廢舊輪胎橡膠顆粒對路用泵送混凝土力學(xué)性能的影響

王忠志，張建國，高鑫宇，劉 笑

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展帶來的最直接的現(xiàn)象即為汽車擁有量的大幅提升，這給我們的生活帶來了諸多便利，同時也帶來一些負(fù)面影響。其中廢舊輪胎的處理是急需解決的題。橡膠作為高分子材料，難以降解，且堆放過程中容易產(chǎn)生火災(zāi)和滋生細(xì)菌。因此，應(yīng)大力發(fā)展輪胎資源循環(huán)利用行業(yè)。

水泥混凝土路面強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好，但行駛不夠順暢，噪聲大，變形能力較小，易開裂斷板，急需改善其韌性，提高其抗裂和抗沖擊性能。橡膠彈性模量低，變形性能好，且有吸聲減震的效果，若能將廢舊輪胎橡膠粉碎后加入到水泥混凝土中，則相當(dāng)于在混凝土中引入了彈性體系，可降低混凝土的脆性，提高其抗裂性能;在橡膠顆粒的加入過程中，還可引入氣泡，進(jìn)入使混凝土具有吸聲降噪的效能。國內(nèi)外研究表明，橡膠粉的摻入，可提高水泥混凝土的抗收縮性能、抗凍融性能、抗沖擊性能，但也使混凝土的強(qiáng)度大大降低，為使這種負(fù)面效果得到最大程度地緩解，國內(nèi)外研究中均使用了大量的有機(jī)及無機(jī)界面改性劑，但效果卻不夠穩(wěn)定。解決橡膠與水泥的界面粘結(jié)問題，確定橡膠的合適摻量及粒徑，都是研究過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 試驗原材料及試驗方法

(1)水泥:包頭草原牌P.O 42.5 水泥;

(2)水:當(dāng)?shù)仄胀ㄗ詠硭?

(3)砂:河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 600 kg/m3;

(4)石子:碎石，最大粒徑為20 mm;

(5)橡膠:包頭市桓成橡膠再生有限責(zé)任公司生產(chǎn)20目、40 目及60 目橡膠顆粒，表觀密度為800 kg/m3;

(6)NaOH 及CaCl2:市售工業(yè)用;

(7)粉煤灰:包頭希望鋁業(yè)自備電廠干排粉煤灰，燒失量為2.36%;包頭市宏偉鑄造廠產(chǎn)的礦渣微粉，比表面積562 m2/kg;

(8)試驗方法:參照J(rèn)TGF30－2003《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》。

2 橡膠顆粒粒徑對混凝土力學(xué)性能的影響

通過研讀相關(guān)文獻(xiàn)，暫定以橡膠顆粒等體積代砂20%，摻入占橡膠顆粒質(zhì)量5%的氯化鈣和氫氧化鈉作為改性劑，研究20 目、40 目、60 目及混合目數(shù)橡膠顆粒對混凝力學(xué)性能的影響。橡膠顆粒粒徑對混凝土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度及28 d 抗壓強(qiáng)度的影響見圖1、圖2。

圖1 橡膠顆粒粒徑對橡膠混凝土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖2 橡膠顆粒粒徑對混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度的影響

在圖1 中，1∶1∶1 是指20 目、40 目和60 目橡膠顆粒按質(zhì)量比1∶1∶1 混合;1∶1∶2 是指20 目、40 目和60 目橡膠顆粒按質(zhì)量比1∶1∶2 混合;其它同理。隨著橡膠橡膠顆粒不斷變粗，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化后又增大的趨勢，且后期增長幅度較大。試驗數(shù)據(jù)表明，橡膠顆粒為20 目時的抗拉強(qiáng)度值最大，40 目最小;當(dāng)用不同的顆粒級配按一定比例摻入時，20 目∶40 目∶60 目=2∶1∶1 時抗拉強(qiáng)度最大，但略小于20 目的抗拉強(qiáng)度數(shù)值。

