橡膠粒徑和摻量對橡膠混凝土膠砂性能的影響

丁麗芳，張思雨，姚雪濤

（河北建設集團股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景

隨著國民經濟的快速發展，我國汽車保有量逐年增長，隨之輪胎的產量和廢舊輪胎的數量持續增多。據統計，2018年，我國廢舊輪胎產生量多達 3.8 億條，重量約 1459 萬 t。廢舊橡膠輪胎屬于工業有害固體廢棄物，其自然分解需要長達數百年的時間。如果不采取有效措施進行合理處置或回收利用，不但會造成嚴重的環境污染，而且也是對資源的極大浪費[1]。

可持續發展是我國近年來提出的一項基本國策，而廢棄物的循環利用與合理處置無疑是發展循環經濟，實現可持續發展的重大舉措[2]。將廢舊橡膠輪胎破碎成橡膠粉，摻入到混凝土拌合物中，不但能增加混凝土構件的韌性，改善其抗沖擊性和抗震性能，同時又能解決大量廢舊橡膠的處置及回收利用問題[1]。因此，橡膠混凝土的研究和應用具有一定的經濟效益、環保效益和社會效益，它代表著混凝土研究的新方向。

本研究采用兩種不同粒級的橡膠粉進行復配，通過橡膠膠砂流動度、強度對比試驗對橡膠粉的粒級、摻量等影響因素進行研究，為橡膠混凝土的研究提供參考依據。

2 試驗部分

2.1 原材料

（1）橡膠粉：選用唐山市玉田縣正興輪胎制造有限公司生產 30 目和 50 目兩種橡膠粉，其中 30 目所對應的篩孔尺寸為 0.600mm 標準目數，50 目所對應的篩孔尺寸為 0.300mm 標準目數。兩種橡膠粉按照 1:1、1:2、2:1 的比例復配，分別記為 a、b、c，堆積密度分別為 415kg/m3、408kg/m3和 422 kg/m3。

（2）水泥：選用河北京蘭 P·O42.5 水泥，主要性能指標見表 1。

（3）砂：保定滿城河砂，細度模數 2.6，屬于 Ⅱ區中砂，級配良好，其他性能指標見表 2。

（4）水：飲用水。

表 1 水泥的主要性能指標

表 2 砂的主要性能指標

2.2 試驗設計

本研究中膠砂試驗的目的是為橡膠混凝土研究提供參考，所以膠砂試驗所使用的原材料與混凝土試驗相同，并未選用基準水泥和標準砂。

因橡膠粉與天然砂的堆積密度相差較大，故本研究采用等體積取代法，以避免等質量取代引起體積砂率的變化。

依據 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》和 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》相關規定，本研究以灰砂比 1:3、水灰比 1:2的水泥膠砂為基準，將橡膠粉 a、b、c 分別以 5%、10%、15%、20% 的摻量等體積取代天然砂，制得橡膠膠砂，然后進行膠砂流動度、膠砂試件 28d 抗折強度、28d 抗壓強度等試驗。

3 試驗結果及分析

在不同橡膠粒級和摻量下，各組橡膠膠砂的流動度、抗壓強度、抗折強度及壓折比的測試結果見表 4。

3.1 膠砂流動度

在不同橡膠粒級和摻量下，各組橡膠膠砂的流動度測量結果如圖 1 所示。

表 4 橡膠膠砂的流動度及強度測試數據

圖 1 橡膠粉摻量與膠砂流動度的關系

結果表明：（1）隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠膠砂流動度均呈先增大后減小的趨勢，其拐點均出現在10% 摻量；（2）在 5% 和 10% 摻量時，膠粉 b 所制得膠砂的流動度最大，在 15% 和 20% 摻量時，膠粉 c所制得膠砂的流動度最大；（3）各膠粉所制得膠砂在20% 摻量時均大于基準膠砂的流動度。

首先，橡膠粉是憎水性高分子材料，在其表面容易吸附氣泡，因此，橡膠粉在砂漿中具有引氣功能。在膠砂拌制過程中，摻入橡膠粉會引入氣泡，在橡膠粉外表面被氣泡包裹與砂漿形成滾珠效應，減小了其間的摩擦力，隨著橡膠粉摻量的增加，滾珠效應越加明顯，使得膠砂流動度變大；其次，橡膠粉又具有吸水性，當橡膠粉粒級減小時，其比表面積變大，增加了表面濕潤的需水量，隨著摻量的增加，其吸水效應越加明顯，就會導致膠砂流動度的減?。坏谌?，橡膠粉的加入，在一定摻量范圍內，會起到優化砂的顆粒級配的作用，從而影響膠砂流動度。

