廢舊輪胎膠粒對混凝土早期抗裂性能的影響研究

廢舊輪胎膠粒對混凝土早期抗裂性能的影響研究

趙亮1，陳德鵬1, 2

(1. 安徽工業大學建筑工程學院，馬鞍山 243002；2. 安徽工業大學綠色建材研究所，馬鞍山 243002)

摘要：試驗設置膠粒摻量與膠粒粒徑兩組變量，采用平板試件，評價橡膠混凝土成型24 h后早期抗裂性能。并結合試驗結果，分析膠粒摻量與粒徑對混凝土早期抗裂性能的影響。試驗結果表明:膠粒摻量較小時，混凝土早期抗裂性能隨膠粒粒徑的減小而提高，但當膠粒摻量較大時呈現先減弱后增強的趨勢；膠粒粒徑較大時，混凝土早期抗裂性能隨膠粒摻量的提高而增強，相反，呈現先減弱后增強的趨勢。

關鍵詞：橡膠混凝土；膠粒摻量；膠粒粒徑；早期抗裂性能

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.010

Abstract:Rubberized concrete crack resistance after molding 24 hours later was evaluated with plate method and two variables including size and adding amount of rubber particles. On the basis of experimental results, influence of size and adding amount of rubber particles on the rubberized concrete crack resistance at early age was analyzed. Experimental results indicated that when the adding amount of rubber particles is low, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the particle size decreases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the adding amount of rubber particles is high. In addition, when the size of rubber particles is large, concrete crack resistance at early age intends to be stronger as the adding amount increases, but the performance is to be weaker at first and then stronger when the particle size is small.

收稿日期：2015-05-11.

基金項目：國家級大學生創新訓練項目(201310360034)；安徽省自然科學基金項目(1308085QE83).

作者簡介：趙亮(1993-),本科生.E-mail:zhaolianggs@hotmail.com

Influence of Waste Tire Rubber Particles on Concrete

Crack Resistance at Early Age

ZHAOLiang1,CHENDe-peng1, 2

(1.School of Civil Engineering，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China；

2. Institute of Green Building Materials，Anhui University of Technology, Maanshan 243002，China)

Key words:rubber concrete;adding amount of rubber particles;size of rubber particles;crack resistance at early age

廢舊輪胎成為新的環境污染問題已是不爭的事實。目前，我國已成為僅次于美國的第二大廢舊輪胎產生國家，同時廢舊輪胎的數量也在不斷增加，2010年中國汽車廢舊輪胎已達3億條(300萬t)以上，快速增多的廢舊輪胎已成為新的固體廢棄物污染源，加大了對資源與環境的壓力。

通常，廢舊輪胎的回收利用途徑主要有5種[1]，包括舊輪胎翻新、生產膠粉、生產再生膠、熱裂解及土法煉油，而這些方法或因面臨技術和經濟的雙重制約或因嚴重污染環境而均無法得到大規模的推廣。橡膠混凝土是利用廢舊輪胎膠粒取代部分混凝土摻合料以期利用混凝土這一大宗建筑材料作為平臺拓展廢舊輪胎回收利用途徑并在此過程中改善混凝土自身性能的新型混凝土。目前，橡膠混凝土的開發利用尚處于起步階段，并且大多數研究者僅將目光集中在橡膠混凝土的力學性能及工作性能上[2-4]，而忽視了另一能夠決定其能否被廣泛推廣的重要因素，即：橡膠混凝土的抗裂性能。雖然，一些研究者進行了與混凝土抗裂性能相關的試驗，得出了膠粒具有提高混凝土抗裂性能的結論[5]，并且大多在膠粒粒徑一定的前提下設置膠粒摻量變化梯度得出橡膠混凝土抗裂性能在膠粒摻量影響下的變化趨勢。而事實上，橡膠混凝土抗裂性能，尤其是早期抗裂性能，不僅受膠粒摻量的影響，同時也受膠粒粒徑的影響。因此，在橡膠混凝土抗裂性能試驗中綜合考慮膠粒摻量與膠粒粒徑的變化，并通過分析試驗結果得出其中規律對橡膠混凝土的推廣有積極的指導意義。

