改性橡胶透水混凝土基本性能研究★

刘兰君，阎宇彤

(商丘工学院土木工程学院,河南 商丘 476000)

0 引言

随着城市化的快速推进,城市地表被密实的混凝土材料所覆盖,由此引发诸多问题,最为突出的是城市内涝,近年来,全国受暴雨袭击的城市越来越多,每逢暴雨就会出现城市看海的情况,为解决这一问题,国家提出海绵城市发展战略[1-3]。

透水混凝土是由欧美、日本等国家针对城市道路路面的缺陷开发,使用的一种铺装材料,这种材料能让雨水流入地下,有效补充地下水,缓解城市的地下水位急剧下降等等的一些城市环境问题[4-6]。透水混凝土作为海绵城市建设中重要的材料,发挥着重要的作用,我国对透水混凝土的研究起步相对较晚,并且由于透水混凝土多孔结构特点,导致混凝土力学性能及耐久性相对较差,从而导致透水混凝土在广泛推广应用中受到限制[7-11]。

废旧橡胶作为工业发展的废弃物,随着经济的发展,汽车制造业的发展,淘汰废弃的轮胎数量激增从而导致废弃橡胶数量越来越多,据不完全统计,2022年废旧轮胎的数量达到5亿条,总重超过2 100万t作为一种数量极为丰富的固体废弃物,通常采用掩埋、焚烧的处理方式,而高分子橡胶是一种难溶难分解的高弹性的材料,简单粗暴的处理方式造成了严重的环境污染[12-14],但是,橡胶具有高弹性、耐磨性特点,将其用于透水混凝土中,可以极大的改善透水混凝土的性能,特别是变形性能和耐久性,不仅可以实现工业固体废弃物的再利用,还可以有效提高混凝土的性能[15-18]。

试验研究了在一定改性橡胶掺量和粒径下,天然骨料粒径对透水混凝土性能的影响,研究了改性橡胶粒径、掺量对透水混凝土孔隙率、透水系数、28 d抗压抗折强度以及抗折强度与抗压强度的关系,为废弃橡胶在透水混凝土中的应用提供理论依据。

1 原材料及配合比设计

1)骨料。透水混凝土对骨料的要求,除了形成骨架,提供强度,还要求保持一定的空隙,提高排水能力。试验采用单一粒径骨料,分为4组,第1组:2.5 mm～5 mm,第2组:5 mm～10 mm,第3组:10 mm～16 mm,第4组:16 mm～20 mm。各组表观密度和堆积密度见表1。

表1 骨料表观密度和堆积密度

2)水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥,各项技术指标符合GB 175—2020通用硅酸盐水泥的要求,表观密度为3 100 kg/m3。

3)废旧橡胶。废弃橡胶采用河北石家庄市燕西加工厂的橡胶,4组粒径分别是10目、30目、60目、80目,其粒径分别对应的是2 mm,0.6 mm,0.25 mm,0.18 mm,其改性方法为:氧化-尿素改性,NaOH溶液改性后,用高锰酸钾溶液在60 ℃恒温下氧化,并持续添加高锰酸钾,同时保持pH在2～3之间,保持30 min,清水冲洗2遍。橡胶掺量,以水泥质量百分数记,分别为:5%,10%,15%,20%。

4)水为市政自来水,满足JGJ 63—2006混凝土用水标准的相关要求。

5)减水剂为聚羧酸高效减水剂,掺量为水泥质量的1%。

6)配合比设计,透水混凝土配合比设计依据CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技术规程的规定进行计算。当10目橡胶掺量10%,不同骨料粒径的配合比见表2。

表2 10目橡胶掺量10%,各组配合比

骨料粒径10 mm～16 mm时,分别采用10目、30目、60目、80目橡胶,掺量分别为5%,10%,15%,20%时,配合比设计结果见表3。

表3 改性橡胶透水混凝土配合比设计

7)拌和。当前对透水混凝土拌和的研究缺乏定量的数据佐证,难以全面系统地反映各搅拌方式的特点。主要有一次投料法、水泥净浆法和石子裹浆法3种,试验采用文献推荐的石子裹浆法,拌和流程如图1所示。