本試驗中，橡膠膠砂流動度在以上三種因素的共同作用下發生改變。摻量較低時，橡膠粉滾珠效應的影響大于吸水效應，膠砂流動度明顯變大；隨著橡膠粉摻量的增加，吸水效應的影響逐漸增大，膠砂流動度開始變小，但依然大于基準膠砂的流動度。在摻量相同時，不同橡膠粉的膠砂流動度由其粒級所決定，根據橡膠粉復配的比例可知，三種橡膠粉的粒級為 b＜a＜c，所以，摻量相同時，膠粉 b 吸水效應最強，膠粉 c 滾珠效應最強，其膠砂流動度也應為 b＜a＜c，這與 15%、20% 摻量的實測數據相符；但在 5%、10% 摻量時實測為 a＜c＜b，分析其原因，應為在此摻量時，膠粉 b 的取代優化了砂的顆粒級配，使得膠砂流動度增大。

3.2 膠砂強度

在不同橡膠粒級和摻量下，橡膠膠砂試體 28d 抗折強度、28d 抗壓強度及壓折比的測試結果見圖 2、圖 3、圖 4。其中，壓折比為抗壓強度與抗折強度的比值，是材料韌性的衡量指標，壓折比越小，表明材料的韌性越好，即抗裂性能越好。

圖 2 橡膠粉摻量與 28d 抗折強度的關系

圖 3 橡膠粉摻量與 28d 抗壓強度的關系

圖 4 橡膠粉摻量與壓折比的關系

以上測試結果表明：（1）隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠膠砂試體的抗折強度呈下降趨勢，摻量為5%、10%、15% 時，膠粉 c 的抗折強度最高，摻量為20% 時，膠粉 a 的抗折強度最高；（2）隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠膠砂試體的抗壓強度呈下降趨勢，摻量為 5% 時，膠粉 b 的抗壓強度最高，摻量為 10%、15%、 20% 時，膠粉 c 的抗壓強度最高；（3）隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠膠砂試體的壓折比呈下降趨勢，摻量為 5% 時，膠粉 b 的壓折比最高，摻量為 10%、15%、20% 時，膠粉 c 的壓折比最高。

膠砂試體抗折強度與抗壓強度下降的原因主要有兩方面：首先，相對于砂，橡膠顆粒的硬度較小，因此，在荷載作用下，橡膠膠砂試件內部橡膠顆粒的變形與周圍水泥砂漿的變形不一致，實際承載面積相對變小，導致橡膠膠砂強度性能下降；其次，橡膠作為有機高分子材料，與水泥漿體粘結較弱，造成界面粘結強度較低，界面破壞的可能性增加，導致試體強度減小。

本試驗中，橡膠膠砂試體的抗折強度、抗壓強度均隨膠粉摻量增加呈下降趨勢，說明影響膠砂試體強度的主要因素為膠粉摻量，而與膠粉粒級關系不大；膠砂試體的壓折比隨膠粉摻量增加也呈下降趨勢，說明相對于抗折強度，抗壓強度的下降幅度較大，同時也表明隨著膠粉摻量的增加，膠砂試體的韌性逐漸增強。

4 結論

通過對比三種膠粉的橡膠膠砂流動度和膠砂試體強度試驗數據，綜合考慮其流動性和強度指標，得出以下結論：

（1）橡膠粉的摻入，可改善膠砂流動性能。較低摻量時，橡膠粉的引氣作用占主導地位，隨著摻量增加，其吸水作用逐漸占據主導地位，而過程中，橡膠粉對于砂顆粒級配的調整也會對膠砂流動性產生影響。

（2）橡膠粉的摻入，在改善膠砂試體韌性的同時，也降低了其強度。影響強度的主要因素是膠粉摻量，與粒徑關系不大，且膠砂強度隨摻量的增長而降低。

（3）由膠砂試件強度試驗可知，橡膠粉的摻入對強度影響較大，故其摻量不可過大，也無法在混凝土中進行大摻量應用。