1試驗材料與方法

橡膠混凝土阻止裂縫的試驗評價方法目前還不統一，一般采用對比試驗的方法得出混凝土裂縫降低率。試驗所采用的試件形式可分為兩類，一種是平板試件，一種是圓筒試件。

平板試件是將試件四周用錨栓錨固在模框上，試件底面用塑料薄膜與底模隔離，試件澆筑完畢后按規定的時間開始進行干燥暴露試驗。平板試件在進行數據測量前不需要拆除周圍模板，操作簡便，開始干燥的試件容易控制，暴露面接受吹風時比較均勻，量測裂縫長度與寬度的操作也較為方便，所以本試驗采用平板試件[6]。

1.1　原材料

水泥為安徽省馬鞍山市十七冶水泥廠42.5普通硅酸鹽水泥；砂為河砂，細度模數2.6；石子為花崗石碎石，最大粒徑30 mm；膠粒采用浙江省金華市華科橡膠有限公司鋼絲胎粉磨精細橡膠粉。

1.2　試驗配合比

擬定配合比為：c∶w∶s∶g= 0.49∶1∶2.38∶1.58,膠粒等體積取代混凝土，膠粒密度按1 g/cm2計算。

試驗分組見表1。

表1　試驗分組記錄表

1.3　試驗方法

1)試件制作混凝土試件采用600 mm×600 mm×63 mm的片面薄板。模具邊框用63 mm×40 mm×6.3 mm的槽鋼制作，邊框內設Φ6雙排栓釘，間距40 mm，栓釘分別按50 mm和100 mm長短間隔布置，100 mm栓釘在上層，50 mm栓釘在下層。底板采用20 mm厚的密度板，在底板上鋪設聚乙烯薄膜隔離層。圖1為模板實物圖。

橡膠混凝土采用強制式攪拌機，拌合方法采用先干后濕法，即先加水泥、砂、石、膠粒干拌1～2 min，然后加水濕拌2～3 min。

試件在澆筑、振實、抹平后立即用塑料薄膜覆蓋，2 h后取下薄膜，正式開始試驗。用吹風系統吹試件表面，風向平行試件表面，風速5 m/s，通過KIMO-VT100型風速儀監測試件表面風速，環境溫度(30±2)℃。成形后24 h，觀察所有試件裂縫數量、寬度和長度，并計算相關評價參數。

2)裂縫測量裂縫長度以肉眼可見裂縫為主，用鋼尺測量其長度，近似取裂縫兩端直線距離為裂縫長度，當裂縫出現明顯彎折時，以折線長度之和代表裂縫長度。用DJCK-2裂縫測寬儀測讀裂縫寬度。

1.4　早期抗裂性能評價

定量分析混凝土的裂縫開展可以通過4 個參數[7]來描述：平均開裂面積a、總開裂面積c、總開裂長度、總開裂數。其中前2個參數分別按照下列方法計算

式中，Wi為第i條裂縫的最大寬度；Li為第i條裂縫的長度；N為所試驗面積內的總開裂條數。

c=aN

式中，a、N分別為平均開裂面積和總開裂條數。

2試驗結果

根據既定試驗分組和試驗方法進行橡膠混凝土早期抗裂性能試驗，結果見表2。

表2　抗裂性能試驗結果統計表

2.1　裂縫總數

圖3表現出橡膠混凝土早期裂縫總數由于膠粒摻量與粒徑的不同而發生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時，混凝土早期裂縫總數隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時，混凝土早期裂縫總數隨膠粒粒徑的減小呈現先增長后降低的趨勢；③膠粒粒徑較大時，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫數越少，但隨著粒徑的減小，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫數越多。

2.2　裂縫總長

圖4表現出橡膠混凝土早期裂縫總長由于膠粒摻量與粒徑的不同而發生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時，混凝土早期裂縫總長隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時，混凝土早期裂縫總長隨膠粒粒徑的減小呈現先增長后降低的趨勢；③膠粒粒徑較大時，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫總長度越小，但當膠粒粒徑較小時，混凝土早期裂縫總數隨膠粒摻量的增大呈現先增長后降低的趨勢。

2.3　裂縫平均面積

圖5表現出橡膠混凝土早期裂縫平均面積由于膠粒摻量與粒徑的不同而發生的變化。

可以得出：①膠粒粒徑較大時，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫平均面積越小，但當膠粒粒徑較小時，混凝土早期裂縫平均面積隨膠粒摻量的增大呈現先增長后降低的趨勢。

