廢舊橡膠混凝土力學性能的研究

王軍軍，張儀華，秦文軒，王思軍，張海波

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作　454000)

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廢舊橡膠混凝土力學性能的研究

王軍軍，張儀華，秦文軒，王思軍，張海波

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作454000)

采用20目廢舊橡膠顆粒等體積取代混凝土中細集料，摻量分別為0%、5%、15%、25%，研究其對混凝土力學性能的影響。結果表明：廢舊橡膠混凝土的容重、抗壓強度、抗折強度以及彎曲彈性模量均隨橡膠顆粒摻量的增加而降低；坍落度隨摻量的增加先增大后減小，但均較基準組大；折壓比隨摻量的增加先減小后增大；最大撓度較基準混凝土有所提高，說明廢舊橡膠顆粒的摻入提高了混凝土的韌性。

橡膠顆粒； 混凝土； 抗壓強度； 抗折強度

1　引　言

近年來隨著人們生活水平的不斷提高，汽車成了許多家庭必備的交通工具，汽車給人們帶來方便的同時也對環境造成了巨大的污染，其中廢舊輪胎對環境造成的污染是不可忽視的，而且還造成了嚴重的資源浪費，因此廢舊輪胎的處理成了亟待解決的社會問題。

從20世紀80年代末開始，國外已經開始研究廢舊橡膠在混凝土中的應用[1,2]，研究結果表明隨著橡膠的摻量增加，混凝土的抗壓強度、抗折強度均有較大的降低，但是摻入橡膠后提高了混凝土的韌性，并且具有密度小、降噪隔音、透氣和延性等優點。近些年來國內學者也對橡膠混凝土進行了大量研究[3,4]，多數學者認為隨著橡膠顆粒摻量的增加混凝土的強度降低，且摻量在不同的范圍內強度的降低快慢不一樣。熊杰等[5]研究表明橡膠顆粒種類對橡膠混凝土抗壓強度影響較大，但并不是顆粒越大強度降低越多。劉日鑫等[6]研究認為摻廢舊橡膠，能夠提高混凝土的塑性和韌性，橡膠顆粒的最佳摻量為6%～10%。

本文主要研究20目的橡膠顆粒摻量為0%、5%、15%、25%時對混凝土容重、坍落度和抗壓強度、抗折強度、韌性等力學性能的影響。

2　實　驗

2.1原材料

水泥采用由焦作堅固水泥有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，砂子細度模數為2.8的中砂，石子為粒徑5～30 mm的碎石，減水劑為聚羧酸高效減水劑，橡膠顆粒由北京平安創世有限公司生產的20目廢舊輪胎橡膠顆粒，由載重卡車廢舊輪胎胎面膠破碎而得；水為自來水。

2.2試件的制備與測試

試驗采用廢舊橡膠顆粒等體積取代砂子的方法配制橡膠混凝土，即除砂子和橡膠顆粒摻量變化外其他成分均保持不變，配合比如表1。

表1　廢舊橡膠混凝土配合比

圖1　四點彎曲實驗Fig.1　Four-point bending test

按表1配合比配料，在HJW-60型單臥軸砼攪拌機中攪拌5～6 min，裝模成型并在砼程控磁盤振動臺上振動2 min，振動時用抹刀插搗抹面；每組制作100 mm×100 mm×100 mm試件3塊，用于測定28 d抗壓強度。100 mm×100 mm×400 mm試件3塊，用于測定28 d抗折強度。

將試件在室溫下養護1 d后拆模并放入標準養護室養護，參照GB/T50081-2002[7]中實驗方法采用YNS-Y2000型電液伺服壓力試驗機如圖1所示測定其28d的抗壓強度、抗折強度、彎曲彈性模量和最大撓度。采用四點彎曲試驗法測試其彎曲彈性模量和最大撓度，利用位移計測試試樣中心撓度變化，試樣破壞時記錄最大撓度。

3　結果與討論

3.1容重和坍落度

圖2為不同橡膠顆粒摻量對混凝土容重影響的變化曲線。容重隨著橡膠顆粒摻量的增加不斷減小，當取代量為25%時，橡膠混凝土容重為基準混凝土的91.5%。橡膠顆粒的表觀密度為1100 kg/m3，基準混凝土的表觀密度為2360 kg/m3，兩者表觀密度相差較大是容重減小的主要原因。

圖3為不同橡膠顆粒摻量對混凝土坍落度影響的變化曲線。坍落度隨著橡膠顆粒摻量的增加先增大后減小，當橡膠顆粒摻量為5%時坍落度最大，較基準混凝土增大22.2%，此后隨著橡膠顆粒摻量的增加坍落度逐漸減小，但均比基準混凝土的坍落度大。橡膠顆粒憎水，橡膠混凝土攪拌過程中，易引入氣泡并包裹其表面，減小了砂漿間的相互摩擦力，使橡膠混凝土塌落度增大；當橡膠摻量增加時，由于橡膠顆粒密度小，使混凝土密度降低，同時由于摻量較大時橡膠顆粒之間相互接觸，而橡膠顆粒間的摩擦系數較大，降低了混凝土坍落度。

