橡胶颗粒对透水混凝土强度和透水性能影响研究★

陈永锋 袁松年 任隽丰 耿德华 陆志红 沈亚芳

(1.江苏先达建设集团有限公司，江苏 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江苏 常州 213016； 3.东南大学，江苏 南京 210096)

1 研究背景

据统计，全世界每年产生超过15亿条废旧轮胎，并且这一数字正在不断增大[1]，因此废旧橡胶的处理已经成为了亟待解决的一大环境问题，目前主流的处理方法是燃烧、填埋，这些方式效率不高，且会造成严重的环境污染，因此近年来有学者对将废旧橡胶粉碎成颗粒，加入到水泥混凝土而制成的橡胶混凝土的性能进行了研究，这种材料可以提高混凝土的耐久性能，改善混凝土的使用性能，同时也能够有效回收废旧橡胶，带来一定的环保效益和经济效益[2]。另一方面，透水混凝土因其具有良好的透水性能，能够有效的缓解城市的热岛效应、水侵蚀和水质恶化等问题，和传统水泥混凝土相比可以有效改善城市的生态环境，因此近年来也被广泛使用[3]。因此将在透水混凝土中加入废旧橡胶颗粒，制作橡胶透水混凝土是一个新的研究方向，这种材料不仅能够满足透水混凝土透水、透气的使用要求，同时也能够回收利用废旧橡胶，减少橡胶产生的污染，并且能够使用橡胶对水泥混凝土进行改性，提高材料的韧性，因此是一种更加优秀的环境友好型材料。

目前国内外对掺有橡胶的透水混凝土，即橡胶透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)的研究较少。土耳其的Mehmet Gesoglu和Erhan Güneyisi等人采用10 mm～12.5 mm的单一级配的粗骨料和强度为42.5R的硅酸盐水泥，向其中分别加入掺量为10%和20%的轮胎条、橡胶末和细橡胶末，并对试样的抗压强度、劈裂强度和透水系数等进行了测试，得到以下结论：橡胶透水混凝土具有较低的抗压强度，抗折强度和弹性模量，抗压强度最低的一组仅有6.45 MPa，但仍能满足使用需求；橡胶透水混凝土的透水系数也有所降低，但仍能够保证将雨水及时收集起来排入下层；橡胶透水混凝土能够使用在停车场、人行道和路肩等地区[4]。

基于以上研究背景，本课题对橡胶颗粒对透水混凝土的影响进行了研究，在透水混凝土中加入了不同粒径、不同掺量的废旧橡胶颗粒，对其强度、模量和透水性能进行了测试。

2 试验设计

由于橡胶是一种柔性较大、弹性模量较小的有机材料，将橡胶颗粒加入透水混凝土后材料强度会降低，因此结合相关资料，选择加入一定增强剂如乳胶、硅灰和玄武岩纤维，从而在一定程度上提升材料强度。

2.1 原材料

1)水泥：采用舜安牌P.Ⅱ42.5快干水泥，是强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥。

2)水：普通自来水。

3)粗集料：选用在南京生产的粒径范围在5 mm～10 mm的单一级配碎石。

4)废旧轮胎橡胶颗粒：采用由机器破碎制成的粒径为1 mm～3 mm或3 mm～6 mm的废旧橡胶颗粒。

5)硅灰：普通硅灰，主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅，硅灰能够改善胶结料的级配，提高水泥浆体在硬化后的密实度，从而提高混合料的强度。

6)乳胶：普通乳胶，能够有效填充水泥浆体凝结硬化过程中产生的细小密闭空腔，提高混合料强度。

7)玄武岩纤维：纯天然火山岩为原料经过1 450 ℃～1 500 ℃ 高温熔融后经过铂铑合金快速拉制而成的纤维，是一种新型无机环保绿色高性能材料。玄武岩纤维具有较高的表面粗糙度，与水泥浆体的粘结性较好，同时因其具有极高的强度和韧性，能够提高透水水泥混凝土的强度和耐久性能。

