，得到胶粒混凝土抗冲磨性能的多元回归方程如下式所示

y=-0.181X1+0.006 5X2+3.812 5X3-0.012 4

式中：y为磨损率；X1为胶粒掺量；X2为胶粒粒径；X3为水灰比。

由各组试验数据分别计算出模型回归值及残差，得到回归方差分析情况如表5。

表5 回归方差分析Tab.5 Regression analysis of variance

由表5可知，检验统计量F的值为24.733>F0.01(3,4)=16.69，回归方程的显著性水平达到0.005，因此回归方程的相关性非常显著。

4 结 论

(1)掺入胶粒以后，胶粒混凝土的含气量比基准混凝土的含气量大，且胶粒混凝土的含气量随胶粒掺量的增加而显著增加, 胶粒混凝土的坍落度随胶粒掺量的增加呈现下降的趋势。

(2)通过极差、方差分析表明：胶粒掺量和水灰比是影响胶粒混凝土抗冲磨性能的显著因素，胶粒粒径为不显著因素，影响顺序为：胶粒掺量>水灰比>胶粒粒径，掺入胶粒以后，胶粒混凝土的磨损率降低，最低可为基准混凝土的55%，说明胶粒可以改善混凝土的抗冲磨性能，且胶粒混凝 土的磨损率随着掺量的增加，降低速率减慢。

(3)胶粒混凝土抗冲磨性能与胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比之间存在着良好的线性关系，得出的线性回归方程非常显著。

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[1] 路沙沙.橡胶颗粒掺量、粒径影响橡胶混凝土性能的试验分析[J].硅酸盐通报,2014,(10):6-8.

[2] Fattuhi N I, Clark L A. Cement-based materials containing shredded scrap truck tyre rubber[J]. Construction and Building Materials,1996,10(4):229-236.

[3] 李光宇.废橡胶粉混凝土力学及抗冲耐磨性能试验研究[J].混凝土,2008,(2):87-89.

[4] 宋少民,刘娟红.橡胶粉改性的高韧性混凝土研究[J].混凝土与水泥制品,1997,(1):10-11.

[5] 杨春峰,杨 敏.废旧橡胶混凝土工作性能试验研究[J].混凝土,2013,(5):36-39.

[6] SL352-2006,水工混凝土试验规程[S]

[7] 杨卫坤. 橡胶混凝土拌和物性能试验研究[J].人民黄河2011,(9):122-124.