圖2　橡膠顆粒摻量對混凝土容重的影響Fig.2　Influence of rubber powder content on bulk density of concrete

圖3　橡膠顆粒摻量對混凝土坍落度的影響Fig.3　Influence of rubber powder content on slump of concrete

3.2抗壓強度和抗折強度

圖4為不同橡膠顆粒摻量對混凝土28 d齡期的抗壓強度影響的變化曲線。抗壓強度隨著橡膠顆粒摻量的增加不斷減小，摻量25%的橡膠混凝土抗壓強度相對于基準混凝土降低了41.9%。抗壓強度實驗時，隨著壓力的增大基準試塊出現裂紋后會發生部分粉碎，而橡膠混凝土試塊開裂后不會出現粉碎現象。抗壓強度下降的主要原因為橡膠顆粒和水泥基體的抗壓強度相差較大，且橡膠顆粒表面為非極性，水泥基體為極性，導致兩者的結合面存在一定的間隙，加劇了混凝土強度的下降[8]。

圖4　橡膠顆粒摻量對混凝土抗壓強度的影響Fig.4　Influence of rubber powder content on compressive strength of concrete

圖5　橡膠顆粒摻量對混凝土坍落度的影響Fig.5　Influence of rubber powder content on slump of concrete

圖5為不同橡膠顆粒摻量對混凝土抗折強度影響的變化曲線。抗折強度隨著橡膠顆粒摻量的增加不斷減小，當橡膠顆粒摻量為25%時，抗折強度降低為標準試件的50.12%。基準混凝土斷裂時比較突然、響聲脆且大，摻橡膠的混凝土先出現裂紋再斷裂、響聲小且沉悶，這與馮凌云等[9]的研究結果相似。橡膠顆粒為彈性體且強度低，摻入混凝土中使混凝土中的薄弱區增多，導致混凝土抗折強度的降低。

3.3最大撓度和折壓比

圖6為不同橡膠顆粒摻量對混凝土最大撓度影響的變化曲線。橡膠混凝土的最大撓度隨著橡膠顆粒摻量的增加不斷變大，當橡膠顆粒的摻量為25%時，最大撓度較基準混凝土增大了13.64%。主要原因：橡膠顆粒的彈性模量較小，是一種彈性體，能夠吸收試件變形時產生的一些能量，減少內部裂紋的產生和擴大，從而導致混凝土最大撓度的增大。

圖6　橡膠顆粒摻量對混凝土最大撓度的影響Fig.6　Influence of rubber powder content on maximum deflection of concrete

圖7　橡膠顆粒摻量對混凝土折壓比的影響Fig.7　Influence of rubber powder content on bend-press ratio of concrete

圖7為不同橡膠顆粒摻量對混凝土折壓比影響的變化曲線。橡膠顆粒摻量為5%時折壓比有明顯的下降，主要原因是：橡膠取代量為0%-5%時試塊的抗折強度下降比率快所導致的。當橡膠顆粒摻量為15%和25%時較基準試塊折壓比均有所提高，說明對混凝土的韌性有所提高。

3.4彎曲彈性模量

圖8　橡膠顆粒摻量對混凝土彎曲彈性模量的影響Fig.8　Influence of rubber powder content on modulus of elasticity in bending of concrete

采用四點彎曲-撓度計法測試試件的彎曲彈性模量E，如式(1)。式中l1為外支點跨距，l0為內外支點間距，ΔF為載荷，Δl為試件中部的位移量，I為試件截面慣性矩，a為試件寬度，b為試件厚度。

(1)

圖8為不同橡膠顆粒摻量對混凝土彎曲彈性模量影響的變化曲線。隨著橡膠顆粒摻量的增加混凝土的彎曲彈性模量不斷減小，當橡膠顆粒摻量為25%時，彎曲彈性模量已減小為基準混凝土的47.06%。彎曲彈性模量越大材料越脆，即橡膠顆粒的摻入降低了混凝土的脆性。

4　結　論

(1)隨著橡膠顆粒摻量增加抗壓強度、抗折強度不斷降低，當橡膠取代量為25%時，抗壓強度下降為基準混凝土的41.89%，抗折強度下降為基準混凝土的50.12%；

(2)隨著橡膠顆粒摻量的增加最大撓度不斷增大，當橡膠顆粒的摻量為25%時，最大撓度較基準混凝土增大了13.64%；隨著橡膠顆粒摻量的增加折壓比先減小后增大；

(3)彎曲彈性模量隨著橡膠顆粒摻量的增加而減小，當橡膠顆粒的摻量為25%時，彎曲彈性模量減小為基準混凝土的47.06%；

(4)廢舊橡膠顆粒等體積取代砂子對減小混凝土的容重、改善混凝土的韌性以及變形能力有較大的作用。

[1] Topcu I B，Avcular N．Collision behaviors of rubberized concrete[J]．CementandConcreteResearch，1997，27(12)：1135-1139.