8)减水剂：JM-A高效减水剂。

2.2 试验方案

根据相关研究结果，并结合实际情况，确定试验变量为橡胶颗粒粒径(1 mm～3 mm,3 mm～6 mm)和橡胶颗粒掺量(总集料质量分数的10%和20%)。共设计1个对照组和4个试验组，每组制作9个边长为100 mm的立方体试件和3个直径为100 mm，高为100 mm的圆柱体试件，分别用于强度和透水性能的测试。将试验的具体设计内容列于表1，表2中。

表1 统一设计配合比 kg/m3

表2 各组的橡胶粒径和用量

2.3 试验内容

每组制作9个边长为100 mm的立方体试件和3个直径为100 mm，高为100 mm的圆柱体试件，放入养护室中在标准条件下养护至规定龄期。

以3个立方体试件为一组，检测试件7 d和28 d的抗压强度以及28 d的劈裂抗拉强度。试件制作及成型养护要求按照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[5]进行。以3个圆柱体试件为一组，采用常水头法测定透水系数，每个试件测试三次。同时按照陶卓辉[6]的方法，对真正影响透水性能的有效孔隙率这一参数进行测定，具体方式如下：

首先测量试件外形尺寸，并计算出试件的外形体积V0；将试件浸泡在水中使其饱水后称其在水中的重量W1，考虑多孔水泥混凝土的吸水特别厉害，取出试件在常温下放置1 h～2 h，使多孔水泥混凝土内部多余的水全部渗出，在20 min内空气重测试结果稳定后，确定试件在空气中的重量W2，则有效孔隙率p按下式计算：

以每组3个试件测值的算术平均值为测定值，如一个测值与中值的差值超过中值的15%，则取中值为测定值；如有两个测值与中值的差值超过中值的15%，则该组试验结果作废。

3 试验结果

试验按照规范要求制作，采用室内捣实成型，成型后24 h拆模放入养护室，在标准条件下(温度20 ℃±3 ℃，相对湿度大于90%)进行养护，在到达7 d或28 d龄期时取出对应试件进行试验，进行7 d抗压强度、28 d劈裂强度、28 d抗压强度、圆柱体抗压弹性模量、透水系数和有效孔隙率的测试，试验结果见表3。

表3 各组试验结果

各项试验结果见图1～图6。

4 试验结果分析

根据上述试验结果和相应图表进行分析可得：

2)28 d劈裂抗拉强度是反映透水混凝土抗拉性能的一个指标，在养护28 d过后，加入橡胶颗粒的组强度明显低于组1，其强度变化情况类似抗压强度，掺量为20%，粒径为3 mm～6 mm的组3有最低的劈裂抗拉强度，仅为1.03 MPa，不适合路用需求。

3)橡胶颗粒的加入较大程度的降低了透水混凝土的模量，对于组3，模量降低了超过50%，使得材料具有一定的塑性，成为了一种半柔性材料。橡胶颗粒掺量越多，橡胶颗粒粒径越大，模量下降越多。这一现象的原意在于橡胶具有较强的柔性，橡胶颗粒越多，粒径越大，对原有的骨料组成的骨架空隙结构的破坏越大，从而使结构的柔性增加，弹性模量降低。

4)透水系数和有效孔隙率能够反映出透水混凝土的透水性能，综合来看，尽管加入了一定量的较小粒径的橡胶颗粒，各组仍有足够的透水性能；废旧橡胶颗粒的粒径对透水性能的影响比掺量大。透水性能最差的一组是掺量为20%，粒径为1 mm～3 mm的组5，但该组仍能够满足透水要求。

5 结语

通过将废旧橡胶粉碎成颗粒加入透水混凝土中制成橡胶透水混凝土，能够有效的回收利用这种难以回收利用的材料，而本研究对橡胶透水混凝土的强度与透水性能进行了研究，研究发现橡胶的加入较大程度的降低了透水混凝土的强度，较大提升了材料的柔韧性，使橡胶透水混凝土成为半柔性材料，而对透水性能的影响不大，具有一定的实用性，能够应用于人行道、路肩等轻交通地区。通过对比，最终推荐使用试验组4(掺量为10%，粒径为1 mm～3 mm)。