膠粒混凝土抗沖磨性能研究

張迎雪，婁宗科，高 鳳，張 臻(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌712100)

0 引 言

廢舊橡膠是固體工業(yè)廢物的一種，隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，廢舊輪胎的產(chǎn)生量迅速增長，已成為一個(gè)新的污染源。將廢舊輪胎膠粒摻入混凝土中，既能減少固體廢棄物，又能改善混凝土的一些性能, 將膠粒用于混凝土引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。

混凝土是一種脆性材料，導(dǎo)致混凝土的高強(qiáng)化具有局限性[1]，因此高強(qiáng)混凝土的一個(gè)研究焦點(diǎn)是改變傳統(tǒng)混凝土的脆性材料特性。摻雜橡膠集料的混凝土是新型“彈性混凝土”，國外較早地開展了對該種混凝土的研究。Fattuhi[2]采用的膠粒粒徑為1～16 mm和0.5～5 mm兩種類型，分別取代細(xì)骨料和粗骨料，對膠粒混凝土沖擊能試驗(yàn)表明，沖擊性能試驗(yàn)說明膠粒混凝土相對于普通混凝土的韌度大，受沖擊時(shí)吸收能量的能力也較強(qiáng)。李光宇[3]選取顆粒粒徑為 8、14、16、28 目的膠粒, 分別按水泥質(zhì)量的3%、6%、9%、12%、15%摻入混凝土,對混凝土力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度、彈性模量隨橡膠粒粒徑的減小和摻量的增加而降低；膠粒的摻入可提高混凝土的抗沖耐磨性能, 在摻量一定的前提下, 抗沖耐磨強(qiáng)度提高3倍，與同水泥用量的硅粉混凝土相比, 抗沖耐磨強(qiáng)度提高2倍。宋少民[4]等研究了摻入膠粒對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊性能的影響，提出以下觀點(diǎn)：將廢胎制成的膠粒以一定摻量加到混凝土中，填充空隙，改善水泥與骨科的界面狀況，能夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并形成吸收應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)變形中心，可吸收振動(dòng)能，從而明顯改善混凝土的抗沖擊性，提高混凝土的抗震性能。上述研究都涉及膠粒粒徑和摻量對膠粒混凝土性能的影響，但關(guān)于影響膠粒混凝土抗沖磨性能的主要因素對膠粒混凝土抗沖磨性能的影響程度，以及各因素之間的最佳配比的研究較少。

本文通過機(jī)械的方式將廢舊輪胎粉碎、研磨等加工處理得到小于5 mm的顆粒膠粒，并按一定的比例替代等體積的砂子配制成膠粒混凝土。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥。盾石牌P·O 32.5R 級(jí)水泥，經(jīng)原材試驗(yàn)得出水泥的各種性能均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。

(2)粗骨料。粗骨料為渭河卵石，II 級(jí)配卵石。

(3)細(xì)骨料。細(xì)骨料為渭河河砂，表觀密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3，泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.21%。砂的細(xì)度模數(shù)為2.27，屬中砂，級(jí)配合格。

(4)膠粒。西安市長樂維康再生膠廠生產(chǎn)的14目和28目膠粒。

(5)水。滿足規(guī)范的試驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了提高混凝土抗沖磨性能的能力，在普通混凝土中加入廢舊的膠粒來提高其抗沖磨性能，膠粒的摻入選用等體積取代砂法[5]。考慮到水灰比對普通混凝土抗沖磨性能的影響較大，本文利用混合正交設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行試驗(yàn)，選用3個(gè)試驗(yàn)因素：膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比，研究膠粒混凝土抗沖磨性能與各影響因素的關(guān)系，找出膠粒混凝土抗沖磨性能最優(yōu)配合比方案。

1.3 試驗(yàn)因素水平

本次試驗(yàn)采用混合的正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。根據(jù)L8(41×22)正交組合設(shè)計(jì)安排8組試驗(yàn)點(diǎn)用于測定膠粒混凝土的抗沖磨性能，每組3個(gè)試件，共24個(gè)試件。試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 膠粒混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)因素水平表Tab.1 The factor level of abrasion resistance properties of rubber concrete

1.4 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)[6]規(guī)定的混凝土抗沖磨試驗(yàn)測試。按照配合比配制成膠粒混凝土進(jìn)行拌和，坍落度滿足要求后裝模，放在振搗臺(tái)上振動(dòng) 30 s后成型，在試件成型1d后拆模，隨后放入養(yǎng)護(hù)室，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，用水下鋼球法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)前，試件在水中浸泡48 h。

(2)試驗(yàn)時(shí)，取出試件，擦去表面水分，稱量(并記為M0)，將試件放入鋼容器，由1 200 r/min轉(zhuǎn)速的葉輪帶動(dòng)水和70個(gè)大小不等的鋼球摩擦試件表面72 h。

(3)取出試件，清洗干凈,擦去表面水分，稱量(并記為MT)，計(jì)算試件的磨損率。

磨損率按下式計(jì)算:

(1)

式中:L為磨損率, %；M0為試驗(yàn)前試件的質(zhì)量, kg；MT為試驗(yàn)后試件的質(zhì)量, kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 拌和過程中的膠粒混凝土性能參數(shù)及其分析

混凝土拌和物性能的好壞影響混凝土的力學(xué)性能與耐久性能，坍落度是衡量混凝土拌和物性能的重要指標(biāo)；另外，混凝土拌和物的含氣量也會(huì)影響混凝土的性能，含氣量增大能增強(qiáng)拌和物黏性，減少拌和物離析和泌水，改善混凝土耐久性[7]，在攪拌成型過程中，得到表2各編號(hào)混凝土具體參數(shù)。

