一種改性廢舊橡膠透水混凝土制備及性能試驗

嚴超群，呼加瑞，謝 李

(1.楊凌職業技術學院 交通與測繪工程學院，陜西 楊凌 712100；2.中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710065)

透水混凝土是目前道路工程中最常用的一種鋪設材料，在使用時，能有效避免積水帶來的路面濕滑，增加人們出行的安全性。但普通透水混凝土受自身材料和結構的影響，彈性模量高，抗凍融性能較低，這就導致了鋪裝路面舒適度較低和使用壽命較短的問題。為了進一步提升透水混凝土的性能，有學者進行了研究，如嘗試利用粉煤灰替代部分水泥，增強透水混凝土的強度[1]；還有學者在前人的研究基礎上，使用性能更完善的硅灰替代部分水泥，進一步完善透水混凝土性能[2]。但目前針對透水混凝土彈性模量的研究較少，基于此，本研究選擇彈性較大的改性廢舊橡膠對透水混凝土的舒適度和使用壽命進行增強，以獲得性能較為完善的透水混凝土。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1主要材料

廢舊橡膠(10目、40目、60目)，蘇豐再生資源回收；聚羧酸高效減水劑(CP)，柯普化工；氫氧化鈉(AR)，順凱化工；P·O42.5水泥，中泰水泥；碎石(G3級配)，一葦景觀建材；硅灰(Ⅰ級)，博瑞建材；高錳酸鉀(標準品)，同欣化工；雙氧水(CP)，順陽化工科技；尿素(CP)，隆潤精細化工原料。

1.1.2試驗設備

DZF-6020真空干燥箱，海天友誠科技；JS-2000混凝土攪拌機，昌文機械；JYW-2000數顯壓力試驗機，一海三路科技；GDR3-9凍融循環試驗箱，盛世慧科檢測設備，。

1.2 試驗方法

1.2.1廢舊橡膠改性

分析現有橡膠改性方法，本試驗選擇氧化-尿素改性方法對廢舊橡膠進行改性。具體過程為：

(1)按照體積比為1∶2.63將橡膠顆粒在氫氧化鈉溶液中浸泡24 h；

(2)過濾取出橡膠材料，沖洗后測試橡膠pH值，待橡膠pH值恒定在6.5～7，置于真空干燥箱內烘干；

(3)將烘干后橡膠完全浸沒在高錳酸鉀溶液中充分氧化，在氧化過程中需要持續添加高錳酸鉀，確保高錳酸鉀溶液pH值始終維持在2～3，氧化溫度和時間分別為60 ℃、30 min；

(4)添加一定質量的雙氧水，保持體系pH值為5，進行氧化反應，氧化反應溫度和時間分別為50 ℃和2 h；

(5)調節體系pH值為8，升溫至65 ℃后放入尿素，繼續提升體系溫度至90 ℃進行反應，沖洗并烘干。

1.2.2改性廢舊橡膠透水混凝土的制備

(1)參照CJJ/T 135—2009規程對混凝土配方進行設計，具體如表1所示；

(2)根據表1配比精準稱取集料，并混合均勻；

表1 改性廢舊橡膠透水混凝土配方Tab.1 Formula of modified waste rubber permeable concrete kg/m3

(3)將混凝土砂漿材料分3次倒入提前準備好的模具中，每次倒入都需要用搗輥由內向外順時針插搗數次，確保砂漿材料在模具中分散均勻；

(4)置于常溫環境中養護24 d，脫模后編號，置于標準養護箱內養護至指定齡期。

1.3 性能測試

1.3.1孔隙率測試

參照CJJ/T 135—2009 規范，采用質量法測定透水混凝土的有效孔隙率[3]。

有效孔隙率表達式[4]：

(1)

式中：Pe為有效孔隙率；V為試件體積；ρ為水密度；m1為試件干質量；m0為試件在水中的質量。

1.3.2透水系數測試

采用定水頭法對透水混凝土透水系數進行測試[5]。

透水系數表達式[6]：

(2)

