橡膠再生粗骨料混凝土的性能試驗研究

石玲霞 李俊杰

（惠民縣交通運輸事業服務中心，山東 濱州 251700）

0 引言

混凝土是目前世界上使用最廣泛的建筑材料之一，中國城市擴建拆除過程中產生了大量廢棄混凝土，占用空間和資源。研究人員已經對廢棄混凝土的回收進行了大量研究，目前主要的回收方法是將廢棄混凝土制備成再生骨料后以一定的取代率摻入混凝土中。與普通天然骨料相比，再生骨料的吸水量較大，再生粗骨料混凝土的力學性能和抗凍性能均有一定下降，在一定程度上限制了其在工程中的應用[1]。

該文探索回收再生骨料混凝土材料的高附加值新技術和方法，嘗試以再生粗骨料取代天然粗骨料，以不同摻量的橡膠顆粒復合取代天然細骨料，制備綠色環保混凝土，以期為路面再生混凝土和橡膠混凝土的未來研究提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥：PO42.5R 普通硅酸鹽水泥。天然粗骨料：粒徑為5mm~20mm 和20mm~40mm 的2 種連續級配碎石，表觀密度為2620kg/m3，天然骨料體積密度為1405kg/m3。再生粗骨料：深圳科路盛實業有限公司，最大粒徑為40mm，表觀密度為2460kg/m3，堆積密度為1316kg/m3。天然細骨料為天然河砂，細度模數為2.53，表觀密度為2480kg/m3。廢棄橡膠顆粒：粒徑小于1mm，密度為920kg/m3，其他技術參數見表1。減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

表1 橡膠顆粒主要參數

1.2 試驗配合比

試驗制備了一組普通混凝土作為基準對照組，普通混凝土的強度設計為C50，通過體積置換法以橡膠顆粒和再生粗骨料取代天然骨料，再生粗骨料替代率為100%，天然粗骨料被相同體積的再生骨料完全替代。廢棄橡膠顆粒以10%、20%和30%的替換率取代天然細骨料[2-3]。由于再生骨料的吸水率相對較高，以再生粗骨料20 分鐘的吸水量計算附加水量，具體配合比見表2。

表2 普通混凝土和橡膠再生粗骨料混凝土試件配合比

1.3 試樣制備和試驗方法

基于混凝土結構試驗方法標準（GB/T50152—2012），制備150mm×150mm×150mm 的標準立方體用于抗壓強度試驗，和150mm×150mm×550mm 的標準棱柱體試件用于抗折試驗、彎曲試驗和疲勞試驗。試驗使用三點荷載進行彎曲試驗，采用位移控制模式。試驗裝置下軸承跨度為400mm，每個軸承距離試樣末端75mm，加載速度為0.05mm/min，如圖1 所示。在靜載荷試驗期間，通過位移計測量試樣撓度，并通過應變測量系統收集和記錄應變。混凝土疲勞性能試驗中選取正弦波形，與路面載荷產生的實際波形非常相似，使用的荷載頻率為10Hz，最大荷載Pmax為極限荷載的0.6、0.7、0.8 和0.9 倍，即S值。

圖1 三點荷載彎曲試驗簡圖（單位：mm）

2 試驗結果和分析

2.1 基本力學性能

根據混凝土物理力學性能試驗方法標準（GBT50081—2019）對橡膠再生粗骨料混凝土的力學性能進行了研究，試驗結果如圖2 所示。與普通混凝土相比，未摻加橡膠顆粒的R0 組試件的抗壓強度提高了9.8%，而抗折強度降低了10.2%。摻入橡膠顆粒后，R10 的抗壓強度和抗折強度下降了26.4%和5.9%，R20 的抗壓強度和抗折強度下降了37.9%和11.8%，R30 的抗壓強度下降了近一半，抗折強度下降了19.8%。抗壓強度和抗折強度隨橡膠含量的增加而降低，抗折強度的降低程度顯著低于抗壓強度的降低程度。在混凝土中摻入廢棄橡膠顆粒，使混凝土原有的內部結構發生了變化。當橡膠顆粒含量達到20%時，抗折強度仍大于4.5MPa，能夠滿足普通路面要求。

圖2 抗壓強度和抗折強度對比

R0 的彈性模量為普通混凝土的97.3%，其折壓比降低了19.2%。隨橡膠摻量的增加，R30 的彈性模量減少為R0 的近一半，但其折壓比增加了近一半。再生骨料的摻入對試樣彈性模量的降低沒有顯著影響，而橡膠顆粒的摻入顯著降低了彈性模量，折壓比反而不斷增加，R30 的折壓比高出R0 折壓比一半，表明橡膠再生粗骨料混凝土具有優異的抗裂性能。

2.2 彎曲性能試驗結果和分析

針對橡膠再生粗骨料混凝土的變形特性，該文在試驗過程中收集了應變和撓度等試驗參數，應變分為峰值拉應變和極限拉應變。R0 的峰值應變比NC 有所提高，但并不顯著。當摻入10%、20%和30%橡膠顆粒時，R10、R20 和R30 的峰值應變比R0 增加了1.16~1.62 倍，極限拉應變增加幅度較大，最大可增加3 倍以上，撓度也有不超過2 倍的一定程度的增加。從數據中可以看出，橡膠再生粗骨料混凝土的彎曲變形能力因廢棄橡膠顆粒的摻入得到了一定提升。在試驗過程中，橡膠顆粒作為橡膠再生混凝土的一部分，在受荷過程中，彈性的橡膠顆粒對荷載起了一定的緩沖作用，阻礙了混凝土脆性破壞現象的出現，使微裂紋的發展速度減慢。當橡膠顆粒摻量增加到20%時，其極限應變增加約3.5 倍，峰值撓度最大增加到R0 的近2 倍。含30%橡膠顆粒的R30 比R20 的極限應變和峰值撓度有所下降，這表明當橡膠顆粒摻量超過一定值時，廢棄橡膠顆粒反而對混凝土的抗彎曲變形能力起了不利作用。

