改性橡胶混凝土抗冻性能试验研究

刘 姿

(商丘市睢阳区水务局，河南 商丘 476000)

1 概 述

在社会经济迅速发展的时代背景下，我国的机动车数量也逐年攀升，这给人们的出行带来方便，同时也不可避免地产生了大量的废旧轮胎。对废旧轮胎的处理，特别是资源化利用成为一个十分重要而紧迫的社会性问题。相关研究显示，利用废旧轮胎制作的再生橡胶颗粒掺入混凝土，可有效改善混凝土的物理和力学性能[1]，具有较为广阔的应用前景和价值，是废旧轮胎资源化利用的重要方式和途径，已经成为业界所关注的重要课题[2]。

混凝土是水利工程建设的重要材料，也是使用量最大的材料，其性能对水工结构和建筑物的质量和耐久性具有十分显著的影响。在北方寒区的水利工程建设领域，抗冻性能是衡量混凝土性能的重要指标[3]。从目前的研究来看，橡胶混凝土的研究主要集中于其物理和力学性能，针对再生橡胶颗粒对水工混凝土抗冻性能影响的研究不多[4]。基于此，本文通过室内试验的方式，探讨再生橡胶颗粒掺量对水工混凝土抗冻性能的影响，为再生橡胶颗粒在水工混凝土领域的应用提供支持和帮助。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

水泥是混凝土中的主要胶凝材料，其性能会对混凝土质量影响显著。此次研究中使用的是天津冀北水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其表观密度为1.98 cm3/g，初凝和终凝时间分别为190和246 min，比表面积为345 cm2/kg，28 d抗压强度为52.8 MPa，抗折强度为9.5 MPa。各项性能指标均满足相关规范要求，可以用于此次试验研究。

试验用骨料包括粗骨料和细骨料。其中，试验用细骨料为级配良好的天然河沙，其表观密度为2 338 kg/m3，含泥量为1.5%，细度模数为2.21；试验用粗骨料为天然卵砾石，其压碎率为2.5%，粒径范围为15～47 mm。

试验中选择粉煤灰作为矿物掺合料，其来自于唐山冀东热电厂生产的I级粉煤灰；试验用减水剂为青岛方北建材有限公司出品的聚羟酸系列高效减水剂；试验用水为实验室当地的普通自来水。

再生橡胶颗粒是此次研究的重要材料，通过废旧轮胎破碎筛分获得。经测定，其粒径范围为0.44～1.03 mm，表观密度为1 088 g/cm3，纤维含量为8.3%，灰分小于8.7%。在各种轮胎的生产过程中，为提高橡胶的性能，往往会添加一定量的硬质酸辛。这种添加剂会对橡胶颗粒和混凝土材料的黏结作用明显下降。为了解决这一问题，需要将制备好的橡胶颗粒在5%的NaOH溶液中浸泡12 h，然后再用清水洗净，晾干备用[5]。

2.2 试件制作

试验采用的是150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件。在试件制作过程中，首先将称量好的再生橡胶颗粒和粗骨料倒入搅拌机搅拌2 min，然后加入水泥、粉煤灰和细骨料继续搅拌1 min，最后加入水和减水剂再搅拌3 min[6]。将拌制好的改性橡胶混凝土装入试模，在振动台上振动2～3 min，振动密实之后放在阴凉、通风处静置24 h脱模，然后再放入标准养护室养护至28 d龄期[7]。

2.3 试验方法

将养护至规定龄期的试块在清水中浸泡48 h，然后取出擦干称重，放入橡胶桶，再放入冷冻箱开始冻融试验[7]。冻融循环试验在清水中进行，每个冻融循环的周期为4 h，试验中进行50次冻融循环，每10次循环测定一次质量数据，在50次冻融循环之后，测量试块的抗压强度和抗折强度[8]。

2.4 试验方案

在橡胶混凝土抗冻性能方面，橡胶掺量是最主要的影响因素。因此，研究中选择水工建设领域常用的C30混凝土进行试验。试验中保持其余参数不变，设置0%、5%、10%、15%和20%等5种不同的比例，利用再生橡胶颗粒等体积替代混凝土中的细骨料，根据试验结果探讨橡胶混凝土掺量对水工混凝土抗冻性能的影响。具体的试验方案见表1。

