橡胶再生粗骨料混凝土的性能试验研究

石玲霞 李俊杰

（惠民县交通运输事业服务中心，山东 滨州 251700）

0 引言

混凝土是目前世界上使用最广泛的建筑材料之一，中国城市扩建拆除过程中产生了大量废弃混凝土，占用空间和资源。研究人员已经对废弃混凝土的回收进行了大量研究，目前主要的回收方法是将废弃混凝土制备成再生骨料后以一定的取代率掺入混凝土中。与普通天然骨料相比，再生骨料的吸水量较大，再生粗骨料混凝土的力学性能和抗冻性能均有一定下降，在一定程度上限制了其在工程中的应用[1]。

该文探索回收再生骨料混凝土材料的高附加值新技术和方法，尝试以再生粗骨料取代天然粗骨料，以不同掺量的橡胶颗粒复合取代天然细骨料，制备绿色环保混凝土，以期为路面再生混凝土和橡胶混凝土的未来研究提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：PO42.5R 普通硅酸盐水泥。天然粗骨料：粒径为5mm~20mm 和20mm~40mm 的2 种连续级配碎石，表观密度为2620kg/m3，天然骨料体积密度为1405kg/m3。再生粗骨料：深圳科路盛实业有限公司，最大粒径为40mm，表观密度为2460kg/m3，堆积密度为1316kg/m3。天然细骨料为天然河砂，细度模数为2.53，表观密度为2480kg/m3。废弃橡胶颗粒：粒径小于1mm，密度为920kg/m3，其他技术参数见表1。减水剂：聚羧酸高性能减水剂。

表1 橡胶颗粒主要参数

1.2 试验配合比

试验制备了一组普通混凝土作为基准对照组，普通混凝土的强度设计为C50，通过体积置换法以橡胶颗粒和再生粗骨料取代天然骨料，再生粗骨料替代率为100%，天然粗骨料被相同体积的再生骨料完全替代。废弃橡胶颗粒以10%、20%和30%的替换率取代天然细骨料[2-3]。由于再生骨料的吸水率相对较高，以再生粗骨料20 分钟的吸水量计算附加水量，具体配合比见表2。

表2 普通混凝土和橡胶再生粗骨料混凝土试件配合比

1.3 试样制备和试验方法

基于混凝土结构试验方法标准（GB/T50152—2012），制备150mm×150mm×150mm 的标准立方体用于抗压强度试验，和150mm×150mm×550mm 的标准棱柱体试件用于抗折试验、弯曲试验和疲劳试验。试验使用三点荷载进行弯曲试验，采用位移控制模式。试验装置下轴承跨度为400mm，每个轴承距离试样末端75mm，加载速度为0.05mm/min，如图1 所示。在静载荷试验期间，通过位移计测量试样挠度，并通过应变测量系统收集和记录应变。混凝土疲劳性能试验中选取正弦波形，与路面载荷产生的实际波形非常相似，使用的荷载频率为10Hz，最大荷载Pmax为极限荷载的0.6、0.7、0.8 和0.9 倍，即S值。

图1 三点荷载弯曲试验简图（单位：mm）

2 试验结果和分析

2.1 基本力学性能

根据混凝土物理力学性能试验方法标准（GBT50081—2019）对橡胶再生粗骨料混凝土的力学性能进行了研究，试验结果如图2 所示。与普通混凝土相比，未掺加橡胶颗粒的R0 组试件的抗压强度提高了9.8%，而抗折强度降低了10.2%。掺入橡胶颗粒后，R10 的抗压强度和抗折强度下降了26.4%和5.9%，R20 的抗压强度和抗折强度下降了37.9%和11.8%，R30 的抗压强度下降了近一半，抗折强度下降了19.8%。抗压强度和抗折强度随橡胶含量的增加而降低，抗折强度的降低程度显著低于抗压强度的降低程度。在混凝土中掺入废弃橡胶颗粒，使混凝土原有的内部结构发生了变化。当橡胶颗粒含量达到20%时，抗折强度仍大于4.5MPa，能够满足普通路面要求。

图2 抗压强度和抗折强度对比

R0 的弹性模量为普通混凝土的97.3%，其折压比降低了19.2%。随橡胶掺量的增加，R30 的弹性模量减少为R0 的近一半，但其折压比增加了近一半。再生骨料的掺入对试样弹性模量的降低没有显著影响，而橡胶颗粒的掺入显著降低了弹性模量，折压比反而不断增加，R30 的折压比高出R0 折压比一半，表明橡胶再生粗骨料混凝土具有优异的抗裂性能。

2.2 弯曲性能试验结果和分析

针对橡胶再生粗骨料混凝土的变形特性，该文在试验过程中收集了应变和挠度等试验参数，应变分为峰值拉应变和极限拉应变。R0 的峰值应变比NC 有所提高，但并不显著。当掺入10%、20%和30%橡胶颗粒时，R10、R20 和R30 的峰值应变比R0 增加了1.16~1.62 倍，极限拉应变增加幅度较大，最大可增加3 倍以上，挠度也有不超过2 倍的一定程度的增加。从数据中可以看出，橡胶再生粗骨料混凝土的弯曲变形能力因废弃橡胶颗粒的掺入得到了一定提升。在试验过程中，橡胶颗粒作为橡胶再生混凝土的一部分，在受荷过程中，弹性的橡胶颗粒对荷载起了一定的缓冲作用，阻碍了混凝土脆性破坏现象的出现，使微裂纹的发展速度减慢。当橡胶颗粒掺量增加到20%时，其极限应变增加约3.5 倍，峰值挠度最大增加到R0 的近2 倍。含30%橡胶颗粒的R30 比R20 的极限应变和峰值挠度有所下降，这表明当橡胶颗粒掺量超过一定值时，废弃橡胶颗粒反而对混凝土的抗弯曲变形能力起了不利作用。