2 试验方法

分别依据CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技术规程、GB/T 50081—2019普通混凝土力学性能试验方法标准、GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性实验方法标准、标GB/T 16925—1997混凝土及其制品耐磨性实验方法进行孔隙率、透水系数、抗压、抗折强度试验。

3 试验结果及分析

1)当10目橡胶掺量10%,氧化-尿素改性后,不同骨料粒径的抗压强度如表4所示。

表4 10目、掺量10%、不同骨料粒径28 d抗压强度

从试验结果可以看到,随着骨料粒径增加,28 d抗压强度先增加后减小,在10 mm～16 mm时达到最大。在16 mm以内时,骨料粒径增加,总表面积减小,骨料内摩擦增加,与水泥浆的黏结力增加从而导致透水混凝土力学性能增加。如果骨料增加到16 mm～20 mm,由于骨料之前的孔隙率增加,孔隙率对强度的控制超越内摩擦力成为主导作用,导致透水混凝土强度开始降低。

所以,透水混凝土骨料粒径控制在10 mm～16 mm较为理想。

2)骨料粒径10 mm～16 mm时,分别采用10目、30目、60目、80目橡胶,掺量分别为5%,10%,15%,20%时,透水混凝土28 d抗压强度、抗折强度、孔隙率、透水系数试验结果见表5。

表5 试验结果

由表5和图2可知,废旧橡胶的掺入降低了透水混凝土的孔隙率,掺量越多,降低的越多。橡胶颗粒10目时,掺量为5%,10%,15%,20%,分别降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目时,分别降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目时,分别降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目时,分别降低了25%,34%,40%,47%。目数越大降低的越多。在小掺量5%时,10目橡胶、30目橡胶、60目橡胶对孔隙率的降低都在10%以内。橡胶颗粒越小,对孔隙率的降低越明显,80目橡胶对孔隙率的降低明显增加。

由表5和图3可知,废旧橡胶降低了透水混凝土的透水系数,掺量越大,影响越大,橡胶颗粒越小,降低越显著,橡胶颗粒为80目,透水混凝土的透水系数降低程度明显加剧。橡胶颗粒10目时,掺量为5%,10%,15%,20%,分别降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目时,分别降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目时,分别降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目时,分别降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目时,在橡胶掺量5%时,降低不超过5%,80目橡胶掺量为20%,透水系数降低了63.7%。

由于橡胶的掺入,堵塞了原有透水混凝土渗流通道,降低了孔隙率,从而降低了透水混凝土的渗透系数。

由表5和图4可知,掺入10目橡胶时,掺量5%,透水混凝土抗压强度提高了12.7%,掺量10%时,抗压强度提高6.4%,掺量为15%,20%,分别降低了7.4%和36.7%;掺入30目橡胶时,掺量为5%时,抗压强度提高8.8%,掺量为10%,15%,20%,抗压强度分别降低了1.4%,14.8%,25.4%;掺入60目橡胶时,掺量5%时,抗压强度提高1.7%,掺量为10%,15%,20%,抗压强度分别降低了4.2%,8.5%,14.5%;掺入80目橡胶时,掺量为5%,10%,15%,20%,抗压强度分别降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。掺入10目的橡胶5%时,透水混凝土抗压强度达到最大31.9 MPa。在小掺量时,粒径较大时,废弃橡胶的掺入,降低了透水混凝土的孔隙率,提高密实度,从而在一定程度上增加了透水混凝土的强度。但是随着掺量的增加,颗粒粒径的减小,透水混凝土的强度开始降低,并且掺量越大,粒径越小,降低程度越大。本文认为,在孔隙率较大时,孔隙率对强度的影响起控制作用,降低孔隙率能明显提高强度,当孔隙率降低到一定程度时,骨料性质、骨料与水泥浆之间的截面黏结力以及骨料的总表面积起控制作用,橡胶掺量增大、粒径减小时,骨料强度降低,骨料总表面积增大,浆骨比相对减小,同时,橡胶颗粒与水泥浆黏结力小于石子与水泥浆的黏结力,从而导致了在掺量较大、橡胶目数增加时,透水混凝土抗压强度降低。

