橡胶混凝土的抗冻融和抗冲击性能研究

2021-06-03李燕飞郭庆

新型建筑材料 2021年5期

李燕飞，郭庆

（1.山西一建集团有限公司，山西太原 030012；2.山西省建筑科学研究院有限公司，山西太原 030001）

0 前言

汽车轮胎的橡胶是由高度耐用且具有强分子结构的聚合物组成，在自然环境下需要1个世纪才能分解[1]。由于机动车辆的剧增，废旧橡胶轮胎造成的环境污染也在增加。用橡胶颗粒替代混凝土中的砂制备橡胶混凝土不仅能够对废旧橡胶进行再利用，也能减少河砂的使用。废橡胶颗粒对混凝土的力学性能有显著影响，会降低混凝土的抗压强度[2-3]。阎磊[4]研究了橡胶自密实橡胶混凝土的和易性和力学性能，给出最佳橡胶颗粒的取代率和粒径。何亮等[5]的研究指出，由于橡胶具有疏水性，而水泥材料具有亲水性，因而导致橡胶混凝土的强度下降。Benazzouk等[6]的研究表明，由于橡胶颗粒和周围混凝土之间的界面连接较弱，且橡胶的弹性模量较低，使得界面连接处更容易产生应力集中现象，从而导致橡胶混凝土的强度较普通混凝土低。此外，随着橡胶含量的增加，虽然橡胶混凝土的抗压强度和密度降低，但同时能够增加混凝土吸收能量的性能和韧性，橡胶混凝土吸能和韧性的增加则为其能够在易受冲击和磨损的情况下应用提供了基础[7-8]。龙广成等[9]的研究表明，掺入橡胶颗粒的橡胶混凝土具有更好的抗冲击性能。郭永昌等[10]的研究表明，橡胶混凝土是一种应变率敏感材料，橡胶混凝土的峰值应力、极限应变表现出显著的应变率强化效应，其抗冲击性能明显优于普通混凝土。吴安利等[11]的研究表明，经过改性的橡胶混凝土具有较高的强度和韧性，橡胶混凝土抵抗复合盐冻融循环和抗冲蚀性能均较普通混凝土有所改善。谢军等[12]的研究表明，橡胶颗粒的掺入能够提高试件的抗水侵蚀性能。综上所述，橡胶混凝土较普通混凝土的强度虽有降低，但其韧性、抗冻融、抗冲击和耐久性能均有提高，因此橡胶混凝土的应用前景较好。本文研究了橡胶颗粒掺量和粒径对橡胶混凝土抗压强度、抗冻性和抗冲击等性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，初、终凝时间分别为130、212 min，28 d抗压强度为45.2 MPa；粗骨料：粒径5～25 mm、级配良好的石子，密度为2700 kg/m3，吸水率为2.4%；细骨料：天然河砂，级配良好，细度模数3.20；水：自来水；橡胶颗粒：采用废旧橡胶轮胎制成，最大粒径分别为1 mm和2mm。

1.2 试验配合比

本试验中所有试件的水灰比均为0.50，在其它参数保持不变的情况下，使用橡胶颗粒分别等体积取代0.5%、1.0%、2.0%和4.0%的砂，试件成型后在饱和石灰水中养护28 d。混凝土试件的配合比见表1。

表1 混凝土试件的配合比

1.3 试验方法

1.3.1 抗压强度

抗压强度按GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

1.3.2 孔隙吸水率

孔隙吸水率试件为直径150 mm、厚度55 mm的圆柱体，每组3个试件。养护28 d后用烘箱干燥试件至恒重。干燥后，只有顶面和底面保持裸露状态，侧面为不透水状态，如图1所示，将试件放在容器中的2个支架上，使试件下表面浸入水中5 mm深度。在5、10、20、30、60、180、360、720、1440 min时称量水的质量，按式（1）计算试件的孔隙吸水率。

式中：k——孔隙吸水率，cm/s1/2；

t——吸水时间，s；

Q/A——单位时间内渗过试件单位面积的水量，cm。

图1 混凝土试件孔隙吸水率试验装置示意

1.3.3 冻融试验

冻融试验试件为直径100 mm、厚度35 mm的圆柱体，每组5个试件。试验装置如图2所示，混凝土试件四周和底部密封，在顶部设置深度（5±2）mm、浓度为3%的NaCl溶液，该溶液每7个循环更换1次，试验在第28个循环完成。冻融循环后，清除混凝土试件表面的剥落层，计算冻融质量损失。

