回收废旧轮胎集料改性RPC最优配比研究

钟春玲，颜 蒙，张云龙

1 吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118;2 吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

随着汽车等交通工具的普及,全世界每年生产29亿t新轮胎的同时淘汰1亿t～1.5亿t废旧轮胎,需求还在以4 %的速度增长,如何合理处理废旧轮胎,或者可以做到废物利用不造成资源浪费,是目前需要解决的重要问题[1-3].在对废旧轮胎集料回收的研究中,科研人员发现将废旧轮胎橡胶研磨成颗粒后添加到混凝土中在提高混凝土的性能的同时亦可解决其对环境污染问题.Zimmermann M等[4]人提出混凝土作为世界上第二大消耗材料,60 %～70 %都是由骨料制成的,将废弃物掺入混凝土是对环境友好的废物处理方法,废旧轮胎代替天然骨料,可以在减少自然资源的消耗的同时以环境友好的方式处理废旧轮胎.Dong M等[5]人对橡胶含量、粘结剂、处理方法的橡胶混凝土进行10组试验,对其力学性能和耐久性、适用性进行了评估,为橡胶代替天然集料来节约自然资源、降低排碳提供了思路.Kha F[6]指出橡胶混凝土相较于素混凝土,其抗压强度降低,橡胶集料代替细骨料的20 %和粗骨料的15 %的时候抗压强度损失相对比较低,橡胶集料掺和量和橡胶尺寸与混凝土可加工性呈负相关,其中和易性可以通过加入超塑化剂、硅灰、外加剂来改善.El-Sayed T A[7]发现加入废旧轮胎回收钢纤维对混凝土梁的抗弯性能有显著提高,证明废旧轮胎钢纤维可以提高力学性能.废旧轮胎回收利用是国内外热点,但很少有人将废旧轮胎橡胶集料和废旧轮胎钢纤维一同掺入活性粉末混凝土(RPC)中.本文用回收废旧轮胎橡胶颗粒(Used Rubber Pellets ,URP)替代细集料,用回收废旧轮胎钢纤维 (reusing waste shredded tires Steel Fibre,简称WSF)替代RPC中工业镀铜纤维,并通过响应面分析法(Response Surface Methodology，简称RSM)中的Box-Behnken设计实验来探究自然养护下28 d龄期的RPC最佳配比.

1 原材料和实验方法

1.1 实验方法

(1) 水泥. 原材料采用吉林某公司生产的P.Ⅱ 52.5水泥,水泥检验报告符合《普通硅酸盐水泥检验标准》(GB175-2007)[8],见表1.

表1 水泥的物理指标及化学成分Table 1 Physical index and chemical composition of cement

(2) 硅灰. 采用河北飞鹏矿业公司生产的硅灰,检测报告见表2,符合《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T 51003-2014).

表2 硅灰的物理指标及化学成分Table 2 Physical indexes and chemical composition of silica fume

(3) 粉煤灰. 采用河北省某公司生产的粉煤灰,检测报告见表3,符合《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T 51003-2014).

表3 粉煤灰的物理指标及化学成分Table 3 Physical indexes and chemical composition of fly ash

(4) 矿粉. 采用河北生产的S95级矿粉,其均符合《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T51003/2014) .测试报告见表4.

表4 矿粉的物理指标及化学成分Table 4 Physical and chemical properties of mineral powder

(5) 减水剂. 采用山东生产的高强混凝土聚羧酸高性能减水剂.检验指标见表5.

表5 减水剂的物理指标及化学成分Table 5 Physical indexes and chemical composition of water reducing agent

(6) 细集料. 采用吉林本地生产的机制砂,符合《普通混凝土用砂、碎石技术要求及试验方法标准》(JGJ 52-2006).

(7) 钢纤维. 由河北飞鹏矿产公司生产的废旧轮胎钢纤维制成,钢纤维性能指标见表6.

表6 钢纤维性能指标Table 6 Performance index of steel fiber

(8) 废旧轮胎橡胶. 废旧轮胎橡胶集料选取的是河北飞鹏矿产公司生产的20目～50目(230 um～870 um,表观密度是1 050 kg/m3,由废旧轮胎磨碎而成)来取代所研究活性粉末中的细集料.