式中：K為透水系數；H為試件滲水前后水位差；A為試件上表面積；L為試件厚度；Q為恒定時間內滲出的水量。

1.3.3抗壓強度測試

參照國標GB/T 50081—2019用數顯壓力試驗機對透水混凝土抗壓強度進行測試[7]。

抗壓強度表達式[8]：

(3)

式中：f為抗壓強度；F為試件破壞荷載；A為承壓面積。

1.3.4抗折強度測試

參照國標GB/T 50081—2019 對透水混凝土抗折強度進行測試[9]。

抗折強度表達式為[10]：

(4)

式中：ff為抗折強度；h為試件截面高度；l為支座跨距；b為試件截面高度；F為試件破壞荷載。

1.3.5抗凍融性能測試

參照GB/T 50082—2009中的快凍法對透水混凝土的抗凍融性能進行檢測，以質量損失率表征透水混凝土的抗凍融性能[11]。

1.3.6彈性模量測試

參照GB/T 50081—2019，用壓力試驗機檢測透水混凝土的彈性模量[12]。

彈性模量表達式[13]：

E=[(Fa-F0)/A]×(L/n)

(5)

式中：E為彈性模量；L為測量標距；A為承壓面積；Fa為應力的三分之一軸心抗壓強度的荷載；F0為應力0.5 MPa的初始荷載；Δn為最后一次從Fa到F0時，試件2側變形的平均值。

2 結果與討論

2.1 孔隙率、透水系數試驗結果分析

圖1為透水混凝土與改性橡膠間的關系。

從圖1可以看出，透水混凝土孔隙率與改性橡膠顆粒大小和摻量成反比。這可能是，本試驗制備混凝土的方式為外摻，對透水混凝土中的有效孔隙起填充作用，影響了混凝土孔隙率和透水系數[14]。從圖1中還可看出，摻量為3%的60目改性橡膠透水混凝土透水系數和孔隙率與基準混凝土差別不大，說明該條件下的改性橡膠并未對透水混凝土透水性能產生明顯的不良影響。

圖1 透水系數和孔隙率的變化Fig.1 Variation of permeability coefficient and porosity

2.2 力學性能試驗結果分析

圖2為力學性能試驗結果。

圖2 力學性能變化Fig.2 Change of mechanical properties

從圖2可以看出，3種粒徑的橡膠顆粒對透水混凝土的影響規律大致相同。橡膠顆粒較少，透水混凝土力學性能皆表現良好。當橡膠摻量超過了一定的臨界值，力學性能反而有所下降；出現這個變化的主要原因在于，透水混凝土的結構為蜂窩狀，摻入少量的改性橡膠后，可以對橡膠孔洞進行填充。但摻量較多，影響了混凝土基體的粘接性能，對力學性能產生影響。

同時，抗壓強度和抗折強度受改性橡膠粒徑的影響，表現出相反的規律。這是因10目改性橡膠填充了透水混凝土孔隙，增強了抗壓強度；而60目改性橡膠在混凝土內部起骨料支撐作用，因此對透水混凝土抗折強度產生積極的影響[15]。

2.3 彈性模量試驗結果分析

透水混凝土一般用于道路鋪裝，在使用的過程中，對舒適度有一定要求，即彈性模量越小越好。圖3為彈量測試結果。

圖3 改性橡膠對透水混凝土彈性模量的影響Fig.3 Effect of modified rubber on elastic modulus of permeable concrete

從圖3可以看出，透水混凝土彈性模量與改性橡膠摻量表現出反比趨勢。9%摻量的60目改性橡膠混凝土彈性模量降至19.3 GPa；當繼續增加改性橡膠摻量，雖然彈性模量還會繼續下降，但下降趨勢并不明顯。這是與橡膠顆粒自身彈性和骨架支撐有關。

