废胎胶粉改性水泥混凝土性能研究

■林 丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

废旧轮胎作为一种工业废弃物，其数量呈逐年大幅增加的趋势。 堆积如山的废旧轮胎不仅占用土地，而且污染环境，因此废旧轮胎的处理及再利用已成为世界各国亟需解决的问题之一。 将废旧轮胎粉碎成橡胶块、粉掺加到水泥混凝土中，不仅可以改善混凝土的韧性、粘聚性、耐久性及隔热隔声等性能，还可以减少“黑色污染”、节约能源，保护环境，促进废物再利用。

国外对废胎胶粉改性混凝土的研究相对较早，在20 世纪80 年代末期，对胶粉改性混凝土的研究主要集中在胶粉改性混凝土工作性能、 基本力学、胶粉与混凝土配伍性、耐久性及保温隔热、隔声性能等方面[1-3]。 国内对胶粉改性混凝土的研究较迟，一些学者应用了不同的试验方法分别研究了橡胶混凝土工作性能、基础力学性能及耐久性等性能[4-7]。 然而， 上述对胶粉改性混凝土的研究存在一定的局限性，且最终未能推广应用开来，究其原因是没有系统性评价胶粉改性混凝土性能，且所用胶粉种类繁杂，导致性能有所差异。 本文通过坍落度试验、冻融循环试验及抗压抗折试验探讨了胶粉颗粒大小、 胶粉掺量对混凝土性能的影响， 系统地评价废胎胶粉改性混凝土性能，从而获取胶粉改性混凝土生产工艺。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料性能

试验所用细集料为河沙，细度模数为2.8（II 区中砂），表观密度为2634 kg/m3，堆积密度为1310 kg/m3；粗集料为3～25 mm 均匀级配的碎石，表观密度为2645 kg/m3， 堆积密度为1435 kg/m3， 压碎值为5.4%，针片状颗粒含量为4%，含泥量忽略不计；水泥采用福建水泥股份有限公司生产的PO32.5R型水泥，安定性及其他相关指标均合格，具体性能指标见表1；拌和用水为普通自来水，满足规范要求。

表1 试验用水泥技术指标

试验所用橡胶粉选用的废胎胶粉为陕西长大华础工程材料科技股份有限公司生产的的A 级40目、60 目、80 目、100 目和120 目硫化废胎胶粉（图1），橡胶粉物理性能指标见表2。

图1 废胎胶粉外观形态

表2 废胎胶粉物理性能指标

1.2 试验方案

试验采用混凝土配合比为水∶水泥∶河沙∶碎石=192∶348∶771∶1115， 为保证混凝土具有一定工作性，混凝土中添加一定0.8%的减水剂。 为研究胶粉大小、胶粉掺量对混凝土性能的影响，本文采用5 种粒径大小的废胎胶粉（即40 目、60 目、80 目、100 目和120 目），研究掺量分别为0 kg/m3、20 kg/m3、40 kg/m3和60 kg/m3混凝土的工作性能、力学性能及抗裂抗冻性能。

2 胶粉改性混凝土工作性能试验分析

塌落度是表征混凝土工作性的重要指标，试验通过测量胶粉改性混凝土的坍落度来测定混凝土拌合物流动性，并在试验过程中密切观察其粘聚性和保水性。 混凝土塌落度随胶粉大小和掺量的变化曲线如表3 和图2 所示。

由图2 可以看出，掺加胶粉后胶粉改性混凝土塌落度降低了，且随着胶粉掺量的增加，混凝土塌落度在不断衰减，掺量超过20 kg/m3 后坍落度衰减幅度增大；随着胶粉颗粒粒径减小，混凝土塌落度逐渐变大，工作性能得到改善。 究其原因，主要是废胎胶粉表面比较粗糙，导致其保水性较好，混凝土的拌制过程中胶粉不断吸水。 因此，掺入胶粉后混凝土的坍落度会降低；胶粉目数越大，胶粉越细，胶粉吸水就越多，此时胶粉在混凝土中起到了润滑作用，塌落度就越大。

表3 胶粉改性混凝土塌落度试验结果

图2 不同胶粉改性混凝土得坍落度变化曲线

3 胶粉改性混凝土力学性能分析

3.1 抗压试验分析

依据上述胶粉改性混凝土工作试验，分别选取3 种40 目、80 目、120 目 的 胶 粉 对 混 凝 土 进 行 改性，研究3 种粒径大小的胶粉在其掺量为0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3时，胶 粉 改 性混凝土7 d 和28 d 抗压强度的变化规律，探究胶粉粒径及其掺量对胶粉改性混凝土抗压强度的影响。

图3 胶粉改性混凝土抗压强度随胶粉掺量、粒径大小的变化曲线

由图3 不难看出， 掺加废胎胶粉后混凝土7 d和28 d 抗压强度均有不同程度减小， 其中28 d 抗压强度减小幅度相对较大；随着胶粉掺量的逐渐增加，其7 d 和28 d 抗压强度均呈不断衰减，但掺量超过30 kg/m3后混凝土抗压强度衰减幅度明显增大，120 目、80 目和40 目的胶粉改性混合料7 d 抗压强度分别衰减了19.7%、28.5%和32.7%，28 d 抗压强度分别衰减了18.8%、28.0%和35.2%；此外，随着胶粉颗粒目数减小，混凝土抗压强度增大，且当掺量达到40 kg/m3后，120 目胶粉改性混凝土7 d和28 d 抗压强度分别是80 目和40 目胶粉改性混凝土的1.12 倍、1.19 倍（7 d）和1.13 倍、1.25 倍（28 d），因此胶粉掺量不宜超过30 kg/m3。