由表5和图5可知,掺入10目橡胶时,掺量5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了13%,4.3%,掺量为15%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低34.8%,56.5%;掺入30目橡胶时,掺量为5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了0,21.7%,掺量为15%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低26.1%,34.8%;掺入60目橡胶时,掺量为5%,10%,15%时,透水混凝土抗折强度分别提高了13%,26%,4.3%,掺入20%时,降低了47.8%;掺入80目橡胶时,掺量为5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了4.4%,8.7%,掺量为5%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低13%,34%。60目,掺量为15%时,抗折强度提高最大,达到2.9 MPa,其次是30目、掺量15%时,达到2.8 MPa。

由于普通混凝土是脆性材料、透水混凝土孔隙率大,抗折强度较低,废旧橡胶填充了透水混凝土孔隙,同时橡胶固有弹性比混凝土好,所以出现粒径不同、掺量不同时,导致透水混凝土抗折强度不同程度的提高,但是,当掺量比较大,粒径较小时,浆骨比、截面黏结强度对抗折强度起控制作用,抗折强度开始降低。

对比橡胶颗粒对透水混凝土抗压强度和抗折强度的影响,橡胶对抗折强度的改善较为有利。

3)改性橡胶透水混凝土抗折强度与抗压强度的关系。为分析改性橡胶透水混凝土抗折强度与抗压之间的变化关系,取10目橡胶的各掺量下的抗折和抗压强度进行拟合,如图6所示。

拟合结果显示,改性橡胶透水混凝土抗折强度与抗压之间呈线性关系,斜率0.118,R2=0.9。

4 结论

试验考察了氧化-尿素改性橡胶对透水混凝土基本性能的影响。

1)考察了不同骨料粒径对透水混凝土抗压强度的影响,10目橡胶掺量10%时,粒径分别是2.5 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～16 mm,16 mm～20 mm 4组,从试验结果可以看出,随着骨料粒径增加,28 d抗压强度先增加后减小,在10 mm～16 mm时达到最大。

2)橡胶颗粒10目时,掺量为5%,10%,15%,20%,分别降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目时,分别降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目时,分别降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目时,分别降低了25%,34%,40%,47%。目数越大降低的越多。在小掺量5%时,10目橡胶、30目橡胶、60目橡胶对孔隙率的降低都在10%以内。橡胶颗粒越小,对孔隙率的降低越明显,80目橡胶对孔隙率的降低明显增加。

3)废旧橡胶降低了透水混凝土的透水系数,掺量越大,影响越大,橡胶颗粒越小,降低越显著,橡胶颗粒为80目,透水混凝土的透水系数降低程度明显加剧。橡胶颗粒10目时,掺量为5%,10%,15%,20%,分别降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目时,分别降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目时,分别降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目时,分别降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目时,在橡胶掺量5%时,降低不超过5%,80目橡胶掺量为20%,透水系数降低了63.7%。

4)掺入10目橡胶时,掺量5%,透水混凝土抗压强度提高了12.7%,掺量10%时,抗压强度提高6.4%,掺量为15%,20%,分别降低了7.4%和36.7%;掺入30目橡胶时,掺量为5%时,抗压强度提高8.8%,掺量为10%,15%,20%,抗压强度分别降低了1.4%,14.8%,25.4%;掺入60目橡胶时,掺量5%时,抗压强度提高1.7%,掺量为10%,15%,20%,抗压强度分别降低了4.2%,8.5%,14.5%;掺入80目橡胶时,掺量为5%,10%,15%,20%,抗压强度分别降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。掺入10目的橡胶5%时,透水混凝土抗压强度达到最大31.9 MPa。

5)掺入10目橡胶时,掺量5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了13%,4.3%,掺量为15%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低34.8%,56.5%;掺入30目橡胶时,掺量为5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了0,21.7%,掺量为15%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低26.1%,34.8%;掺入60目橡胶时,掺量为5%,10%,15%时,透水混凝土抗折强度分别提高了13%,26%,4.3%,掺入20%时,降低了47.8%;掺入80目橡胶时,掺量为5%,10%时,透水混凝土抗折强度分别提高了4.4%,8.7%,掺量为5%,20%时,透水混凝土抗折强度分别降低13%,34%。60目,掺量为15%时,抗折强度提高最大,达到2.9 MPa,其次是30目、掺量15%时,达到2.8 MPa。

6)改性橡胶透水混凝土抗折强度与抗压强度的关系为y=-1.221+0.118x。