废旧轮胎橡胶粉对再生混凝土力学特性的试验研究

王海龙，王 磊，王 培，张 克

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)



废旧轮胎橡胶粉对再生混凝土力学特性的试验研究

王海龙，王 磊，王 培，张 克

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

再生混凝土被视为节约材料的一种重要举措，同时，废旧轮胎橡胶粉的适量掺入可以优化混凝土的性能。为使两种废弃材料合理利用，本文以废旧轮胎橡胶粉和废弃混凝土加工生成的再生骨料为研究对象，研究了外掺废旧轮胎橡胶粉对再生混凝土力学特性的影响。通过对再生混凝土基准组的试验研究，得到了再生混凝土前28 d的强度发育规律，结合此规律并在其他学者研究的基础上拟合出再生混凝土早期抗压强度数学模型；同时，对再生混凝土外掺不同粒径(20目、60目、80目、100目、120目)和不同掺量(3%、6%、9%)的橡胶粉，并研究此情况下橡胶粉对不同龄期再生混凝土的抗压强度的影响。试验结果表明：掺入橡胶粉会降低再生混凝土的抗压强度；当掺入粒径为20目，掺量为3%的橡胶粉时，再生混凝土抗压强度最好。

废旧轮胎橡胶粉； 再生混凝土； 抗压强度； 微观分析

1 引 言

近年来，再生混凝土成为学者们研究的热点。再生混凝土是对废弃建筑材料的再生利用，符合科学发展的观点。大多数学者比较关注对再生混凝土基本力学性能的研究，如对其进行早期抗压、抗折强度的研究[1]；劈裂抗拉、静力弹性模量[2]的分析；有的学者还研究其碳化性能、应力-应变本构关系、抗冻融性和配合比设计[3-6]。对于废旧轮胎橡胶粉的研究也备受学者们关注。如学者王海龙[7,8]的研究表明：橡胶粉的掺入，混凝土抗压强度和弹性模量将会降低；可以调节混凝土的和易性；增加塑性性能。同时学者许金余[9]研究发现：当冻融循环次数相同时，掺量小于100 L/m3时，3种粒径(16目、20目、40目)的橡胶混凝土的质量损失率小于基准混凝土。所以橡胶混凝土具有良好的耐久性、减震性能、抗冲击性、抗爆裂性、隔音隔热等优点[10]。再生混凝土与废旧轮胎橡胶粉具有各自的优点，相比较而言，将两者结合起来进行研究的较少，仍缺乏相关数据的积累。所以，本试验将研究掺入橡胶粉的再生混凝土基本力学性质。

2 试 验

2.1 试验材料

(1)水泥：采用冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥,密度3093 kg/m3；(2)砂：普通河沙，中砂，细度模数2.5，表观密度2623 kg/m3；含水率1%，级配良好；(3)粗骨料：采用废弃的C30强度的混凝土经过颚式破碎机破碎而成的再生骨料，粒径5～20 mm,表观密度2483 kg/m3，含水率2.45%；(4)橡胶粉：20目(A级)、60目(B级)、80目(C级)、100目(D级)、120目(E级)；(5)减水剂：采用DNF高效减水剂，减水率20%，以胶凝材料的2.5%掺入；(6)水：自来水。

2.2 试验设计

本试验以未掺橡胶粉的再生混凝土，设计强度等级C40 为基准组。结合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)和张永娟[6]的计算方法确定基准组(J组)的配合比为m(水泥)∶m(砂)∶m(再生骨料)∶m(水)∶m(减水剂)=1∶1.975∶2.963∶0.449∶0.025。橡胶粉是根据胶凝材料的3%、6%、9%(质量百分比)掺入。

3 结果与讨论

3.1 再生混凝土基准组强度发育分析

根据表1再生混凝土基准组抗压强度与龄期关系可以得到，从强度增长速率分析：再生混凝土组前3 d强度增长速率最快，在8 MPa/d左右；3 d到7 d强度增长速率明显降低，为1.701 MPa/d，但仍高于7 d到14 d以后的强度增长速率；14 d以后强度增长速率较之前下降更大，均小于1 MPa/d，而21 d到28 d的强度增长速率明显要高于14 d到21 d的强度增长速率，所以前7 d的强度增长速率最大。 从相对强度增长率也可以看出：再生混凝土组3 d到7 d相对强度增长率较高，在20%左右；7 d到14 d相对强度增长率降低到10%左右；14 d到21 d最低，在4%左右；21 d到28 d增长速率在6%左右。这说明7 d以后强度增长变慢。从相对抗压强度可以发现：前7 d相对抗压强度可达到72.671%，后21 d仅增长了27.329%，因此前7 d龄期养护产生的强度贡献大。