由圖2 可知，摻入單一粒徑為20 目的橡膠顆粒時，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于其他粒徑的強(qiáng)度值;摻入單一粒徑為60 目的橡膠顆粒時，抗壓強(qiáng)度最小;按不同顆粒級配摻入時，抗壓強(qiáng)度沒有明顯提高或降低，但整體數(shù)值較20 目時均偏低。綜合考慮橡膠混凝土的工作性、28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度和28 d 抗壓強(qiáng)度，確定最佳粒徑為單一粒徑20 目，此時混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大。

3 橡膠顆粒摻量對混凝土力學(xué)性能的影響

根據(jù)前述試驗結(jié)果，選定橡膠顆粒粒徑為20 目，不采用改性劑，分別以橡膠顆粒等體積代砂2%、5%、8%、12%、15%、20%、30%，分析橡膠顆粒摻量的變化對混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度及28 d 抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 橡膠顆粒摻量對混凝土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖3 可知，當(dāng)橡膠顆粒摻量為代砂5% ～8%時，抗拉強(qiáng)度值最大，超過8%時，抗拉強(qiáng)度急劇下降;當(dāng)摻量為2%時，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于最大值，說明摻入一定量的橡膠顆粒，能夠提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。

由圖4 可知，隨著橡膠顆粒摻量的逐漸增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度值整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但降低幅度不大;當(dāng)摻量為2% ～8%時，強(qiáng)度比較穩(wěn)定，摻量大于8%時，強(qiáng)度減小趨勢較為明顯。綜合分析混凝土的工作性和力學(xué)性能，確定最佳摻量為20 目的橡膠顆粒代砂8%。

圖4 橡膠顆粒摻量對混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度的影響

4 橡膠顆粒界面改性方式對混凝土力學(xué)性能的影響

橡膠作為有機(jī)高分子材料，與水泥漿之間的界面粘結(jié)性較差，易在混凝土中形成脆弱界面，進(jìn)而降低了混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。對橡膠顆粒進(jìn)行界面改性，是將其應(yīng)用到混凝土中必須解決的難題。采用20 目橡膠顆粒等體積代砂8%固定不變，膠凝材料體系采用水泥∶粉煤灰∶礦渣=80∶10∶10，對比不同的改性方法對橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，為避免改性措施造成二次污染及降低成本，試驗中不使用高分子偶聯(lián)劑，也不使用NaOH 溶液，二是采用固體顆粒無機(jī)化學(xué)藥品，見表1。

表1 橡膠顆粒界面改性方式對混凝土性能的影響

通過表1 可知，在以上各種改性方式中，NaOH 、CaCl2及NaOH、MgSO4的復(fù)合使用效果較好，28 d 抗壓強(qiáng)度不但未損失還有所提高，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度更大，最佳改性方式為加入占橡膠顆粒質(zhì)量5%的NaOH 和CaCl2。

5 結(jié) 論

隨著橡膠顆粒粒徑的增大，混凝土的28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增大的趨勢，20 目時較40 目、60 目及混合粒徑的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較高。橡膠顆粒摻量為代砂5% ～8% 時，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度值最大，摻量為2% ～8%時，抗壓強(qiáng)度比較穩(wěn)定。采用固體顆粒無機(jī)化學(xué)藥品進(jìn)行改性時，最佳改性方式為加入占橡膠顆粒質(zhì)量5%的NaOH 和CaCl2。

［1］王瑞，林振榮，謝永亮，等.利用SHPB 技術(shù)對橡膠水泥混凝土韌性試驗研究.混凝土與水泥制品，2010.

［2］李金鳳，王洛英，李文杰，等.廢舊橡膠顆粒在道路工程中的應(yīng)用［J］.河南:河南科技大學(xué)，2011.

［3］彭光達(dá).橡膠粉對水泥混凝土性能的影響研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］吳章濤.橡膠水泥混凝土物理力學(xué)性能研究［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2011.

［5］公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F30－2003［S］.北京:人民交通出版社，2003.