2.4 凍融循環試驗結果分析

圖4為凍融循環試驗結果。

(a)10目

(b)40目

(c)60目圖4 凍融性能的變化Fig.4 Change of freeze-thaw performance

從圖4可以看出，凍融次數與混凝土的質量損失率呈正比，在這與透水混凝土多孔結構有很大的關系。在凍融循環試驗的過程中，透水混凝土吸收大量的水分結冰后體積增大，對混凝土內部在造成不均勻的拉力或者壓力，加速了混凝土部內部的破壞。在凍融次數固定的條件下，橡膠摻量與透水混凝土質量損失率呈正比，且60目改性廢棄混凝土的抗凍融性能優于10目改性廢棄混凝土。低慘量橡膠透水混凝土抗凍融性能明顯較高，這可能是因為改性橡膠自身的彈性較高，摻入透水混凝土后，能夠抵消掉一部分水結冰時產生的壓力，透水混凝土的抗凍融性能有一定提高。而橡膠顆粒的彈性作用明顯優于橡膠粉末，因此目數越高的改性橡膠，對透水混凝土抗凍融性能的改善結果越好。

2.5 實際應用效果

在上述的分析中，已經確定了3%～6%摻量條件下60目改性廢棄橡膠透水混凝土綜合性能表現良好。綜合考慮，選擇摻量為5%的60目改性廢棄橡膠透水混凝土進行實際應用試驗。

2.5.1場地檢測

以某小區路面為試驗對象，將改性廢棄橡膠透水混凝土在該小區內進行鋪裝，然后按照常規養護方法進行養護，并投入使用，1年后進行復檢，確定改性廢棄橡膠透水混凝土的實際應用性能，具體結果如圖5所示。

(a)改性廢棄橡膠透水混凝土道路鋪裝

(b)1年后透水混凝土使用情況圖5 改性橡膠混凝土實際應用情況Fig.5 Actual application of modified rubber concrete

從圖5可以看出，廢棄橡膠透水混凝土鋪裝道路在使用1年后，表面無脫落、變色等異常情況出現；說明本試驗制備的改性廢棄橡膠透水混凝土可以用于實際工程建設。

2.5.2經濟性能分析

在實際工程應用中，假設路面鋪設厚度一般為10 cm；根據市場行情，幾種常見的透水性混凝土的造價如表2所示。

表2 混凝土造價分析Tab.2 Concrete cost analysis

由表2可知，粒式瀝青混凝土和普通水泥混凝土并不具備透水性能，無法滿足道路透水要求。排水瀝青混凝土雖然具備較好的透水性能，但在鋪裝過程中，需要多種工程機械協同作用，不利于小道施工；同時，材料造價較高，經濟效益較低。普通透水混凝土雖然具備一定的透水性，但受材料性能的影響，在使用過程中，壽命較短，舒適度也相對較低。改性橡膠混凝土雖然造價略高于普通透水混凝土，但改性橡膠在一定程度上填補了普通混凝土沒有細骨料的缺陷，彈性模量、力學性能和抗凍融性能皆有所提升。也就是說，改性廢棄橡膠混凝土在使用壽命、耐久性和舒適度方面都明顯高于普通透水混凝土，表現出良好的經濟效益，可以在實際應用中投入使用。

3 結語

本試驗制備的改性廢舊橡膠透水混凝土在使用壽命、耐久性和舒適度方面皆表現良好，具備較高的經濟效益。

(1)3%摻量的60目改性廢棄橡膠混凝土性能最佳；

(2)60目改性廢舊橡膠對對透水混凝土的抗折強度增強效果良好，而抗壓強度效果則有限；

(3)60目改性廢舊橡膠能有效降低透水混凝土的彈性模量，增強改性廢舊橡膠透水混凝土的舒適性；

(4)低摻量60目改性廢舊橡膠能有效增強透水混凝土的抗凍融性能；

(5)摻量為5%的60目改性廢舊橡膠透水混凝土投入使用一年后沒有異常情況出現，雖然材料成本略高于普通透水混凝土，但在使用壽命、耐久性和舒適度方面都明顯高于普通透水混凝土，表現出良好的經濟效益。