摻加橡膠集料道面混凝土的力學性能研究

駱春雨，朱 涵，柏曉劍，劉海濤，陳龍龍，邵建文

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津大學建筑工程學院，天津市 300072；3.天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津市 300072；4.天津交通科學研究院，天津市 300300）

0 引言

隨著汽車產業和交通運輸業的迅速發展，我國已經成為世界上最大的橡膠消費國[1]，其中70%以上橡膠用于生產輪胎，但是我國的廢舊輪胎回收量及利用率均很低。目前，我國的橡膠回收利用率僅為50%，約為90萬t，遠遠低于國外發達國家水平[2-4]。對于廢舊輪胎，傳統處理方式主要為焚燒、填埋或堆放，不僅污染環境，占用土地，而且嚴重危害居民的身體健康[5-6]。我國正在倡導建設環境友好型、資源節約型社會。走可持續發展道路已經成為我國的一項基本國策，解決廢舊輪胎的回收再利用問題具有重大意義。橡膠集料混凝土也被稱為彈性混凝土，是一種將橡膠顆粒按照一定的比例加入混凝土配制而成的新型混凝土[7]，橡膠集料混凝土無疑是一種新型節能環保材料。在道面混凝土中摻加適當的橡膠微粒代替部分骨料，可以明顯改善混凝土的工程特性[8]，如降低脆性、彈性模量，提高抗開裂性能，增大阻尼系數等。

目前，傳統普通水泥混凝土仍然是道面工程中的主要材料，具有強度高，養護費用少等優點。但其在長期車輛荷載作用下極易產生道面裂縫，致使道路耐久性不足，使用壽命短。而在道面混凝土中加入橡膠微粒可明顯降低混凝土的脆性指數、沖擊韌性、抗疲勞開裂等性能[9]。研究發現，在道面混凝土中加入橡膠顆粒會降低其抗壓強度和抗折強度，這在一定程度上限制了橡膠集料混凝土的推廣應用。而且，摻加橡膠微粒的粒徑大小及摻加比例對道面混凝土的力學性能有著顯著的影響[10-15]。基于此，本文中以普通水泥道面混凝土為對照組，研究兩種粒徑、三種摻量的橡膠集料道面混凝土的基本力學性能，并對試驗結果進行分析，為橡膠集料混凝土在道面工程的設計與應用提供數據支持。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：蒙西牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能見表1；石子：粒徑5～20 mm,連續級配，堆積密度1 650 kg/m3；砂：普通河砂，Ⅱ級中砂，最大粒徑5 mm,堆積密度1 520 kg/m3，細度模數2.6。橡膠顆粒：20目、50目兩種不同粒徑橡膠集料，表觀密度分別為1 050 kg/m3、1 020 kg/m3，技術標準見表2。水為實驗室普通自來水。減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%。

表1 水泥的物理性能

表2 橡膠集料技術標準

1.2 試驗配合比及試件尺寸

本試驗中基準混凝土配合比為水泥：水：砂：石子：外加劑 =1∶0.45∶1.672∶3.395∶0.01，橡膠集料采用外摻法加入，摻量分別為70 kg/m3、90 kg/m3、110 kg/m3三種，粒徑選用20目和50目兩個目數，每個配合比制作6個試件。由于試驗粗骨料粒徑較小，故試件尺寸采用100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件。不同摻量目數混凝土配合比見表3～表5。

表3 基準道面混凝土配合比

表4 20目橡膠混凝土配合比

表5 50目橡膠混凝土配合比

1.3 攪拌工藝

依據輕骨料混凝土技術規程（JGJ 51-2002、J215-2002）及相關研究表明橡膠細集料吸水率較大，在攪拌過程中吸附較多自由水，從而減少了水泥水化所需的水分，影響混凝土凝結硬化。本試驗中，采取提前對粗骨料潤濕，同時應當在配合比中扣除相應的用水量，然后與細骨料混合攪拌，最后加入橡膠膠料和水，攪拌3 min。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

表6為各組試件7 d、28 d的抗壓強度試驗結果。結果表明，橡膠集料的加入會明顯降低混凝土的抗壓強度。在橡膠粒徑相同情況下，抗壓強度與橡膠摻量成反比關系，且當橡膠摻量為110 kg/m3時，T組28 d抗壓強度降低超過59%，F組抗壓強度降低亦超過50%，已經嚴重影響了混凝土的抗壓強度。對比基準組、T1組、F1組抗壓強度值可知，在摻加相同摻量的橡膠粉情況下，橡膠粒徑越小，抗壓強度降低越小。

