橡胶颗粒掺料对水泥混凝土力学性能的影响研究

谢学俭，窦通宇

(南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473004)

随着中国经济的蒸蒸日上，中国的交通运输业也是蓬勃发展，然而伴随而来的还有废旧橡胶轮胎的增加。废旧轮胎数量不断增多，对我国的环境造成不良影响，同时由于轮胎自身体积大，需占用大量土地堆积放置，造成土地的浪费[1]。在混凝土中加入废旧橡胶颗粒是处理和利用废旧橡胶的一种有效方式。邱东超研究表明橡胶颗粒可以提高混凝土的多种性能，还能够有效处理和解决废旧资源回收问题[2]。故而研究橡胶颗粒在混凝土中的应用具有重大的资源循环利用价值和环境保护意义，也是一种能有以较低成本改善混凝土相关性能的技术途径，具有重大的现实价值[3]。为了探究橡胶颗粒的实际应用，需要从橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度(即探讨和易性)和抗压强度角度去研究橡胶颗粒掺料混凝土，以便有效改善此问题。

1 试验

1.1 试验原材料

该混凝土抗压试验采用的水泥是普通硅酸盐水泥(P.O-42.5#)；河砂，表观密度为2650 kg/m3；碎石，表观密度为2700 kg/m3。橡胶颗粒取材于武汉合得利橡胶有限公司所生产的再生橡胶颗粒，该橡胶颗粒有隔热、隔音和减震性良好等优异的特点[4]。此类橡胶颗粒的表观密度为1020 kg/m3，取其橡胶颗粒粒径为6目、8目和10目。

1.2 试验配合比

本文所设计的橡胶颗粒掺料混凝土的强度等级为C40。橡胶颗粒分别以0%、5%、7%和10%的体积去替代砂子。配合比如表1所示。

表1 不同取代率橡胶混凝土配合比

1.3 试件的制作步骤及养护

本试验采用人工搅拌、振动台振动、抗压试件，采用3连100 mm×100 mm×100 mm塑料试模成型。

(1)根据所设计的试验配合比分别将水、水泥、粗砂、细砂和橡胶颗粒的质量称好并放入一个单独的容器内备用。然后将所用的搅拌设备用湿毛巾擦拭干净。

(2)将准备好的材料放在铁皮板上均匀搅拌，然后将搅拌好的橡胶颗粒掺料混凝土用小铁铲分两次放入刷有脱模油的试模中，用振捣棒均匀振捣后放置到振动台上振捣，振动30 s，取下试件并在其表面放置有试验编号的纸条。

(3)将振动成型的试件放入到标准养护箱内进行养护24 h后，将试件从养护箱内取出，进行脱模。脱模后进行编号，然后养护。等到橡胶颗粒掺料混凝土养护28 d后取出，在阴凉通风处晾4～5 h，然后进行混凝土抗压强度的试验。

1.4 试验方法

本文试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)执行，试验按橡胶颗粒的粒径分为3组，橡胶颗粒粒径为6目的是A组试验，橡胶颗粒粒径为8目的是B组试验，橡胶颗粒粒径为10目的是C组试验，探究不同橡胶颗粒粒径对混凝土和易性和力学性能的影响。每组试验包含4个不同取代率的混凝土，每个取代率做6个试件。抗压强度试验仪器采用的是YAW-2000KN型微机控制电液伺服压力试验机，在试验中的加载力速度为0.500 kN/s，应力速度为0.000005 MPa/s。当试件接近破坏临界点时，应适当调整加载力速度(加载力速度减速)，直至试件破坏，并记下破坏极限荷载[5]。

2 试验结果及分析

2.1 结果计算

混凝土的立方体抗压强度[6]fcu(MPa)为

fcu=Fmax/A

式中，Fmax：破坏极限荷载(单位：N)；A：试件受压面积(单位：mm2)。

2.2 坍落度

和易性是混凝土一个重要性质，混凝土的坍落度是其和易性好坏的一个重要指标。通过该试验研究橡胶颗粒粒径及其取代率对混凝土和易性的影响。不同粒径和不同橡胶取代率的橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度如表2、表3和表4所示。

表2 A组橡胶颗粒掺料混凝土坍落度值(单位：mm)

表3 B组橡胶颗粒掺料混凝土坍落度值(单位：mm)