荷载-挠度曲线如图3 所示，荷载-应变曲线如图4 所示。图3、图4 表明，不同组别的混凝土呈现出脆性破坏的特征。掺入废弃橡胶颗粒的混凝土的挠度、应变曲线呈现出先上升、后下降的趋势，在试验过程较容易观察到塑性变形特征。混凝土试件破坏失效前可观察到较大的挠度变形，同时也证实了再生粗骨料混凝土中的弹性橡胶颗粒在受荷过程中具有一定能量消耗能力以及对混凝土延性的提高作用。

图3 荷载-挠度曲线

图4 荷载-应变曲线

2.3 弯曲试验破坏形态分析

在弯曲荷载下，可观察到在荷载施加后，混凝土试件的破坏分为4 个不同的阶段，即再生粗细骨料带来的初始内部缺陷、受荷初期混凝土内部细小裂纹发生、宏观裂纹发生和结构破坏（宏观裂纹穿透）。NC 中的裂纹具有宽开口和深穿透的特点，而再生粗骨料混凝土的破坏模式与NC 相似。加入橡胶颗粒后，混凝土受荷过程中出现的裂纹的宽度和深度随之减少，抗裂性能显著提高，混凝土出现延性破坏的特征。再生粗骨料混凝土原本较差的抗裂性能和抗弯曲破坏能力随废弃橡胶颗粒的掺入而增强。废弃橡胶颗粒表面粗糙，可防水且有一定弹性，它们均匀分布在混凝土内部形成无数个间隔的微小弹簧，使其弯曲变形能力得到增强[3]。橡胶颗粒不仅以许多微弹簧的方式承受部分弯曲载荷，而且具有优异的拉伸性能，可以阻止微裂纹的扩展并延迟新裂纹的产生。因此，废弃橡胶颗粒的掺入增强了混凝土的抗裂能力，使混凝土试件表现出显著的延性破坏特性。

3 弯曲疲劳试验结果及分析

每组混凝土在不同应力水平作用下进行的疲劳试验的载荷参数见表3。该文根据表3 所示的荷载参数进行了三点弯曲疲劳试验，疲劳寿命结果见表4。表4 中的数据在不同试验中显示出一定的离散性，这与其他研究者的结果一致。主要原因为混凝土是一种复合材料，其内部的不均匀性导致在相同应力水平下每个试样呈现出不同的疲劳寿命。表4还显示出，对配合比相同的橡胶再生粗骨料混凝土试件，疲劳寿命随应力水平的升高而缩短。例如，在相同的应力水平下，NC 的平均疲劳寿命最短，而再生粗骨料混凝土的平均寿命比NC 长。随着橡胶含量的增加，混凝土的疲劳寿命有所增长。再生粗骨料混凝土的疲劳寿命的最优废弃橡胶颗粒掺量为20%，此时混凝土的抗弯曲疲劳性能最佳。例如当应力水平为0.6 时，掺入20%橡胶颗粒的再生粗骨料混凝土的平均疲劳寿命为742943 次循环。

表3 疲劳试验的载荷参数

表4 疲劳试验结果

橡胶颗粒的掺入显著提高了混凝土的疲劳寿命，主要是因为橡胶抵抗破坏的能力较弱，但抵抗变形的能力较强。随着橡胶颗粒的掺入，混凝土在受荷情况下产生更小了的收缩变形量，这与基本力学性能试验中橡胶再生粗骨料混凝土在加载破坏过程中表现出塑性破坏现象的原因一致，它们作为分布在混凝土内部的微弹簧单元，可以显著降低试样的弹性模量并增强其弯曲变形能力，能有效阻止微裂纹扩展并延迟在循环载荷下新裂纹的出现，进而提高了疲劳寿命。

4 结论

为研究橡胶再生粗骨料混凝土的力学性能和疲劳性能，该文采用不同配合比橡胶再生粗骨料混凝土进行了力学性能和疲劳性能试验。得出以下结论：1）再生粗骨料混凝土的抗压强度比普通混凝土提高了9.8%，抗折强度比普通混凝土低10.2%，其弹性模量略有下降。2）橡胶再生粗骨料混凝土的基本力学性能着废弃橡胶颗粒的掺入而下降，混凝土的弹性模量也随之降低。如果用于实际工程中的路面，建议橡胶再生粗骨料混凝土的橡胶掺量不超过20%。3）橡胶颗粒的掺入显著降低弹性模量，折压比随混凝土中橡胶含量的增加而不断增加。同时，以一定掺量的橡胶颗粒掺入混凝土可改善再生粗骨料混凝土的抗裂性能，提高混凝土的疲劳寿命，橡胶掺量达到20%时增强效果最佳。4）该文研究的橡胶再生粗骨料混凝土是一种新型路面材料，它利用废旧轮胎和废弃混凝土作为再生资源，在对建筑废弃物二次利用的同时也可解决一部分“黑色垃圾”的处理问题，可尝试在实际工程中进行推广，促进橡胶再生粗骨料混凝土的工程应用和发展。