荷載-撓度曲線如圖3 所示，荷載-應變曲線如圖4 所示。圖3、圖4 表明，不同組別的混凝土呈現出脆性破壞的特征。摻入廢棄橡膠顆粒的混凝土的撓度、應變曲線呈現出先上升、后下降的趨勢，在試驗過程較容易觀察到塑性變形特征。混凝土試件破壞失效前可觀察到較大的撓度變形，同時也證實了再生粗骨料混凝土中的彈性橡膠顆粒在受荷過程中具有一定能量消耗能力以及對混凝土延性的提高作用。

圖3 荷載-撓度曲線

圖4 荷載-應變曲線

2.3 彎曲試驗破壞形態分析

在彎曲荷載下，可觀察到在荷載施加后，混凝土試件的破壞分為4 個不同的階段，即再生粗細骨料帶來的初始內部缺陷、受荷初期混凝土內部細小裂紋發生、宏觀裂紋發生和結構破壞（宏觀裂紋穿透）。NC 中的裂紋具有寬開口和深穿透的特點，而再生粗骨料混凝土的破壞模式與NC 相似。加入橡膠顆粒后，混凝土受荷過程中出現的裂紋的寬度和深度隨之減少，抗裂性能顯著提高，混凝土出現延性破壞的特征。再生粗骨料混凝土原本較差的抗裂性能和抗彎曲破壞能力隨廢棄橡膠顆粒的摻入而增強。廢棄橡膠顆粒表面粗糙，可防水且有一定彈性，它們均勻分布在混凝土內部形成無數個間隔的微小彈簧，使其彎曲變形能力得到增強[3]。橡膠顆粒不僅以許多微彈簧的方式承受部分彎曲載荷，而且具有優異的拉伸性能，可以阻止微裂紋的擴展并延遲新裂紋的產生。因此，廢棄橡膠顆粒的摻入增強了混凝土的抗裂能力，使混凝土試件表現出顯著的延性破壞特性。

3 彎曲疲勞試驗結果及分析

每組混凝土在不同應力水平作用下進行的疲勞試驗的載荷參數見表3。該文根據表3 所示的荷載參數進行了三點彎曲疲勞試驗，疲勞壽命結果見表4。表4 中的數據在不同試驗中顯示出一定的離散性，這與其他研究者的結果一致。主要原因為混凝土是一種復合材料，其內部的不均勻性導致在相同應力水平下每個試樣呈現出不同的疲勞壽命。表4還顯示出，對配合比相同的橡膠再生粗骨料混凝土試件，疲勞壽命隨應力水平的升高而縮短。例如，在相同的應力水平下，NC 的平均疲勞壽命最短，而再生粗骨料混凝土的平均壽命比NC 長。隨著橡膠含量的增加，混凝土的疲勞壽命有所增長。再生粗骨料混凝土的疲勞壽命的最優廢棄橡膠顆粒摻量為20%，此時混凝土的抗彎曲疲勞性能最佳。例如當應力水平為0.6 時，摻入20%橡膠顆粒的再生粗骨料混凝土的平均疲勞壽命為742943 次循環。

表3 疲勞試驗的載荷參數

表4 疲勞試驗結果

橡膠顆粒的摻入顯著提高了混凝土的疲勞壽命，主要是因為橡膠抵抗破壞的能力較弱，但抵抗變形的能力較強。隨著橡膠顆粒的摻入，混凝土在受荷情況下產生更小了的收縮變形量，這與基本力學性能試驗中橡膠再生粗骨料混凝土在加載破壞過程中表現出塑性破壞現象的原因一致，它們作為分布在混凝土內部的微彈簧單元，可以顯著降低試樣的彈性模量并增強其彎曲變形能力，能有效阻止微裂紋擴展并延遲在循環載荷下新裂紋的出現，進而提高了疲勞壽命。

4 結論

為研究橡膠再生粗骨料混凝土的力學性能和疲勞性能，該文采用不同配合比橡膠再生粗骨料混凝土進行了力學性能和疲勞性能試驗。得出以下結論：1）再生粗骨料混凝土的抗壓強度比普通混凝土提高了9.8%，抗折強度比普通混凝土低10.2%，其彈性模量略有下降。2）橡膠再生粗骨料混凝土的基本力學性能著廢棄橡膠顆粒的摻入而下降，混凝土的彈性模量也隨之降低。如果用于實際工程中的路面，建議橡膠再生粗骨料混凝土的橡膠摻量不超過20%。3）橡膠顆粒的摻入顯著降低彈性模量，折壓比隨混凝土中橡膠含量的增加而不斷增加。同時，以一定摻量的橡膠顆粒摻入混凝土可改善再生粗骨料混凝土的抗裂性能，提高混凝土的疲勞壽命，橡膠摻量達到20%時增強效果最佳。4）該文研究的橡膠再生粗骨料混凝土是一種新型路面材料，它利用廢舊輪胎和廢棄混凝土作為再生資源，在對建筑廢棄物二次利用的同時也可解決一部分“黑色垃圾”的處理問題，可嘗試在實際工程中進行推廣，促進橡膠再生粗骨料混凝土的工程應用和發展。