[2] Pierce C E. Potential of scrap tire rubber as light-weight aggregate in flowable fill[J]．WasteManage，2003，23(3)：197.

[3] 陳波,張亞梅,陳勝霞,等. 橡膠混凝土性能的初步研究[J]. 混凝土, 2005, (12): 37-39.

[4] 劉艷榮，葛樹奎，韓瑜.廢舊輪胎橡膠粉改性水泥基材料研究概況[J].材料導報，2014,28(S2):422-426.

[5] 熊杰，鄭磊，袁勇. 廢橡膠混凝土抗壓強度試驗研究[J].混凝土，2004，(12)：40-42.

[6] 劉日鑫，侯文順，徐永紅，徐開勝. 廢橡膠顆粒對混凝土力學性能的影響[J].建筑材料學報，2009,3(12)：341-344.

[7] 中華人民共和國國家標準.GB/T50081—2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京:建筑工業出版社,2003.

[8] 張海波，管學茂，劉小星，等.廢舊橡膠顆粒對混凝土強度的影響及界面分析[J].材料導報，2009,4(23):65-67.

[9] 馮凌云，袁群，馬瑩，等. 橡膠混凝土力學性能的試驗研究[J].長江科學院院報，2015,32(7)：115-118.

·信息·

科學家發現納米二氧化硅干涉Wnt信號通路的分子機制

7月18日，中國科學院上海生命科學研究院營養科學研究所宋海云組與中國科學院上海應用物理研究所樊春海組合作的研究論文Silica Nanoparticles Target a Wnt Signal Transducer for Degradation and Impair Embryonic Development in Zebrafish 在線發表于Theranostics。該研究發現二氧化硅納米粒子(SiO2NPs)在不產生細胞毒性的劑量范圍內，會誘導Wnt通路的信號傳遞分子Dvl的降解，干涉Wnt信號轉導和靶基因表達，從而影響Wnt信號通路介導的重要生理和病理過程。

納米材料的優良特性及新奇功能使其在醫藥、食品和化妝品等領域具有廣泛的應用前景。同時，納米材料的生物學效應和生物安全性需要全面的評價。SiO2NPs具有較好的生物相容性，因而被廣泛地用作生物載體。另外，由于二氧化硅是常見的食品添加劑，納米級別的二氧化硅是否可以用于食品工業，目前備受關注。

在這項工作中，宋海云組研究人員發現動力學粒徑100 nm的SiO2NPs進入細胞后雖不產生細胞毒性，但會干擾Wnt信號的傳遞，進而影響脂肪細胞分化、癌細胞遷移和斑馬魚胚胎發育等生物學過程。研究表明SiO2NPs是以一種類似信號調控因子的方式影響Wnt信號通路：細胞對SiO2NPs的內吞能引發Wnt通路的信號傳遞分子Dvl進入溶酶體并降解，而Wnt通路中其它信號傳遞分子并不受影響。該工作首次確立了納米材料與Wnt信號通路的分子聯系，表明納米材料不僅可以作為“惰性”的載體，還可以主動地參與對細胞功能的調控。

(該研究得到國家自然科學基金委、中科院和上海市科委的資助。)

(來源：上海生命科學研究院)

Mechanical Properties of Rubber Concrete

WANGJun-jun，ZHANGYi-hua，QINWen-xuan，WANGSi-jun，ZHANGHai-bo

(College of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000,China)

Experiment studied the variation of the mechanical properties of rubber concrete with the difference of rubber particle dosage. Waste rubber particles that were 20 mesh replaced fine aggregate in concrete at equal volume substitution and rubber particles dosage were 0%, 5%, 15% and 25%. The results showed that waste rubber concrete bulk density, compressive strength, flexural strength and modulus of elasticity in bending decreased with increasing the dosage of rubber particles. The slump of waste rubber concrete firstly increased then decreased with increasing the dosage of rubber particles, but larger than the blank group. Bend to press firstly decreased then increased with increasing the dosage of rubber particles. Maximum deflection is larger than blank group, the waste rubber particles added to concrete can improve the toughness of the concrete.

rubber particle;concrete;compressive strength;flexural strength

國家自然基金(U1204513)；河南省高校基本科研業務費專項資金(NSFRF140601);河南省高等學校重點科研項目(15A560024)

王軍軍(1992-)，男.主要從事聚合物固體廢棄物綜合利用方面的研究.

張海波，博士，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2219-05