不同粒径及掺量对改性橡胶混凝土性能的影响

周爱强，康俊涛

(1.武汉高科国有控股集团有限公司,湖北 武汉 430000; 2.武汉理工大学土木与建筑学院,湖北 武汉 430205)

0 引言

随着我国汽车保有量增加,废旧轮胎数量也持续增加,这必然会产生大量的废旧橡胶。废旧橡胶降解速度缓慢,占用大量土地,一定程度上危害着人类健康,会造成严重的环境污染,因此,废旧橡胶的资源化回收利用对我国实现绿色低碳发展具有重要意义。

将废旧橡胶粉碎化处理成橡胶颗粒作为集料掺入水泥混凝土中制得橡胶水泥混凝土,这样不仅解决了橡胶处理难的问题,还有效地改善了传统混凝土自重大、脆性高的性能[1]。橡胶混凝土具有轻质高弹、耐磨减震、抗裂性好、冲击韧性高等优点,已成为了国内外学者研究热点之一[2]。Salem等[3]和王涛等[4]研究了不同掺量下橡胶混凝土力学性能,结果表明,随着橡胶掺量的增加,混凝土力学性能有不同程度下降,但其韧性则有不同程度提高。Kahtib等[5]研究了橡胶掺量和橡胶颗粒粒径对橡胶混凝土的强度影响,得到了混凝土强度折减系数与橡胶掺量和粒径间的关系。付传清等[6]研究了掺入不同掺量同一橡胶粒径的橡胶混凝土的力学性能,并得到了可供预测的橡胶混凝土强度公式。李赞成等[7]和路沙沙等[8]研究了不同粒径、不同掺量下橡胶混凝土的力学特性,研究表明在相同掺量下,粒径越大,橡胶混凝土的抗压强度、抗折强度越小,抗渗性越好。但是以上研究中对橡胶混凝土的抗渗性研究较少,且掺量组数较少,大多研究对象为普通橡胶混凝土。本文系统研究了在2种橡胶粒径(1 mm～2 mm,3 mm～5 mm),6种橡胶掺量(0%,5%,10%,15%,20%,25%)下,掺入经质量浓度为2.5%硅烷偶联剂在室温环境下处理0.5 h洗净晾干后的橡胶集料对改性橡胶混凝土的力学性能和抗渗性的影响,并拟合分析出可供预测的数学公式。

1 试验

1.1 原材料

水泥:P.O42.5普通硅酸盐水泥;细集料:细度模数为2.4的河砂,其含泥量1.1%、表观密度2 631.2 kg/m3、堆积密度为1 534.7 kg/m3、孔隙率为41.7%、级配合格;粗集料:由陕西平溪石料厂生产的碎石,其针片状颗粒总含量(质量分数)3%、含泥量0.7%、表观密度2 929.8 kg/m3、松散堆积密度1 638.1 kg/m3、孔隙率44.1%、级配合格;橡胶集料:由四川华益橡胶有限公司生产的橡胶颗粒,分别是粒径为1 mm～2 mm的橡胶颗粒a,其表观密度为1 050.0 kg/m3和粒径为3 mm～5 mm的橡胶颗粒b,其表观密度为1 120.0 kg/m3;减水剂:由湖南中岩建材科技有限公司配置的ZY-SR-4聚羧酸减水剂,减水率经测定为23.97%;橡胶预处理剂:由曙光化工集团有限公司生产的硅烷偶联剂(KH560)。

1.2 配合比设计

本试验研究根据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程[9]进行配合比设计,基准混凝土的配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=434∶165∶697∶1 238,减水剂用量为6.51 kg/m3。橡胶混凝土分别用粒径为1 mm～2 mm的橡胶颗粒a和粒径为3 mm～5 mm的橡胶颗粒b等体积取代细骨料,取代率为0%,5%,10%,15%,20%,25%。试验具体配合比见表1。表中编号含义为:RC表示橡胶混凝土,a,b表示掺入的橡胶颗粒粒径,编号中数字表示橡胶掺量,如RCa-5表示橡胶掺量为5%、橡胶颗粒粒径为1 mm～2 mm的橡胶混凝土。

表1 橡胶混凝土配合比表

1.3 试验内容与方法

测定2种橡胶粒径分别为1 mm～2 mm,3 mm～5 mm,6种橡胶掺量分别为0%,5%,10%,15%,20%,25%的橡胶混凝土经标准养护后的28 d抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量及抗渗性能指标,分析不同橡胶粒径、掺量下相关性能指标的变化规律。

本试验采用的橡胶集料在掺入前需经过质量浓度为2.5%硅烷偶联剂(KH560)在室温环境下处理0.5 h后洗净晾干,试验研究根据GB/T 50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准[10]中的规定方法进行。试件数量及尺寸见表2。

表2 试件尺寸与数量

2 试验结果分析

2.1 立方体抗压强度试验

在对基准混凝土试件加载过程中发现,基准混凝土变形逐渐增大,加载到接近极限荷载时,裂纹突然扩展,发出爆炸声,发生脆性破坏,如图1所示。同一粒径不同掺量的橡胶混凝土在掺量水平为5%时,发生的破坏仍为脆性破坏,但随着掺量水平的提高,破坏时爆裂声逐渐减小,当掺量水平达到15%,已无明显的爆裂声,如图2所示。当掺量水平达到25%时,破坏时试件表面有较多裂纹,试件中部有明显外鼓变形,破坏后试件完整性更好,如图3所示。相同掺量不同粒径的橡胶混凝土的破坏现象无显著差别。橡胶混凝土的28 d立方体抗压强度随橡胶掺量发展规律如图4所示。

