橡胶集料风积沙混凝土力学性能试验与微观分析

王尧鸿，晁 磊，杨晓明*，李志强，董 伟

(1.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；3.石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003；4.内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010)

随着汽车行业的飞速发展，汽车废旧轮胎的处理成为了当今社会亟待解决的问题。据统计，轮胎产量在中国每年达到2.39×108条，并以8%～10%的速度急剧增加，到2020年末，废旧轮胎在中国产量已达2 000万t，解决废旧轮胎的回收再利用具有重要意义[1-2]。橡胶集料混凝土指采用废旧轮胎橡胶屑取代部分骨料组成的混凝土，其性能介于普通混凝土和沥青混凝土之间。为了解橡胶集料混凝土的作用机理，中外学者开展了广泛的研究。刘艳华等[3]研究表明，在混凝土中掺入橡胶对混凝土强度、弹性模量有不利影响；Ganjian等[4]研究认为橡胶是一种憎水性材料，吸水性较差，表面光滑，进而减少了与水泥间的相互作用，导致了混凝土强度的降低；刘日鑫等[5]研究表明，橡胶使混凝土强度降低的同时，也提高了混凝土的延性、韧性、耐久性等参数。王雅婷等[6]研究表明，橡胶混凝土中粒径为3～6 mm的橡胶颗粒具有较好的力学性能。

风积沙是经自然风吹、积淀作用下形成的一种颗粒细小、均匀、成分稳定、SiO2含量偏高[7]的硅质材料。利用风积沙制备混凝土不仅可以降低运用成本，解决混凝土中河砂短缺的问题，还能够治理沙漠化减少环境危害。中外大量研究表明，在混凝土中掺入适量的风积沙可以改善混凝土的基本力学性能。Al-Harthy等[8]研究表明，风积沙部分取代细集料可以提高混凝土的工作性能，但强度随着取代率的增大而减少。包建强等[9]研究表明，风积沙取代率为30%时和易性最好，力学性能最佳。

随着建筑行业的发展，材料的单一性已经不能满足工程上的需求，开展复合材料研究是一种新途径。目前，橡胶集料混凝土和风积沙混凝土已有大量研究，而对于在风积沙混凝土中掺入橡胶颗粒的研究尚少。基于此，选取30%风积沙取代河砂和粒径为3～6 mm的橡胶颗粒部分取代河砂，设计、制作一批混凝土试件，通过基本力学性能试验、扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)电镜扫描和能量色散谱(energy dispersive spectroscopy,EDS)点扫，对比分析了橡胶集料和风积沙对混凝土力学性能的作用机理，并研究了橡胶集料风积沙混凝土和橡胶集料混凝土2种试件水泥石砂浆界面过渡区的微观结构，为橡胶集料风积沙混凝土实际工程应用提供科学依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用冀东水泥厂生产的P·O 42.5级水泥；细骨料选用中砂，细度模数2.7，表观密度为2 610 kg/m3，堆积密度为1 530 kg/m3；风积沙取自内蒙古库布齐沙漠周边，细度模数为0.75，表观密度为2 520 kg/m3，堆积密度为1 510 kg/m3，化学成分如表1所示；石子粒径为5～25 mm，表观密度为2 600 kg/m3，堆积密度为1 550 kg/m3；橡胶集料由都江堰市华益橡胶有限公司生产，粒径为3～6 mm，密度为1 141 kg/m3，表观密度为1 052 kg/m3，外观形态如图1所示；粉煤灰由呼和浩特金山电厂提供，Ⅱ级粉煤灰。

图1 3～6 mm的橡胶颗粒Fig.1 Crumb rubber with size of 3～6 mm

表1 风积沙主要化学成分Table 1 Main chemical constituents of aeolian sand

1.2 试验设计与制作

本试验按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)设计了10组配合比混凝土，包含4组橡胶集料风积沙混凝土试件、4组橡胶集料混凝土试件、1组风积沙混凝土试件和1组普通混凝土试件，混凝土配合比情况如表2所示。其中风积沙取代率均为30%，橡胶集料替代河砂的取代率分别为10%、20%、30%、40%。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行了混凝土抗压、抗折、劈裂抗拉强度试验。其中，测试抗折强度的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体；测试抗压、劈裂抗拉强度的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。各试件养护时间均为28d。将具有代表性的试件切割成尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，用于电镜扫描和EDS分析。为了使橡胶集料在浆体中更为均匀，在搅拌前对橡胶集料进行了预处理，将橡胶集料与水泥搅拌60 s，同时将细骨料和石子倒入搅拌机搅拌60 s，然后将预先拌和好的橡胶水泥拌合物倒入搅拌机中搅拌30 s，最后再加入水搅拌120 s。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mixtureproportions of concrete