1.2 试验方法

1.2.1 BBD设计

Box-Behnken是响应面(RSM)设计类型中常用的一种,它不包含嵌入因子或部分因子设计，为了减少误差,设计具有位于试验空间边缘中点处理的处理组合.试验采用三因素三响应的Box-Behnken试验.总共设计了17组试验,其中有5组平行试验,为了避免出现因试件离散性造成的误差,每组不少于3个试件.为了研究养护方式、龄期和废旧轮胎橡胶细集料替代量与废旧轮胎钢纤维掺量之间的关系, 设置了3个自变量:废旧轮胎橡胶颗粒细集料替代量、废旧轮胎钢纤维掺量、水胶比,对应的编码是A,B和C,对应的等级为1,0和1.查阅文献后,将废旧轮胎细集料替代量设置为:5 %～15 %,废旧轮胎钢纤维掺量设置为:1 %～4 %,W/C的范围设置为:0.15～0.25.

1.2.2 RPC配合比

根据BBD实验法得到的配合比见表7.

表7 RPC混凝土配合比Table 7 RPC concrete mix proportion

续表7

1.2.3 试验程序

查阅GB/T31387-2015要求,抗压强度试验和劈裂抗拉试验选用100 mm×100 mm×100 mm的立方体标准试件,试验机器均采用SYE3000B液压机(中国长春新试验机有限公司液压机).水泥砂浆度流动度制备量符合GB/T17671-1999规定,采用电动水泥砂浆流动度测定仪(简称电动跳桌)测定.根据活性粉末混凝土试验规范,抗压强度实验加载速度在1.2 MPa/s和1.4 MPa/s.劈裂抗拉强度实验采用WAW-1000B电液伺服万能材料试验机,垫片为木质三合板宽为20 mm,加载速度为0.05 MPa/s和0.08 MPa/s.

2 试验结果和讨论

2.1 基于BBD试验方差分析

基于BBD实验法得到结果如表8所示.

表8 基于BBD试验结果Table 8 Experimental results based on BBD

根据R2-squared,AdjustedR2-squared (adv.R2-squared)、Adeq.精度、Fisher检验值(F值)和概率“probb >F值”(P值).方差分析(ANOVA)可以用来评价设计和响应变量之间的关系,并评价模型是否显著.Design-Expert 12.0软件显示,二级模型对响应变量立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和流动度均显著.模型和方差分析结果见表9.

表9 模型和方差分析结果Table 9 Model and results of variance analysis

2.2 抗压强度

根据表10可知F值为113.94，表明该模型是有意义的，P值小于0.000 1,显然该模型显著，A,B,B2这3个因素的P值小于0.000 1,则说明相对于抗压强度影响显著,实际所得实验值与预测曲线趋势基本一致，见图1.

表10 模型因素方差分析Table 10 Analysis of variance of model factors

(a) 抗压强度3D响应面

(b) 抗压强度的实际值和预测曲线图1 抗压强度响应Fig.1 Response of compressive strength

得到的拟合方程如下:

CS|SC 28 d=90.40+1.83A+17.50B+78.16C-0.001AB-

1.91AC-1.3BC-0.08A2-2.90B2-147C2

试验中当URP掺量越高试件外观会有少量小孔,抗压破坏比较快速且破坏面明显、不规则,WSF掺量在一定范围，在混凝土中分布均匀形成网状结构,抗压破坏时有一个主要的破坏面,WSF掺量过多在混凝土中分布不均，容易团聚,破坏时破坏面较多且分布不规则,多发于WSF分布较少位置.URP的材料性质疏水、引气,无法被水泥浆体良好的包裹和在基质内不能均匀分布,增加混凝土内部缺陷,没有细集料和水泥浆体之间的化学反应,所以和水基质结合薄弱,硬度上URP不如细集料硬度大,因此掺量过多会明显影响抗压强度.

WSF在破坏的早期桥接微裂并控制裂纹发展,废旧轮胎钢纤维吸收一定能量所以使最大抗压强度增加.随着水胶比的增高,水泥基质的含水率也随之增加,当混凝土搅拌所需的水饱和时,多余的水从混凝土中释放出来,吸附在混凝土结构的表面.原始混凝土内部或试件表面吸附的水滴气泡会自然形成,增加混凝土内部孔隙度,降低活性粉末混凝土的抗压强度值.