表1 再生混凝土基准组抗压强度与龄期关系Tab.1 Relationship of compressive strength and age of the recycled aggregate concrete baseline group

总之，从强度增长速率、相对强度增长率和相对抗压强度这三个角度分析再生混凝土基准组的强度发育，均得出结论：前7 d龄期养护产生的强度贡献大，7 d以后强度贡献减小。这与学者张兴才[1]的研究结论一致。

3.2 橡胶粉对再生混凝土强度的影响

试验选用五种橡胶粉粒径(A级、B级、C级、D级、E级)，掺量分别为3%、6%、9%，不同橡胶掺量(相同粒径)对再生混凝土力学性能的影响(见图1)，从图1中的(a)～(e)图可以看到：相同目数的橡胶粉，随着橡胶粉掺量的增加，再生骨料的力学性能逐渐降低，其中3%掺量最佳；与基准组相比，掺入橡胶粉的混凝土都出现了降低趋势，以A组28 d强度为例，对比基准组，随着掺量的增加，抗压强度分别降低了1.06%、7.65%、13.27%。

主要原因归纳于：一是因为橡胶颗粒是弹性材料，弹性模量较小，不能与混凝土其他材料协同承压，所以导致抗压强度降低；第二是由于橡胶粉的掺量越多，会使得试件内部水泥与橡胶粉弱界面增加，削弱了水泥石强度[13]，导致强度降低；同时，因粗糙的橡胶表面易吸附气泡而使得混凝土含气量有一定程度的增加[14]，这都导致强度的降低原因。

图1 橡胶掺量对再生混凝土力学性能的影响(a)A级;(b)B级;(c)C级;(d)D级;(e)E级Fig.1 Effect of rubber content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

图2 掺量3%的不同粒径橡胶粉对再生混凝土力学性能的影响Fig.2 Effect of different rubber particle size with the 3%content on the recycled aggregate concrete mechanical properties

从图1可以得到橡胶粉3%掺量为最佳掺量，为了更好的对比不同橡胶粒径对再生混凝了力学性能的影响(以3%掺量为例)，从图2(掺量3%的不同粒径橡胶粉对再生混凝土力学性能的影响)中可以看到，随着目数的增大(粒径的减小)，再生混凝土强度呈现先减小再增加的趋势(前28 d强度)；并且是以80目为拐点。当龄期为90 d时，掺入橡胶粉的目数越大，再生混凝土强度越低。

归结于以下原因：一是因为橡胶粉是惰性材料，分布在水泥胶砂的内部，但是分布的不太均匀[7]，且随着目数的增加，比表面积越大，越不易拌合，将导致橡胶粉“聚堆”现象的大量出现，从而形成大量的强度薄弱集中区域，导致20目增加到80目时强度降低；二是因为目数越大，对再生混凝土中的微小空隙和裂缝的填充效果就越明显；并且，橡胶粉的粒径越细抑制碱骨料反应的效果越好，119 μm(120目)的橡胶粉抑制碱骨料反应的效果最好[15]，因此导致80目增加到120目时强度回升，使得80目橡胶粉的掺入成为强度拐点；三是，90 d时，橡胶粉表面水泥浆基本水化完全，与橡胶粉形成薄弱核心，掺量相同时，目数越大，薄弱核心就越多，强度损失就越大。

3.3 建立橡胶再生混凝土早期抗压强度数学模型

为了更好的在工程实际分析再生混凝的力学性能，本节参考各个学者的对普通混凝土抗压强度数学模型推导橡胶再生混凝土抗压强度数学模型。

学者朱伯芳[11]提出了普通混凝土的早期抗压强度计算公式：

(1)

我国建筑材料规范给出了普通混凝土的早期抗压强度计算公式：

(2)

式中t为龄期；fcut与fcu,28为龄期为t和28 d时的抗压强度，单位MPa；对于普通硅酸盐水泥：λ=0.1727。

但是，学者苗吉军[12]的研究发现：(2)式虽然形式简洁，但对于砼龄期较短(砼浇筑后5～7 d)时，给出的数值偏小。因此，该学者给出了调整后的强度公式：

y=0.35+0.48·lgt(22.8 ℃)

(3)

式中y为硂早期强度与28 d标准强度值的比值；t为硂的龄期。

根据本次再生混凝土试验值特征，拟合出下列方程：

(4)

分别将再生混凝土基准组带入上述计算方程，与试验值进行对比比较，得到表2。

表2 各公式前28 d抗压强度计算值与试验值比较Tab.2 Comparison of the calculated values with the experimental values of each formula early 28 d compressive strength