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度与劈裂抗拉强度

图2为橡胶取代率对试件28 d龄期的抗压强度的影响曲线。可以看出，随着橡胶取代率的增加，橡胶集料混凝土试件(R试件)和橡胶集料风积沙混凝土试件(AR试件)的抗压强度均有所降低。当橡胶取代率为10%、20%、30%、40%时，R试件的抗压强度分别为37.02 MPa、31.43 MPa、24.26 MPa、22.32 MPa，较普通混凝土试件(C-0试件)分别降低了11%、24%、42%、46%。当橡胶取代率为10%、20%、30%、40%时，AR试件的抗压强度为41.03、36.57、30.31、27.91 MPa，较风积沙取代率为30%的混凝土试件(A-0试件)分别降低了9%、19%、33%、38%。图2中AR试件的抗压强度比R试件的抗压强度提高了8%～25%。此外，随着橡胶取代率的增加，橡胶集料风积沙混凝土试件的抗压强度退化速率比橡胶集料混凝土试件更为缓慢。

图2 橡胶取代率对混凝土抗压强度的影响Fig.2 Compressive strength relationship of different rubber content

图3为橡胶取代率对试件28 d龄期的劈裂抗拉强度的影响曲线。可以看出，随着橡胶取代率的增加，R试件和AR试件的劈裂抗拉强度均有所降低。橡胶取代率在10%、20%、30%、40%时，R试件的劈裂抗拉强度分别为2.9、2.63、2.41、2.01 MPa，比C-0试件分别降低了15%、23%、29%、41%。当橡胶取代率为10%、20%、30%、40%时，AR试件的劈裂抗拉强度分别为3.54、3.01、2.83、2.51 MPa，比A-0试件分别降低了12%、25%、30%、38%。图3中AR试件的劈裂抗拉强度较R试件提高了12%～24%。

图3 橡胶取代率对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.3 Splitting tensile strength relationship of different rubber content

以上试验现象的原因是橡胶集料表面为非极性，而水泥浆体为极性，在张力的作用下，两者结合不紧密，致使试件的抗压强度和劈裂抗拉强度有所降低，且随着橡胶取代率的增加，这种现象更为明显[10]。风积沙属于超细砂，试件加入30%取代率的风积沙后，风积沙可以通过加强桥接改善橡胶与水泥间的相互作用，使橡胶集料在混凝土中更为紧密，进而提高了混凝土的强度。

图4为立方体试件抗压试验的破坏形态，取橡胶集料风积沙混凝土AR-10、橡胶集料混凝土R-10、风积沙混凝土A-0和普通混凝土C-0进行比较。试验发现C-0试件和A-0试件在裂缝出现后会较快地贯通整个试件，整体破坏较为严重。掺入橡胶颗粒后，试件在受压破坏时会发生较多的细小裂缝，且未发生迅速破坏，试件整体保留完整，其中R-10试件完整性最佳。这说明掺入橡胶颗粒可以改善混凝土的脆性及变形能力，使试件的韧性更好[11]。

图4 混凝土试件的破坏形态Fig.4 Failure mode of concrete specimen

2.2 抗折强度和折压比

图5为橡胶取代率与试件28d龄期抗折强度的关系曲线。可以看出，随着橡胶取代率的增加，AR试件和R试件的抗折强度呈现出下降趋势。在橡胶取代率为10%、20%、30%、40%时，AR试件抗折强度分别为3.98、3.66、3.58、3.39 MPa，较风积沙混凝土A-0试件分别降低了4%、12%、13%、18%。在橡胶取代率为10%、20%、30%、40%时，R试件抗折强度分别为3.67、3.33、3.1、2.94 MPa，较普通混凝土C-0试件的抗折强度分别降低了4%、13%、19%、23%。此外，掺入30%取代率的风积沙后，AR试件比R试件的抗折强度提高了8%～16%。试验中同样发现与C-0试件和A-0试件相比，AR试件和R试件在受到极限荷载时，试件破坏时所发出的声音较沉闷，且未发生突然破坏。与AR试件相比，R试件破坏用时较长，说明R试件具有较好的韧性。

图5 橡胶取代率对试件抗折强度的影响Fig.5 Flexural strength relationship of different rubber content

折压比是衡量混凝土的脆性指标，折压比越大，混凝土的变形能力越大，韧性越好。图6为橡胶取代率与试件折压比的关系曲线。在未掺入橡胶时，A-0试件的折压是C-0试件的109.5%。橡胶取代率为10%时，R试件的折压比较AR试件反而提高了2.1%，且随着橡胶取代率的增加，R试件的折压比较AR试件的提高幅度也随之增加。造成以上试验结果的原因是橡胶本身是一种弹性材料，且变形能力较好，掺入混凝土中可以抑制裂缝的扩展，进而增加了混凝土的韧性和变形能力[12]。虽然风积沙的掺入对橡胶与水泥砂浆之间产生的裂缝起到了填充作用，但裂缝的变小阻碍了橡胶的变形能力，导致橡胶集料风积沙混凝土韧性不如橡胶集料混凝土。