表1 试验方案配合比 /kg·(m3)-1

3 试验结果与分析

3.1 质量损失率

根据试验中获取的数据，对不同再生橡胶颗粒替代率方案下试件的质量损失率进行计算，结果见表2。由表2中的计算结果可以看出，冻融循环次数和再生橡胶颗粒的替代率均会对水工混凝土的质量损失率产生比较显著的影响。为了进一步获取相关的变化规律。研究中以表2中的数据为依据，绘制出不同试验方案下的试件质量损失率随冻融循环次数的变化曲线，见图1。由图1可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失率呈现出先缓慢增加、后迅速增加、然后增速又趋于缓慢的变化特点，且各方案的变化特征相似。由此可见，在混凝土中掺加再生橡胶颗粒，不会对混凝土的质量损失率变化规律造成显著影响。从不同的方案对比来看，掺加再生橡胶颗粒方案的质量损失率均明显偏小，说明在水工混凝土中掺加再生橡胶颗粒有助于提高混凝土的抗冻性。在各个方案中，质量损失率最小的为方案3。由此可见，从质量损失率的指标来看，最优方案为方案3，也就是选择10%的再生橡胶颗粒取代率。

表2 质量损失率试验结果

图1 质量损失率随冻融循环次数变化曲线

3.2 抗压强度

根据50次冻融试验完毕之后的抗压试验数据，绘制出混凝土抗压强度随再生橡胶颗粒取代率的变化曲线，见图2。由图2可以看出，随着再生橡胶颗粒取代率的增加，混凝土的抗压强度呈现出先迅速增加后逐渐减小的变化特点。同时，掺加再生橡胶颗粒方案的抗压强度值均大于没有掺加再生橡胶颗粒的方案1。由此可见，在水工混凝土中掺加再生橡胶颗粒，可以有效提高冻融循环作用下混凝土的抗压强度。究其原因，主要是橡胶颗粒为典型的弹性体材料，在分散到混凝土中之后，可以充当混凝土受冻过程中的应力中心，缓解冻融循环作用下的温度应力影响以及冻结过程中的膨胀应力，从而有效阻止了混凝土内部微裂缝的产生和发展，减少混凝土内部的应力破坏，因此提高混凝土的强度。当然，由于橡胶颗粒本身的强度较低，过量掺入橡胶颗粒，反而不利于混凝土强度的提高。从具体的计算结果来看，当再生橡胶颗粒取代率为10%时，试块的抗压强度值最大，为38.42 MPa，与没有掺加再生橡胶颗粒方案35.25 MPa的抗压强度值相比，增加约8.99%。

图2 抗压强度随再生橡胶颗粒取代率变化曲线

3.3 抗折强度

根据50次冻融试验完毕之后的抗折试验数据，绘制出混凝土抗折强度随再生橡胶颗粒取代率的变化曲线，见图3。由图3可以看出，抗折强度和抗压强度的变化规律类似，随着再生橡胶颗粒取代率的增加，混凝土的抗折强度呈现出先迅速增加后逐渐减小的变化特点。同时，掺加再生橡胶颗粒方案的抗折强度值均大于没有掺加再生橡胶颗粒的方案1。由此可见，在水工混凝土中掺加再生橡胶颗粒，可以有效提高冻融循环作用下混凝土的抗折强度。鉴于其原因和抗压强度类似，这里不再赘述。从具体的试验数据来看，当再生橡胶颗粒的取代率为10%时，试块的抗折强度值最大为5.23 MPa，与未掺加再生橡胶颗粒方案4.66 MPa的抗压强度值相比，提高约12.23。

图3 抗折强度随再生橡胶颗粒取代率变化曲线

4 结 论

本文通过室内试验的方式，探讨了再生橡胶颗粒掺量对水工混凝土抗冻性的影响，主要结论如下：

1) 在水工混凝土中掺加再生橡胶颗粒，可以有效降低混凝土的质量损失率，提高其抗压强度和抗折强度。

2) 当再生橡胶颗粒的取代率为10%时，混凝土的质量损失率最小，抗压强度和抗折强度最大。

3) 在水工混凝土中掺加再生橡胶颗粒，可有效提升其抗冻性能，结合试验数据，其最佳取代率为15%。