由表2可知，(1)、(3)式高估了再生混凝土3 d、7 d的抗压强度，而(4)式对再生混凝土7 d以内的抗压强度估计较为准确；虽然(3)式对14 d强度的估计偏差最小，但其对21 d强度估计的偏差最大，达到6%左右。综合来看，(4)式的计算值与再生混凝土试验值偏差最小；所以，建议再生混凝土前28 d抗压强度公式采用(4)式。

模仿(4)式的形式，对掺入橡胶粉实验组的强度曲线进行拟合。得到其强度计算系数 ,见表3。

表3 强度计算系数Tab.3 Calculation coefficient of strength

3.4 微观结构分析

3.4.1 橡胶粉掺量对再生混凝土力学特性的影响

图3和图4分别为A-3%-28 d和A-9%-28 d电镜照片，[1]区为橡胶颗粒，其余部分为水泥浆体。从图3可以看到，整个画面内仅有一颗橡胶颗粒，且与水泥浆体还未很好结合，之间存在明显的间隙，并且形态区分明显。由于掺量的增加，在图4中存在三个橡胶颗粒，橡胶颗粒均与水泥浆体结合，生成更多的薄弱面；这些橡胶颗粒距离较近，因而形成薄弱区域，这也证实了：掺量的增加易使橡胶粉“聚堆”。因此，随着橡胶粉掺量的增加，增强了混凝土内部薄弱面，降低了强度，所以橡胶粉掺量3%的再生混凝土强度更好。

图3 A-3%-28 d的SEM照片Fig.3 SEM image of A-3%-28 d

图4 A-9%-28 d的SEM照片Fig.4 SEM image of A-9%-28 d

3.4.2 橡胶粉粒径对再生混凝土力学特性的影响

图5和图6分别为A-3%-28 d、C-3%-28 d的SEM照片，[1]区为橡胶颗粒，(2)区为与其接触的水泥浆体。从图5可以看到，该橡胶颗粒体型较大，浮于浆体表面，并与浆体存在两个接触面(用(2)表示)。由图6可以看到，该橡胶颗粒与图5中的相比较小，且其位于浆体的凹槽内，与浆体有三个接触面，多出一个薄弱面。在橡胶粉同等掺量下，当粒径小时改性水泥混凝土薄弱面会相对增多，这就会出现抗压强度随着粒径的减小而减小的情况[16]，这也是20目橡胶粉再生混凝土强度较好的原因。

图5 A-3%-28 d的SEM照片Fig.5 SEM image of A-3%-28 d

图6 C-3%-28 d的SEM照片Fig.6 SEM image of C-3%-28 d

4 结 论

(1)再生混凝土强度发育过程中，前3 d强度发育最快，强度增长率在8 MPa/d左右；3 d到7 d相对强度增长率可达到20%； 7 d 以后强度增长变缓；

(2)掺入橡胶粉会降低再生混凝土的抗压强度；

(3)当掺入相同目数的橡胶粉时，随着掺量的增加，再生混凝土抗压强度减小；

(4)当橡胶粉掺量固定时，随着目数的增加，再生混凝土前28 d强度先减小再回升，并以80目为拐点。

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Experimental Research of Waster Tire Rubber Powder on Mechanical Properties of Recycled Coarse Aggregate Concrete

WANGHai-long,WANGLei,WANGPei,ZHANGKe

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Recycled concrete is regarded as an important measure to save material,at the same time,incorporation of an appropriate amount of waste tire rubber powder can optimize the performance of concrete.In order to make rational use of these two waste materials,this article studied how the waste tire rubber powder influence the character of mechanical properties of recycle concrete,based on the waste tire rubber powder and recycled aggregate .Through the experimental study of recycled concrete baseline group,the article discovered the strength development regularities in early 28 days. Based on these regularities and other scholars'researches , this article formed the mathematical equation of the recycled aggregate concrete.It also discovered the influence on the compressive strength of recycled coarse aggregate concrete in different ages by mixing different particle size (20 mesh,60 mesh,80 mesh,100 mesh,120 mesh) and mixing different incorporation amount (3%,6%,9%).The results show that: Strength will be reduced by mixing rubber powder. The recycled aggregate concrete can reach the best compressive strength when mixed with 20 mesh, 3% rubber powder.

waste tire rubber powder;recycled coarse aggregate concrete;compressive strength;microscopic analysis

国家自然科学基金资助项目(51369023)；内蒙古自然科学基金项目资助(2015MS0564，2011BS0705)

王海龙(1980-)，博士，副教授，硕导.主要从事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3466-05