橡膠混凝土的抗凍融和抗沖擊性能研究

李燕飛，郭慶

（1.山西一建集團有限公司，山西 太原 030012；2.山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001）

0 前言

汽車輪胎的橡膠是由高度耐用且具有強分子結構的聚合物組成，在自然環境下需要1個世紀才能分解[1]。由于機動車輛的劇增，廢舊橡膠輪胎造成的環境污染也在增加。用橡膠顆粒替代混凝土中的砂制備橡膠混凝土不僅能夠對廢舊橡膠進行再利用，也能減少河砂的使用。廢橡膠顆粒對混凝土的力學性能有顯著影響，會降低混凝土的抗壓強度[2-3]。閻磊[4]研究了橡膠自密實橡膠混凝土的和易性和力學性能，給出最佳橡膠顆粒的取代率和粒徑。何亮等[5]的研究指出，由于橡膠具有疏水性，而水泥材料具有親水性，因而導致橡膠混凝土的強度下降。Benazzouk等[6]的研究表明，由于橡膠顆粒和周圍混凝土之間的界面連接較弱，且橡膠的彈性模量較低，使得界面連接處更容易產生應力集中現象，從而導致橡膠混凝土的強度較普通混凝土低。此外，隨著橡膠含量的增加，雖然橡膠混凝土的抗壓強度和密度降低，但同時能夠增加混凝土吸收能量的性能和韌性，橡膠混凝土吸能和韌性的增加則為其能夠在易受沖擊和磨損的情況下應用提供了基礎[7-8]。龍廣成等[9]的研究表明，摻入橡膠顆粒的橡膠混凝土具有更好的抗沖擊性能。郭永昌等[10]的研究表明，橡膠混凝土是一種應變率敏感材料，橡膠混凝土的峰值應力、極限應變表現出顯著的應變率強化效應，其抗沖擊性能明顯優于普通混凝土。吳安利等[11]的研究表明，經過改性的橡膠混凝土具有較高的強度和韌性，橡膠混凝土抵抗復合鹽凍融循環和抗沖蝕性能均較普通混凝土有所改善。謝軍等[12]的研究表明，橡膠顆粒的摻入能夠提高試件的抗水侵蝕性能。綜上所述，橡膠混凝土較普通混凝土的強度雖有降低，但其韌性、抗凍融、抗沖擊和耐久性能均有提高，因此橡膠混凝土的應用前景較好。本文研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對橡膠混凝土抗壓強度、抗凍性和抗沖擊等性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，初、終凝時間分別為130、212 min，28 d抗壓強度為45.2 MPa；粗骨料：粒徑5～25 mm、級配良好的石子，密度為2700 kg/m3，吸水率為2.4%；細骨料：天然河砂，級配良好，細度模數3.20；水：自來水；橡膠顆粒：采用廢舊橡膠輪胎制成，最大粒徑分別為1 mm和2mm。

1.2 試驗配合比

本試驗中所有試件的水灰比均為0.50，在其它參數保持不變的情況下，使用橡膠顆粒分別等體積取代0.5%、1.0%、2.0%和4.0%的砂，試件成型后在飽和石灰水中養護28 d?；炷猎嚰呐浜媳纫姳?。

表1 混凝土試件的配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度

抗壓強度按GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

1.3.2 孔隙吸水率

孔隙吸水率試件為直徑150 mm、厚度55 mm的圓柱體，每組3個試件。養護28 d后用烘箱干燥試件至恒重。干燥后，只有頂面和底面保持裸露狀態，側面為不透水狀態，如圖1所示，將試件放在容器中的2個支架上，使試件下表面浸入水中5 mm深度。在5、10、20、30、60、180、360、720、1440 min時稱量水的質量，按式（1）計算試件的孔隙吸水率。

式中：k——孔隙吸水率，cm/s1/2；

t——吸水時間，s；

Q/A——單位時間內滲過試件單位面積的水量，cm。

圖1 混凝土試件孔隙吸水率試驗裝置示意

1.3.3 凍融試驗

凍融試驗試件為直徑100 mm、厚度35 mm的圓柱體，每組5個試件。試驗裝置如圖2所示，混凝土試件四周和底部密封，在頂部設置深度（5±2）mm、濃度為3%的NaCl溶液，該溶液每7個循環更換1次，試驗在第28個循環完成。凍融循環后，清除混凝土試件表面的剝落層，計算凍融質量損失。

圖2 混凝土試件凍融試驗裝置示意

1.3.4 抗沖擊試驗

沖擊強度試件為直徑150 mm、厚度55 mm的圓柱體，使用落錘試驗方法。在圓柱體試件上方使用質量為1 kg的鋼球從45 cm的高度反復自由下落，觀察試件表面記錄試件產生第1條裂縫和最終破壞所需沖擊能量。沖擊能量由式（2）計算得到：