图6 橡胶取代率对试件折压比的影响Fig.6 Flexural compressive ratio relationship of different rubber content

2.3 电镜分析和EDS分析

图7为不同试件电镜扫描形貌图，从图7(a)中观察发现，普通混凝土中的水泥浆体存在一些裂缝和孔隙，内部不够密实。图7(b)中风积沙与水泥浆体间存在微小孔洞，与普通混凝土相比内部裂缝减少，且微观结构较为紧密。孔洞的变小是由于混凝土中掺入风积沙可以优化水化产物的分布，使水泥石中生成了大量的C-S-H凝胶体，而这些凝胶体可以改善砂浆结构的密度和集料与水泥浆体间的黏结强度，这也间接提高了混凝土的强度[13]。图7(c)中橡胶颗粒与水泥浆体交界处裂缝明显，微观结构不紧密，且该区域水化产物较少，起不到填充作用，范德瓦尔兹引力减小，进而导致浆体强度降低[14]。图7(d)中橡胶颗粒与风积沙水泥浆体之间的微观结构较为完整、紧密。因为橡胶是非极性弹性材料，与水泥之间存在明显差异，且刚度相差较大，两者的结合较大程度影响了混凝土的强度，但风积沙的掺入能够改善两者结合的缺陷，进而填充了橡胶颗粒与水泥浆体界面的裂缝。

Taylor等[15]通过EDS点扫描分析了混凝土中的水化产物，得出硅钙比可以间接反映出界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)的水泥水化产物。基于此，对混凝土试件进行了EDS分析，进一步研究橡胶集料的掺入对混凝土力学性能的作用机理。

选取橡胶取代率为10%的AR-10试件、R-10试件、A-0试件和C-0试件，AR-10试件和R-10试件以橡胶到水泥浆体间的距离，A-0试件和C-0试件以石子到水泥浆体间的距离，取0、20、40、60 μm4个等分点作为定点，进行EDS分析比较。表3为集料-水泥砂浆体界面过渡区EDS分析结果，可以看出，A-0试件和AR-10试件的Si、Ca元素界面过渡区的水化产物含量均高于C-0试件和R-10试件，说明风积沙的掺入可以提高混凝土中的水化产物，进而能够提升混凝土的强度。

表3 集料-水泥浆体界面过渡区EDS分析Table 3 EDS analysis of aggregate and cement matrix ITZ

图8为混凝土试件Ca/Si曲线，可得出如下结论。

图8 混凝土试件Ca/Si曲线Fig.8 Ca/Si curve of concrete specimen

(1)普通混凝土中在石子距离水泥浆体0～60 μm时，Ca/Si值先增大后减小，再持续缓慢增加，说明C-S-H先减小再缓慢提升后最终趋于稳定，CH含量在20 μm处较为集中，CH、AFt和AFm在整个区间内是先增大后减小最终趋于平稳。

(2)风积沙混凝土中在水泥浆体距离石子0～60 μm时，钙硅比升降趋势与普通混凝土类似，其钙硅比比值较普通混凝土有所减小，原因是风积沙本身是一种Si元素含量较高的材质，这也表明风积沙混凝土中以C-S-H为主要的水化产物含量高于普通混凝土[16]。

(3)橡胶集料风积沙混凝土和橡胶集料混凝土的Ca/Si值在0～20 μm先减小，20～40 μm再增大，40～60 μm缓慢减小，说明C-S-H含量在0～20 μm时在增大，20～60 μm先减小后缓慢增大，其界面过渡区趋于不稳定。在整个区间AR-10试件硅钙比比值低于R-10试件，说明前者的界面过渡区中C-S-H含量大于后者，且二者的硅钙比比值均大于A-0试件和C-0试件。这也表明混凝土中加入橡胶颗粒，会使水化产物CH、AFt、AFm含量增加，C-S-H含量减少，进而导致了界面过渡区不稳定，水泥水化不充分，水泥浆体强度降低[17]。

3 结论

(1)橡胶集料风积沙混凝土和橡胶集料混凝土试件的抗压、抗折、劈裂抗拉强度均随着橡胶取代率的增加而降低；折压比随橡胶取代率的增加而增加。

(2)橡胶颗粒的掺入使混凝土内部结构存在微裂缝，造成混凝土强度的降低；但橡胶本身又可以抑制和减缓微裂缝的延伸扩展，使裂缝不易贯通试件，进而提高了混凝土的韧性。

(3)在橡胶集料混凝土中掺入取代率为30%的风积沙可以提高混凝土的受力性能。

(4)电镜扫描和EDS分析表明，橡胶颗粒的掺入会减少界面区的水化产物C-S-H，导致界面过渡区不稳定，使混凝土内部产生明显微裂缝；适量风积沙的掺入，使界面区微裂缝宽度变小，结构更为紧密，进而可以适度提高混凝土的力学性能。