从图4中可以看出,不同粒径的试块28 d立方体抗压强度整体上随着橡胶掺量的增加而降低,其中掺3 mm～5 mm粒径的试块立方体抗压强度的下降幅度略大;当掺量水平在10%范围内,抗压强度下降不明显;当掺量水平超过10%时,抗压强度快速下降。掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土28 d立方体抗压强度为基准混凝土的70.3%～98.6%,掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土28 d立方体抗压强度为基准混凝土的68.7%～98.3%。

通过对试验数据进行拟合分析,得到掺1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土立方体抗压强度与橡胶掺量关系分别如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中,fcca为掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的28 d立方体抗压强度,MPa;fccb为掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土的28 d立方体抗压强度,MPa;x为橡胶掺量,%。

2.2 静力受压弹性模量试验

在对各组圆柱体试件加载至破坏荷载的过程中,随着橡胶掺量的增多,试件在破坏时也能保持较好的完整性;在相同的橡胶掺量下,掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土相较于掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土在加载过程中裂缝发展更为缓慢。橡胶混凝土轴心抗压强度及静力受压弹性模量随橡胶掺量发展规律如图5,图6所示。

从图5,图6中可以看出,不同粒径的试块轴心抗压强度和静力受压弹性模量整体上随着橡胶掺量的增加而降低,当掺量水平超过15%时,橡胶混凝土轴心抗压强度和弹性模量下降更加明显;当橡胶掺量相同时,掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土的轴心抗压强度和弹性模量总体上比掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的低。掺1 mm～2 mm的橡胶混凝土轴心抗压强度和弹性模量分别为基准混凝土的69.4%～98.4%,68.1%～97.0%,掺3 mm～5 mm的橡胶混凝土轴心抗压强度和弹性模量分别为基准混凝土的66.1%～98.8%,67.3%～94.5%。

通过对试验数据进行拟合分析,得到掺1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土轴心抗压强度与橡胶掺量关系分别如式(3),式(4)所示,静力受压弹性模量与橡胶掺量关系分别如式(5),式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,fcpa为掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的轴心抗压强度,MPa;fcpb为掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土的轴心抗压强度,MPa;Eca为掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的静力受压弹性模量,GPa;Ecb为掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土的静力受压弹性模量,GPa;x为橡胶掺量,%。

2.3 抗渗性试验

本次抗渗性试验采用渗水高度法进行,试验设备为HP-4.0混凝土抗渗仪。试件养护至龄期后取出,采用液态石蜡对试件侧面做密封处理。将处理完成后的试件安装到抗渗仪上,加水压力24 h后降压,从试模中取出试件后将其劈裂,观察各试件内部渗水情况,如图7,图8所示;记录渗水高度,并计算平均渗水高度及相对渗透系数。为方便数据分析与计算,将相对渗透系数Sk取对数,试件lg(Sk)与橡胶掺量的发展规律如图9所示。

从图9中可以看出,掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的渗透系数先降低后升高;相应地,当掺量水平在15%以内时,其抗渗性能随着橡胶掺量的增加而提高;当掺量水平大于15%时,其抗渗性能随着橡胶掺量的增加而降低,但其抗渗性能整体上高于基准水泥混凝土。掺3 mm～5 mm的橡胶混凝土的渗透系数相较于掺1 mm～2 mm的橡胶混凝土降低幅度很小,且与基准水泥混凝土相比,其渗透系数也是先降低后升高,当掺量超过10%时,其抗渗性能甚至低于基准水泥混凝土。

通过对试验数据进行拟合分析,得到掺1 mm～2 mm和3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土lg(Sk)与橡胶掺量关系分别如式(7),式(8)所示。

(7)

(8)

其中,lg(Ska)为掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的相对渗透系数Ska取对数,m/s;lg(Skb)为掺3 mm～5 mm粒径的橡胶混凝土的相对渗透系数Skb取对数,m/s;x为橡胶掺量,%。

3 结论

1)随着橡胶掺量的增加,橡胶混凝土的力学性能不断降低,掺1 mm～2 mm橡胶颗粒的橡胶混凝土的降低幅度更小。由于橡胶颗粒的弹性模量显著低于粗细集料,橡胶颗粒的掺入使普通混凝土内部分布了较多的小弹性体,提高了混凝土的韧性,但同时也降低了其强度,可应用于对强度要求不高的道路面层。

2)掺1 mm～2 mm粒径的橡胶混凝土的抗渗性能要优于基准混凝土,且在掺量水平为15%时,抗渗性能最佳。由于橡胶材料为疏水材料,可有效减小混凝土内部水的渗流,降低毛细作用,从而提高橡胶混凝土的抗渗性。

3)通过对试验结果进行拟合,得到了可供预测的橡胶混凝土强度、弹性模量以及相对渗透系数随掺量的变化关系式,并综合分析后得出:橡胶粒径为1 mm～2 mm,橡胶掺量为15%时,橡胶混凝土的综合性能相对优越。