表4 C组橡胶颗粒掺料混凝土坍落度值(单位：mm)

利用Origin软件对坍落度进行二次拟合，A组、B组和C组的拟合方程分别是：YA=0.14X2-0.25X+22.8;YB=-0.56X2-4.25X+23.09;YC=-0.29X2+1.8X+18.45

式中，Yi：橡胶颗粒掺料混凝土28d坍落度(mm)，i=A、B、C；X：橡胶颗粒取代率(%)。

图1是 A组试验的橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度随着橡胶颗粒掺料的变化情况。在橡胶颗粒粒径为6目的情况下，由表2和图1可得，橡胶颗粒掺料混凝土在5%、7%、10%产量下的坍落度比基准混凝土分别提高了9%、22.7%、50%，表明橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度会随着橡胶颗粒掺量的增加而增加。图2所示的是 B组试验的橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度随着橡胶颗粒掺料的变化情况。在橡胶颗粒粒径为8目的情况下，由表3和图2可得橡胶颗粒掺料混凝土在5%、7%、10%产量下的坍落度比基准混凝土分别提高了59.1%、-13.6%、40.9%，表明橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度会随着橡胶颗粒掺量的增加而先上升后下降再上升的趋势。图3所示的是 C组试验的橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度随着橡胶颗粒掺料的变化情况。在橡胶颗粒粒径为10目的情况下，由表4和图3可得橡胶颗粒掺料混凝土在5%、7%、10%产量下的坍落度比基准混凝土分别提高了61.9%、52.3%、66.7%，表明橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度会随着橡胶颗粒掺量的增加而先上升后微小下降再上升的趋势。通过数据分析可知，不同粒径和不同橡胶取代率会对橡胶颗粒掺料混凝土的坍落度产生不同的影响结果，橡胶颗粒的粒径越细，则其对混凝土的坍落度影响较小。

图1 A组橡胶取代率与坍落度关系图

图2 B组橡胶取代率与坍落度关系图

图3 C组橡胶取代率与坍落度关系图

2.3 破坏形态

对于不同橡胶颗粒取代率混凝土的抗压强度的研究，从试件形态破坏的角度宏观分析橡胶颗粒对混凝土抗压性能的影响，从大量的试验中选取了能够典型代表结果的试件破坏形态的图片作为分析图例，如图4所示。

由图4可知，不同橡胶颗粒取代率对于橡胶颗粒掺料混凝土的受压破坏形态在宏观角度上有着一定的相似度，即在试件自由面均匀形成拉应力变，当拉应变达到混凝土极限拉应变值后，橡胶颗粒掺料混凝土发生破坏并形成均匀的竖向裂缝，不同橡胶颗粒取代率的混凝土的破坏机理相同，该研究结论与文献[3]研究结论相似，机理也与之相同。由A组分析图例可以看出，相对于基准图例0%而言，5%、7%、10%的受压破坏形态变化程度是逐渐变化变大的，这在一定程度上可以表明A组结果是随着橡胶颗粒掺料取代率的不断增大，橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度随之减弱；由B组分析图例可以看出，相对于基准图例0%而言，5%、7%、10%的表面的受压破坏形态是破裂程度逐渐加大的，这也在一定程度上可以表明B组结果是随着橡胶颗粒掺料取代率的不断增大，橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度随之减弱；由C组分析图例可以看出，相对于基准图例0%而言，5%、7%、10%的表面受压破坏形态是破裂程度逐渐加大的，这也在一定程度上可以表明C组结果是随着橡胶颗粒掺料取代率的增大而不断增大，橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度随之减弱。同时可以根据图例看出，橡胶颗粒掺料混凝土在进行抗压试验的过程中仍然能够保持完成性，未发生解体现象，呈现出延性破坏，并且随着橡胶颗粒掺料取代率的增大而不断加大，两组试件的破坏形态所表现出的延性也随之变大[1]。故可以根据A组、B组和C组的受压破坏形态得出一个初步的结论：橡胶颗粒掺料混凝土的抗压能力随着橡胶颗粒掺料取代率的增大而下降。