式中：E——沖擊能量，J；

N——沖擊次數；

m——鋼球質量，kg；

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2；

h——沖擊高度，m。

2 試驗結果與討論

2.1 橡膠混凝土的抗壓強度和物理性能（見表2）

表2 橡膠混凝土的抗壓強度和物理性能

由表2可知：

（1）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的密度減小。這是由于橡膠顆粒本身的密度較小，當使用橡膠顆粒替代密度較大的砂時，會使得橡膠混凝土的密度減小。橡膠顆粒粒徑為2 mm、摻量為4.0%時，橡膠混凝土的密度較未摻橡膠顆粒的普通混凝土降低了119 kg/m3，可使橡膠混凝土構件具有更小的自重。

（2）孔隙吸水性率與混凝土內部結構直接相關，任何能破壞空間網絡連續性的物質都可以減小孔隙吸水率。由于本研究中使用的橡膠顆粒不具有吸水性，因此它對孔隙管空腔網絡中的空腔連續性具有阻斷作用，并且顯著降低了孔隙吸水率。橡膠顆粒摻量為4.0%的情況下，橡膠顆粒粒徑為1 mm和2 mm的橡膠混凝土試件孔隙吸水率較普通混凝土分別降低了65.3%、58.1%。橡膠顆粒粒徑為1 mm的混凝土比橡膠顆粒粒徑為2 mm的混凝土孔隙吸水速度降低更加明顯，這是因為隨著橡膠顆粒直徑減小，橡膠顆粒的比表面積增大所致。

（3）隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土試件的抗壓強度逐漸降低。橡膠摻量相同時，摻入粒徑為2 mm的橡膠顆粒比摻入粒徑1 mm橡膠顆粒的混凝土強度降低更多。橡膠顆粒摻量為4.0%時，粒徑為2 mm和1 mm的橡膠混凝土試件抗壓強度較普通混凝土分別降低了33.5%、30.5%。隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土抗壓強度下降是由于：橡膠顆粒的彈性模量低于周圍混凝土，當橡膠混凝土試件承受荷載作用時，橡膠和混凝土之間不能很好的共同受力使得橡膠顆粒與周圍混凝土界面連接處會產生裂縫并迅速擴展，導致混凝土試塊的抗壓強度降低。

2.2 橡膠混凝土的凍融耐久性

混凝土試件受到凍融作用后，由于試件中的水結冰膨脹會對周圍混凝土形成壓力，導致混凝土的質量損失。本試驗中使用濃度為3%的NaCl溶液進行凍融，以增加對試件的磨損效果，28次凍融循環后試件的質量損失見表3。

表3 不同橡膠摻量混凝土試件的質量損失

由表3可見，隨著混凝土中橡膠顆粒摻量的增加，試件的質量損失顯著減小。當橡膠顆粒摻量為4.0%時，橡膠顆粒粒徑為1 mm和2 mm的橡膠混凝土試件質量損失較普通混凝土分別減小了73.7%、81.2%。當橡膠摻量不大于1.0%時，使用最大粒徑為2 mm的橡膠顆粒更有助于減小質量損失；而當橡膠摻量大于1.0%時，使用最大粒徑為1 mm的橡膠顆粒更有助于減小質量損失。

2.3 橡膠混凝土的抗沖擊性

圖3為試件出現第1條裂縫和試件破壞時所需的沖擊能。

圖3 混凝土試件開裂和破壞所需的沖擊能

由圖3可知：摻入橡膠顆粒后試件的抗沖擊性能顯著提升。橡膠顆粒粒徑為2 mm時，隨著橡膠顆粒摻量的增加，試件的沖擊能逐漸提高，當橡膠顆粒摻量為4.0%時，試件的沖擊能約為普通混凝土試件的3倍。橡膠顆粒粒徑為1 mm時，當橡膠顆粒摻量小于2.0%時，隨著橡膠顆粒摻量的增加，試件的沖擊能逐漸提高；橡膠顆粒摻量為4.0%時，試件的沖擊能減小，但仍較普通混凝土試件提高了約50%。

3 結論

（1）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土試件的抗壓強度逐漸降低。橡膠摻量相同時，摻入粒徑為2 mm的橡膠顆粒比摻入粒徑為1 mm橡膠顆粒的混凝土強度降低更多。橡膠顆粒摻量為4.0%時，粒徑為2 mm的橡膠混凝土試件抗壓強度較普通混凝土降低了33.5%。

（2）隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠混凝土的孔隙吸水率減小，橡膠顆粒粒徑為1 mm的混凝土比橡膠顆粒粒徑為2 mm的橡膠混凝土孔隙吸水率降低更明顯。

（3）隨著橡膠顆粒摻量的增加，經過28次凍融循環后橡膠混凝土試件的質量損失減小。

（4）摻入橡膠后混凝土的抗沖擊性能提高，使用粒徑為2 mm的橡膠顆粒時，抗沖擊性能提高更加明顯。