表2 各編號(hào)膠粒混凝土具體參數(shù)Tab.2 Number of concrete specifications

由表2可知，摻入膠粒以后，膠粒混凝土的含氣量比基準(zhǔn)混凝土的含氣量大，且含氣量隨摻量的增加而遞增，摻加的膠粒顆粒越小，拌和物含氣量增加幅度越大。膠粒混凝土的坍落度比基準(zhǔn)混凝土的坍落度低，且隨著膠粒摻量的增加, 坍落度逐漸降低，膠粒混凝土的表觀密度隨膠粒摻量的增加而減小。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.2.1正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

對膠粒混凝土的抗沖磨性能的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析, 借助極差分析，可以得出研究因素對評價(jià)指標(biāo)的影響，并得出各因素的最適宜量和配比，極差分析所得結(jié)果見表3。

在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi), 按照極差的大小, 影響膠粒混凝土抗沖磨性能因素的主次順序?yàn)椋耗z粒摻量>膠粒粒徑>水灰比。摻入膠粒后，膠粒混凝土的磨損率較基準(zhǔn)混凝土有所降低，表明摻入膠粒能提高膠粒混凝土的抗沖磨性能。且隨著膠粒摻量的增加，膠粒混凝土的磨損率逐漸降低，在此次試驗(yàn)條件下，得到降低膠粒混凝土磨損率的最優(yōu)組合為膠粒摻量為12%，膠粒粒徑為14目，水灰比為0.55。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Tab.3 The result of orthogonal experiment and poor calculation

為了進(jìn)一步說明膠粒混凝土抗沖磨性能隨其影響因素的變化規(guī)律，建立膠粒混凝土磨損率K值與各因素的關(guān)系圖，見圖1。

圖1 磨損率K值與各因素關(guān)系圖Fig.1 Each of factors for abrasion resistance properties of rubber concrete

由圖1可知，膠粒混凝土的磨損率會(huì)隨著膠粒摻量的增加逐漸下降，由表3可得，當(dāng)膠粒摻量為0%時(shí)，磨損率為2.62%，當(dāng)膠粒摻量為4%時(shí)，磨損率從2.62%下降至1.38%，下降1.24%。當(dāng)膠粒摻量為12%時(shí)，磨損率從1.38%下降至0.33%，此時(shí)，膠粒混凝土的摻量增加8%，磨損率卻只下降1.05%，下降幅度占總下降幅值的46%，下降速率明顯減慢。說明，摻入膠粒以后，可提高膠粒混凝土的耐磨性，但只是在一定范圍內(nèi)。

2.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

為了確定各試驗(yàn)因素對膠粒混凝土抗沖磨的影響程度，找出對膠粒混凝土的有顯著影響試驗(yàn)因素，排除對膠粒混凝土無顯著影響的試驗(yàn)因素，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

方差分析表明：膠粒摻量對膠粒混凝土抗沖磨性能有極顯著影響，水灰比對膠粒混凝土抗沖磨性能顯著影響，膠粒粒徑對試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著，這與極差分析的結(jié)果相符。

3 回歸分析

為了對膠粒混凝土的抗沖磨性能進(jìn)行預(yù)估，利用SPSS軟件對試驗(yàn)得到的膠粒混凝土的抗沖磨性能與各因素水平進(jìn)行回歸分析，得到膠粒混凝土抗沖磨性能的多元回歸方程如下式所示

y=-0.181X1+0.006 5X2+3.812 5X3-0.012 4

式中：y為磨損率；X1為膠粒摻量；X2為膠粒粒徑；X3為水灰比。

由各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出模型回歸值及殘差，得到回歸方差分析情況如表5。

表5 回歸方差分析Tab.5 Regression analysis of variance

由表5可知，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F的值為24.733>F0.01(3,4)=16.69，回歸方程的顯著性水平達(dá)到0.005，因此回歸方程的相關(guān)性非常顯著。

4 結(jié) 論

(1)摻入膠粒以后，膠粒混凝土的含氣量比基準(zhǔn)混凝土的含氣量大，且膠粒混凝土的含氣量隨膠粒摻量的增加而顯著增加, 膠粒混凝土的坍落度隨膠粒摻量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。

(2)通過極差、方差分析表明：膠粒摻量和水灰比是影響膠粒混凝土抗沖磨性能的顯著因素，膠粒粒徑為不顯著因素，影響順序?yàn)椋耗z粒摻量>水灰比>膠粒粒徑，摻入膠粒以后，膠粒混凝土的磨損率降低，最低可為基準(zhǔn)混凝土的55%，說明膠粒可以改善混凝土的抗沖磨性能，且膠粒混凝 土的磨損率隨著摻量的增加，降低速率減慢。

(3)膠粒混凝土抗沖磨性能與膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比之間存在著良好的線性關(guān)系，得出的線性回歸方程非常顯著。

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[1] 路沙沙.橡膠顆粒摻量、粒徑影響橡膠混凝土性能的試驗(yàn)分析[J].硅酸鹽通報(bào),2014,(10):6-8.

[2] Fattuhi N I, Clark L A. Cement-based materials containing shredded scrap truck tyre rubber[J]. Construction and Building Materials,1996,10(4):229-236.

[3] 李光宇.廢橡膠粉混凝土力學(xué)及抗沖耐磨性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2008,(2):87-89.

[4] 宋少民,劉娟紅.橡膠粉改性的高韌性混凝土研究[J].混凝土與水泥制品,1997,(1):10-11.

[5] 楊春峰,楊 敏.廢舊橡膠混凝土工作性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2013,(5):36-39.

[6] SL352-2006,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]

[7] 楊衛(wèi)坤. 橡膠混凝土拌和物性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河2011,(9):122-124.