T組試件28d的抗壓強度回歸曲線方程：

y=3.95x2-27.39x+61.1

F組試件28d的抗壓強度回歸曲線方程：

y=3.12x2-22.89x+57.6

圖1、圖2分別為各組試件7 d和28 d抗壓強度曲線圖。不難看出，兩組橡膠集料混凝土抗壓強度均隨著橡膠摻量的增加呈現出下降趨勢，且橡膠集料的目數大小與抗壓強度成正比。相同摻量情況下，T組抗壓強度降低較F組更大，且下降幅度更大。主要原因是，橡膠顆粒自身抵抗荷載破壞的能力要遠遠弱于砂，石子等骨料，而且橡膠顆粒是一種有機物，其與凝膠材料的界面結合強度要小于砂石等集料與凝膠材料的結合強度，故橡膠顆粒對混凝土的抗壓強度產生不利影響。對比基準組不難發現，橡膠集料混凝土的7 d抗壓強度僅達到28 d抗壓強度的85%左右，可能原因是橡膠與混凝土內某些惰性元素發生漫長反應導致強度較普通混凝土出現微增長。

表6 各組抗壓強度 MPa

圖1 各組7 d抗壓強度

圖2各組28 d抗壓強度

圖3 為基準組立方體試件破壞形態，圖4為T2組立方體試件的破壞形態。試驗過程中發現基準組混凝土呈現明顯的脆性破壞形態，解體現象嚴重。隨著橡膠粉的加入，試件破壞表現出延性特征，保持較好的完整性，開裂后仍然可以承載一定的荷載。

圖3 基準混凝土試件破壞形態

圖4 T2組混凝土立方體試件破壞形態

2.2 抗折強度試驗

本試驗依據《普通混凝土力學性能試驗標準》（GB/T 50081-2002）測定各組混凝土試件的抗折強度。混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗儀器為三分點處雙點加荷和三點自由支承式混凝土抗折強度試驗機。各組抗折強度見表7。

圖5和圖6分別摻加不同粒徑橡膠顆粒時混凝土的7 d和28 d抗折強度曲線變化圖，由圖可知，橡膠集料混凝土的抗折強度與橡膠顆粒的摻量成反比，隨著橡膠顆粒的加入，抗折強度呈現出近似直線下降的趨勢。橡膠摻量為110 kg/m3時，兩組橡膠混凝土抗折強度降低量分別為41%和30.6%；橡膠摻量為90 kg/m3時，兩組橡膠混凝土抗折強度降低量分別33%、28.6%；橡膠摻量為70 kg/m3時，兩組橡膠混凝土抗折強度降低量分別為23.5%、16%。并且，T組混凝土抗折強度下降的幅度明顯大于F組，這是因為橡膠顆粒與混凝土漿體本身材料具有差異性，降低了其粘結能力，粒徑越大且粘結性越差，而粒徑降低，接觸面積增大。從而橡膠顆粒與混凝土漿體摩擦力增大，密實性增強，從而提高了強度。

表7 各組抗折強度

圖5 各組7 d抗折強度

圖6 各組28 d抗折強度

本試驗引入脆性指數k來研究橡膠混凝土的延性。定義脆性指數為混凝土試件抗壓強度與抗折強度的比值，見表8及圖7。

式中：k為脆性指數；fc為抗壓強度，MPa；ff為抗折強度，MPa。

表8 各分組脆性指數

圖7 橡膠摻量對脆性指數的影響

試驗結果較好地反映了脆性指數k的變化趨勢，當橡膠摻量為0時，脆性指數k值為6.49，隨著摻量的增加，脆性指數呈降低趨勢，當摻量達到90 kg/m3后，T脆性指數不在降低，趨于直線，F組降低依舊降低。當摻量為70 kg/m3時，k值平均降低了28%，當摻量達到110 kg/m3，k值平均降低了40%，說明橡膠的摻入使混凝土的延性得到增強，抗裂性能得到提高，脆性指數越小，混凝土抗裂性越高，所以橡膠混凝土在50目橡膠110 kg/m3摻量下抗開裂性能最佳。

3 結論

本文主要通過對摻加橡膠集料的道面混凝土的基本力學性能試驗進行研究，為橡膠混凝土在道面工程的應用提供數據支持。一系列試驗結論表明摻加橡膠顆粒對混凝土的各項性能影響顯著，結論如下：

（1）橡膠顆粒的加入對道面混凝土的抗壓強度有明顯的負面影響。7 d和28 d抗壓強度試驗結果表明，隨著橡膠顆粒摻量的增大，混凝土的抗壓強度降低程度也隨之增大，并且表現出明顯的規律性。同時，橡膠顆粒的粒徑大小對抗壓強度亦有影響。在相同橡膠集料的摻量下，橡膠顆粒的粒徑越小，立方體試件的抗壓強度越高。

（2）橡膠顆粒的加入會降低道面混凝土的抗折強度。抗折強度試驗結果表明，混凝土整體抗折強度與橡膠摻量的增加成反比關系。摻加橡膠顆粒的粒徑越大，混凝土的抗折強度下降越顯著，建議工程實踐中優先選用粒徑較小的橡膠顆粒。

（3）橡膠集料道面混凝土具有更好的韌性。試驗結果表明，脆性指數隨橡膠摻量的增加而降低，隨橡膠粒徑的降低而降低。隨著橡膠摻量的增加，試件的破壞形態由明顯的脆性破壞逐漸轉變為塑性破壞，裂縫出現后試件完整性較好。此外，試驗還發現橡膠集料混凝土試件破壞后能繼續承擔部分荷載，存在明顯的屈服階段。