3.2 抗折试验分析

试验分别将不同粒径（即40 目、80 目、120目）、不 同 掺 量（0 kg/m3、10 kg/m3、20 kg/m3、30 kg/m3、40 kg/m3）的胶粉掺入混凝土中，研究胶粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折强度及折压比（即混凝土抗折强度与抗压强度之比）的变化规律，探究胶粉粒径及其掺量对胶粉改性混凝土抗折性能的影响。 实验结果如图4～5 所示。

图4 胶粉改性混凝土抗压强度随胶粉掺量、粒径大小的变化曲线

由图4 可知，加入废胎胶粉后混凝土7 d 和28 d抗折强度均有不同程度的减小，且随胶粉掺量的增加而不断衰减；当胶粉掺量超过30 kg/m3后混凝土抗折强度衰减幅度增大，120 目、80 目和40 目的胶粉改性混合料7 d 抗折强度分别衰减了28.6%、40.5%和45.2%，28 d 抗折强度分别衰减了39.6%、56.6%和58.5%； 胶粉改性混凝土抗折强度随胶粉颗粒粒径增大而减小， 且当掺量达到40 kg/m3后，120 目胶粉改性混凝土7 d 和28 d 抗折强度分别是80 目和40 目胶粉改性混凝土的1.20 倍、1.30 倍（7 d）和1.39 倍、1.45 倍（28 d）。

图5 胶粉改性混凝土折压比随胶粉掺量、粒径大小的变化曲线

由图5 可知，掺加胶粉后混凝土7 d 和28 d 强度折压比均在不断减小， 混凝土韧性不断衰减；当胶粉掺量超过20 kg/m3后混凝土强度7 d 折压比基本趋于稳定，说明胶粉掺量对混凝土早期韧性影响较小。 此外，胶粉细度越细，胶粉改性混凝土折压比越大，表明韧性越大。 综上所述，胶粉宜选120 目的废胎胶粉。

3.3 抗冻试验分析

混凝土的抗冻性是指混凝土抵抗冻融循环的能力，是评价严寒地区混凝土及钢筋混凝土结构耐久性的重要指标之一。 混凝土结构在浸水条件下处于吸水饱和状态时，导致内部空隙中的水会结成冰而发生膨胀，产生冻胀力，使混凝土内部产生微损伤，这种微损伤长此以往积累扩展，最终就会导致混凝土发生松散开裂，体积膨胀破坏。

试验依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T 50082-2009）中混凝土快冻试验方法进行冻融循环操作，试件尺寸为（100×100×400）mm，标准养护28 d 后方可进行快速冻融试验[8]。 大量研究表明质量损失能准确反映混凝土试件表面剥落破坏的情况[9-10]。 因此，本文用质量损失率指标来表征胶粉改性混凝土的表面损伤程度，研究胶粉改性混凝土的耐久性。 混凝土试件质量损失率计算公式如下：

式中，ΔWn为试件经过n 次冻融循环后的质量损失率；G0为试件冻融前的质量；为Gn为试件经过n 次冻融循环后的质量。

由图6 可知，随着胶粉掺量的增加，混凝土质量损失率在不断减小；冻融循环200 次后，基准混凝土质量损失率是10 kg/m3胶粉改性混凝土的1.16 倍，胶粉掺量从10 kg/m3增加到20 kg/m3，胶粉改性混凝土折压比衰减了27.9%，而掺量从20 kg/m3增加到30 kg/m3、 从30 kg/m3增加到40 kg/m3时胶粉改性混凝土折压比分别仅衰减了11.4%和10.3%，也即当胶粉掺量超过20 kg/m3后混凝土质量损失率衰减幅度大幅降低。 从图7 中可以明显看出， 胶粉颗粒的大小对胶粉改性混凝土的质量损失率影响不明显， 即对胶粉改性混凝土耐久性影响不大。

图6 不同胶粉掺量的混凝土质量损失率变化曲线

图7 不同颗粒大小的胶粉改性混凝土质量损失率变化曲线

根据图6～7 可知，胶粉改性混凝土质量损失率均随冻融循环次数以指数形式不断增大，损伤程度不断加重； 掺加胶粉后混凝土质量损失率大幅减小，说明胶粉可有效改善混凝土抗冻性能；主要原因是废胎胶粉的加入有效缓解了冻融前后胶粉改性混凝土内部的温度应力，从而阻止且缓解了胶粉改性混凝土受冻时微裂纹的产生和发展，减小了混凝土由于过大的应力而产生的内部破坏；且随着混凝土中胶粉粒子的增多，对受冻融的胶粉改性混凝土内部损伤的缓解程度就越大[11]。

4 结论

本文通过混凝土胶粉改性混凝土坍落度试验、抗压、抗折强度试验及抗冻试验研究了胶粉改性混凝土工作性能和力学性能及耐久性能，最终得出了如下结论：

（1）掺入胶粉后混凝土的坍落度会降低，且胶粉颗粒越细，胶粉吸水越多，塌落度就越大，工作性就越好。

（2）胶粉的加入降低了混凝土抗压强度，且胶粉颗粒越细，混凝土内部空隙就越容易被胶粉所填充，空隙率就越少，抗压强度就越高；胶粉掺量越大，混凝土抗压强度越小，胶粉掺量不宜超过30 kg/m3。

（3）胶粉的加入降低了混凝土抗折强度，且胶粉颗粒越细，混凝土抗压强度就越高。

（4）废胎胶粉的加入有效缓解了冻融前后胶粉改性混凝土内部的温度应力，改善了混凝土抗冻性能；胶粉掺量越大，胶粉颗粒越细，混凝土抗冻性能越大。

（5）胶粉宜选取120 目的废胎胶粉，胶粉掺量宜为20～30 kg/m3。