2.3 劈裂抗拉强度

如表11所示,该模型P值小于0.000 1时表明显著,而F值到了29.79时表明模型是有意义的,P值小于0.000 1时表明对于劈裂抗拉强度其影响最大，且实验所得值基本都在预测曲线上如图2所示.

表11 劈裂抗拉强度分析Table 11 Analysis of splitting tensile strength

(a) 劈裂抗拉强度3D响应面

(b) 实际值和预测曲线图2 劈裂抗拉强度相应Fig.2 Corresponding splitting tensile strength

得到的拟合方程如下:

STS|SC 28 d=9.48+1.15A+5.66B+1.65C+0.003AB-0.65AC+

1.53BC+0.06A2-1.11B2+4.10C2

劈裂抗拉强度取决于基质强度和集料之间的附着力,脆性水泥浆不能承受拉力,抗劈拉强度和A因素URP细集料替代量、B因素WSF掺量的关系基本和抗压强度的趋势一致,URP无法被水泥基质良好的包裹、可以分散毛细管的收缩应力、可以减缓局部应力集中应力,相对于水泥基质有较高的弹性模量,加上它和水泥基质的粘结力可以抑制裂缝出现、扩展.WSF强度高于水泥基质,当裂缝小于纤维长度的时候可以起销栓作用URP相对于细集料弹性模量更低，替代量一定范围内可以增大劈裂抗拉强度,但由于硬度低且疏水，无法被水泥基质良好包裹的缺点，如果替代量继续增大会降低劈裂抗拉强度.

2.4 流动度

如表12所示,模型F值为56.83，表明模型有意义，P值小于0.000 1，表明拟合显著,就流动度来说B2对流动度的影响最显著,流动度拟合显著，实际实验数据基本在预测曲线上，如图3所示.

表12 流动度分析Table 12 Mobility analysis

(b) 流动度实验数据和预测曲线图3 流动度响应Fig.3 Fluidity response

得到的拟合方程如下:

FL|NC 28 d=123.03-2.63A+63.30B+829.7C+0.59AB+5.19AC-

38.43BC-0.07A2-15.34B2-1 800.60C2

由流动度(FL)测试结果可知，废旧轮胎橡胶(URP)掺量和废旧轮胎钢纤维(WSF)的引入都降低了混合物的流动度,W/B增高会提高混合物流动度.WSF和水泥浆体无法紧密结合并携裹一部分自由水,降低混合物的流动.混凝土中细集料是有级配的,而URP的颗粒大小均保持在2 mm～3 mm，使RPC混合物中有些空隙无法填充,会降低混凝土流动性.URP材质疏水的，导致混凝土中游离水增加，因此，在一定范围内提高替代量会导致FL增加;如果过量增加URP掺入量，URP相当于一个引气剂可引入空气，导致增大了摩擦阻力和水泥基质浆体不能很好相容，URP作为弹性材料,部分替换细砂后与骨料接触会产生挤压变形,不易滑动,降低了混凝土的流动性.

2.5 最优配比

综上所述得到最优配比见表13.

表13 基于BBD实验得到最优配合比Table 13 Optimal mix proportion based on BBD experiment

3 结论

本文首先采用基于响应面中的BBD实验法优化了WRPC的配合比;讨论并分析了制备参数对混凝土工作性能和力学性能的影响,并得出以下结论:

(1) 基于响应面中的BBD实验法,得到28 d标准养护下WRPC的优化配比:废旧轮胎橡胶替代细集料百分比为11.221 %、废旧轮胎钢纤维体积掺量为2.206 %、水胶比为0.196.

(2) 废旧轮胎橡胶对细集料的替代量对混凝土抗压强度有显著的影响,且由于其密度小在水泥基质内分布不均匀，因此引起应力分布不均会有薄弱层.

(3) 废旧轮胎钢纤维对RPC的流动度和抗压强度、劈裂抗拉强度都有较大影响,当含量适当时可以减缓混凝土的裂缝生长,但含量过高会使纤维成团不利于强度增加.

(4) 研究结果表明,水胶比在一定范围内升高时可以提高混凝土流动度，进而使纤维在混凝土基质内分布均匀,但过高时会影响强度.

(5) 废旧轮胎橡胶替代机制砂细集料、废旧轮胎钢纤维替代工业镀铜钢纤维，一方面可以回收利用废旧轮胎减少环境污染,另一方面可以提高混凝土性能.因此从长远来看,WRPC可以有较高的环保与经济效益.