图2 混凝土试件冻融试验装置示意

1.3.4 抗冲击试验

冲击强度试件为直径150 mm、厚度55 mm的圆柱体，使用落锤试验方法。在圆柱体试件上方使用质量为1 kg的钢球从45 cm的高度反复自由下落，观察试件表面记录试件产生第1条裂缝和最终破坏所需冲击能量。冲击能量由式（2）计算得到：

式中：E——冲击能量，J；

N——冲击次数；

m——钢球质量，kg；

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2；

h——冲击高度，m。

2 试验结果与讨论

2.1 橡胶混凝土的抗压强度和物理性能（见表2）

表2 橡胶混凝土的抗压强度和物理性能

由表2可知：

（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土的密度减小。这是由于橡胶颗粒本身的密度较小，当使用橡胶颗粒替代密度较大的砂时，会使得橡胶混凝土的密度减小。橡胶颗粒粒径为2 mm、掺量为4.0%时，橡胶混凝土的密度较未掺橡胶颗粒的普通混凝土降低了119 kg/m3，可使橡胶混凝土构件具有更小的自重。

（2）孔隙吸水性率与混凝土内部结构直接相关，任何能破坏空间网络连续性的物质都可以减小孔隙吸水率。由于本研究中使用的橡胶颗粒不具有吸水性，因此它对孔隙管空腔网络中的空腔连续性具有阻断作用，并且显著降低了孔隙吸水率。橡胶颗粒掺量为4.0%的情况下，橡胶颗粒粒径为1 mm和2 mm的橡胶混凝土试件孔隙吸水率较普通混凝土分别降低了65.3%、58.1%。橡胶颗粒粒径为1 mm的混凝土比橡胶颗粒粒径为2 mm的混凝土孔隙吸水速度降低更加明显，这是因为随着橡胶颗粒直径减小，橡胶颗粒的比表面积增大所致。

（3）随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土试件的抗压强度逐渐降低。橡胶掺量相同时，掺入粒径为2 mm的橡胶颗粒比掺入粒径1 mm橡胶颗粒的混凝土强度降低更多。橡胶颗粒掺量为4.0%时，粒径为2 mm和1 mm的橡胶混凝土试件抗压强度较普通混凝土分别降低了33.5%、30.5%。随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土抗压强度下降是由于：橡胶颗粒的弹性模量低于周围混凝土，当橡胶混凝土试件承受荷载作用时，橡胶和混凝土之间不能很好的共同受力使得橡胶颗粒与周围混凝土界面连接处会产生裂缝并迅速扩展，导致混凝土试块的抗压强度降低。

2.2 橡胶混凝土的冻融耐久性

混凝土试件受到冻融作用后，由于试件中的水结冰膨胀会对周围混凝土形成压力，导致混凝土的质量损失。本试验中使用浓度为3%的NaCl溶液进行冻融，以增加对试件的磨损效果，28次冻融循环后试件的质量损失见表3。

表3 不同橡胶掺量混凝土试件的质量损失

由表3可见，随着混凝土中橡胶颗粒掺量的增加，试件的质量损失显著减小。当橡胶颗粒掺量为4.0%时，橡胶颗粒粒径为1 mm和2 mm的橡胶混凝土试件质量损失较普通混凝土分别减小了73.7%、81.2%。当橡胶掺量不大于1.0%时，使用最大粒径为2 mm的橡胶颗粒更有助于减小质量损失；而当橡胶掺量大于1.0%时，使用最大粒径为1 mm的橡胶颗粒更有助于减小质量损失。

2.3 橡胶混凝土的抗冲击性

图3为试件出现第1条裂缝和试件破坏时所需的冲击能。

图3 混凝土试件开裂和破坏所需的冲击能

由图3可知：掺入橡胶颗粒后试件的抗冲击性能显著提升。橡胶颗粒粒径为2 mm时，随着橡胶颗粒掺量的增加，试件的冲击能逐渐提高，当橡胶颗粒掺量为4.0%时，试件的冲击能约为普通混凝土试件的3倍。橡胶颗粒粒径为1 mm时，当橡胶颗粒掺量小于2.0%时，随着橡胶颗粒掺量的增加，试件的冲击能逐渐提高；橡胶颗粒掺量为4.0%时，试件的冲击能减小，但仍较普通混凝土试件提高了约50%。