2.4 抗压强度

橡胶颗粒掺料混凝土28 d抗压强度如表5、表6以及表7所示。

“文化生态建设必须考虑运用制度的制约来确保有限的资源能够充分地利用”[18]。欲建立和完善福建武术文化生态制度，就要从决策、评价、考核和监管等几方面同时发力，加快实践探索和理论创新，健全指标的评价体系，建立资源的有偿使用和保护制度，真正以制度建设推动文化生态建设。但需明确，文化生态制度建设并非朝夕之功，它要长期地向大众传送文化生态理念，强化文化生态意识，通过大力宣传和教育让文化生态价值观成为社会主流价值观，让建设文化生态成为人们日常生活中的行动指南，着实提高和改善福建武术文化生态建设的“硬环境”。

图4 A组、B组、C组28天抗压破坏形态

表5 A组橡胶颗粒掺料混凝土28 d抗压强度(单位：MPa)

表6 B组橡胶颗粒掺料混凝土28 d抗压强度(单位：MPa)

表7 C组橡胶颗粒掺料混凝土28 d抗压强度(单位：MPa)

根据表5、表6和表7数据可知5%、7%和10%取代率的橡胶颗粒掺料混凝土28 d的抗压强度要低于0%的橡胶颗粒掺料基准混凝土的抗压强度值，A组、B组和C组的结果都共同表明橡胶颗粒掺料混凝土的抗压能力随着橡胶颗粒掺料取代率的增大而下降。

为探究不同橡胶取代率对橡胶混凝土抗压强度的影响规律，特绘制出了A组、B组和C组28 d橡胶颗粒掺量混凝土的抗压强度与下降值、降低率的关系图，如图5、图6以及图7所示，其中以0%的橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度值作为基准值。

图5 A组强度平均值与下降值、降低率关系图

由图5、图6以及图7可知，随着橡胶颗粒取代率的逐渐提高，A组、B组和C组3组的橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度是逐渐减小的，橡胶颗粒取代率10%的橡胶颗粒掺料混凝土抗压强度改变最为明显。除此之外，抗压强度的下降值和降低率的值是随着橡胶颗粒取代率的逐渐增大而增加，这表明橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度的变化幅度也是随着橡胶颗粒取代率的逐渐增大而增加的，这也再次说明橡胶颗粒掺料混凝土的抗压能力随着橡胶颗粒掺料取代率的增大而下降。但不同粒径的橡胶颗粒对混凝土抗压强度的下降值和降低率影响不同。

图6 B组强度平均值与下降值、降低率关系图

2.5 抗压强度降低效应分析

在分析橡胶颗粒掺料对于混凝土抗压强度的降低效应时，应根据试验的实际情况进行分析，如试验的材料、试验的工具、试验的场所以及试验的其他因素等。相比较于以往的传统试验材料而言，橡胶颗粒具有疏水性以及低弹模高变性等特点[7]。

图7 C组强度平均值与下降值、降低率关系图

橡胶颗粒是一种憎水性的特殊材料，容易吸收来自于空气中的气体，这样会导致橡胶颗粒掺料与水泥石之间衔接的地方的气体变多，使得橡胶颗粒与胶凝材料之间的相互结合效果变差,影响了混凝土的密实程度[8]，从而造成混凝土的强度随之下降[9]。此外，在混凝土进行机械振捣的过程中，橡胶颗粒与胶凝材料之间的局部液化效应加大，增大了二者之间的空隙，使之变得没有之前那样紧密，因此会导致橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度降低。根据抗压强度的下降值与降低率的分析，10%的橡胶颗粒掺料混凝土抗压强度改变最为明显，表明橡胶颗粒掺料混凝土中橡胶颗粒所占的比例越大，橡胶颗粒掺料混凝土中的气体所占的体积也就越大，混凝土的强度会相应降低。

3 结论

(2)不同橡胶颗粒取代率的混凝土28 d的抗压强度相较于0%橡胶颗粒掺料基准混凝土的抗压强度而言，不同橡胶颗粒取代率的橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度值较低，并且会随着橡胶颗粒取代率的不断提高而逐渐降低。

(3)橡胶颗粒掺料取代率在0%～10%的范围内，橡胶颗粒掺料混凝土的抗压强度的下降值与降低率与不同橡胶颗粒取代率存在着正相关的线性关系，下降值与降低率会伴随着橡胶颗粒取代率的不断提高而逐渐增大。