2.4　裂縫總面積

圖6表明橡膠混凝土早期裂縫總面積由于膠粒摻量與粒徑的不同而發生的變化。

可以得出：①膠粒摻量為5%時，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒粒徑的減小而降低；②膠粒摻量為10%與15%時，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒粒徑的減小呈現先增長后降低的趨勢；③膠粒粒徑較大時，膠粒摻量越大混凝土早期裂縫總面積越小，但當膠粒粒徑較小時，混凝土早期裂縫總面積隨膠粒摻量的增大呈現先增長后降低的趨勢。

3廢舊輪胎膠粒混凝土早期抗裂性原因分析

在試驗論證的基礎上，廢舊輪胎膠粒對混凝土早期抗裂性能的提高毋庸置疑，而其影響混凝土早期變形行為的原因亦是多方面的，具體包括：

1)廢舊輪胎膠粒作為低彈性模量材料能夠為包括塑性收縮、干縮和徐變、碳化收縮、自收縮等在內的混凝土收縮變形行為提供變形空間，并緩沖由上述變形行為產生的內應力，消除空隙中的應力集中，這一結論可以從彈性廢橡膠細顆粒混凝土收縮過程中有應力松弛作用和橡膠混凝土具有明顯能量耗散功能[8]的相關研究中得到驗證[9]。

2)橡膠集料作為分布在混凝土內部的微小伸縮粒子群，會截住混凝土內的微觀裂紋，從而減慢或阻止微觀裂紋擴展為宏觀裂紋[10]。

3)橡膠顆粒表面粗糙、不透水且富有彈性，與水泥漿體的粘結形態要比聚丙纖維等其他混凝土抗裂增韌材料要好[11]，能夠在混凝土內部形成分布較為均勻的可伸縮粒子群，顯著降低混凝土的彈性模量并提高其韌性。

4)由熵變引起的橡膠形變熱效應(拉伸放熱、回縮吸熱)有助于膠粒在混凝土凝結硬化過程中降低由水泥水化熱引起的絕熱溫升，從而減小與之相關的混凝土溫度變形。

5)橡膠顆粒本身不吸水，但保水性良好，摻加到混凝土中，可幫助混凝土降低游離水分的蒸發，從而減少了與失水有關的混凝土收縮及與之相關的收縮應力。

6)橡膠顆粒的摻入，改變了混凝土的孔隙結構，減少了混凝土中的連通孔，阻斷了滲水通道，進而降低了混凝土中水分的蒸發和干燥收縮值[12,13]。

已有研究表明：橡膠粉(顆粒)的摻量在10%以下時，可以改善混凝土抗滲性能，摻量超過10%時，抗滲性能就出現下降的趨勢[14]；當橡膠顆粒摻量在50 kg/cm3以內時，混凝土的抗滲性隨膠粒摻量的增多而增強，當膠粒摻量大于50 kg/cm3時，混凝土的抗滲性隨膠粒摻量的增多而減弱[15]；摻入橡膠粉(顆粒)提高了混凝土的抗凍性，在小于15%摻量下，隨著橡膠粉(顆粒)摻量增多，混凝土的質量損失越小[16]；將廢舊橡膠顆粒摻入混凝土中，可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，廢舊橡膠顆粒的最佳摻量為2%～5%[17]。混凝土早期裂縫促使包括水、硫酸鹽、氯酸化物、以亞碳酸形式存在的二氧化碳、陰極氧氣等侵蝕性因子的快速滲入是導致混凝土劣化的主要原因之一。因此，摻入廢舊輪胎膠粒對混凝土早期抗裂性能的改善應與其耐久性提升密切相關，并具有相似的影響趨勢，這亦為本試驗相關結論的正確性提供了佐證。

4結論

試驗利用平板試件，測量評價混凝土早期抗裂性能的相關參數，可以得出以下結論：

a.膠粒摻量為5%時，混凝土早期抗裂性能隨膠粒粒徑的減小而提高，當膠粒摻量提高至大于10%后，呈現先減弱后增強的趨勢。

b.橡膠混凝土所摻膠粒粒徑較大時，混凝土早期抗裂性能隨膠粒摻量的提高而增強，而當橡膠混凝土所摻膠粒粒徑較小時，呈現先減弱后增強的趨勢。

c.綜合橡膠混凝土早期抗裂性能隨粒徑梯度與摻量梯度變化的趨勢，大粒徑膠粒(10目)更適合以較大摻量摻入混凝土中用以改善混凝土早期抗裂性能。

d.尚需進一步開展經表面處理膠粒與基體間界面的微觀分析和基于細觀力學的廢舊輪胎膠粒混凝土早期抗裂及變形機理研究。

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