橡膠粉對(duì)透水混凝土性能的影響研究

王 巖

（盤(pán)錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124200）

近年來(lái)，隨著時(shí)代的進(jìn)步和汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量以及廢舊輪胎數(shù)量都大幅提升。調(diào)查顯示，我國(guó)每年產(chǎn)出的廢舊輪胎數(shù)量巨大且呈現(xiàn)出逐年上升趨勢(shì)[1-3]。目前，許多地區(qū)依然選用翻新生產(chǎn)新輪胎或直接焚燒的方法來(lái)處理廢舊輪胎，但是焚燒會(huì)嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，故有效再利用廢舊輪胎逐漸成為亟待解決的問(wèn)題[4]。透水混凝土又稱(chēng)為開(kāi)放空隙、多孔或無(wú)砂混凝土，因其透水性能良好嘗被應(yīng)用于地下停車(chē)場(chǎng)、公園小區(qū)和人行道等輕荷載路面。城市路面使用透水混凝土有利于降低“熱島效應(yīng)”，吸收行車(chē)噪音減少聲污染，切實(shí)改善城市生態(tài)環(huán)境[5]。另外，由于不含細(xì)骨料使得車(chē)輛輪胎與透水混凝土路面間的摩擦力增加，從而降低了行駛過(guò)程中車(chē)輛側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)。然而，透水混凝土孔隙率較高，特別是凍融循環(huán)作用下自由水充滿(mǎn)孔隙后發(fā)生凍脹，長(zhǎng)期以往極易產(chǎn)生壓力破壞，在遼寧、吉林等北方地區(qū)透水混凝土的應(yīng)用受到一定限制[6]。為增強(qiáng)透水混凝土的抗凍性能，胡立國(guó)等[7]試驗(yàn)探討了聚羧酸高效減水劑、粉煤灰、硅灰等摻合料對(duì)透水混凝土抗凍性的影響。文章借鑒王海龍[8]、劉星雨等[9]研究成果，采用鹽凍破壞評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)探討了橡膠粉對(duì)透水混凝土性能的影響，以期為北方地區(qū)透水混凝土摻橡膠粉的推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)水泥，細(xì)度1.2%，安定性合格，SiO322.10%，初、終凝時(shí)間145min 和180min，3d、28d 抗壓強(qiáng)度26.8MPa 和55.2MPa，抗折強(qiáng)度5.5MPa和8.2MPa。

粉煤灰：大連華源粉煤灰有限公司生產(chǎn)的F 類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度21.2%，平均密度2.4g/cm3，需水量比105%。

粗骨料：大連地區(qū)天然碎石，壓碎指標(biāo)7.2%，表觀密度2510kg/m3，堆積密度1460km/m3，含泥量0.2%。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，易溶于水，減水率25%，摻量1%。

拌合水：當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1）試件的制備。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比水:水泥:粉煤灰:石子=120 : 400 : 40 : 1480，按基準(zhǔn)配合比配制不摻橡膠粉的透水混凝土。

本試驗(yàn)選用粒徑20 目、60 目、80 目的橡膠粉顆粒，通過(guò)內(nèi)摻的方式等量替代水泥摻入透水混凝土中，設(shè)計(jì)5%、10%、15%三種摻量，每種摻量制備1 塊高度150mm、底面直徑150mm 的圓柱體試件，2 塊400mm×100mm×100mm 的棱柱體試塊和15 塊100mm×100mm×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件。經(jīng)混合攪拌、入模成型后，室內(nèi)靜置48h 脫模，參照現(xiàn)行規(guī)范測(cè)試7d、14d、21d、28d 齡期的抗壓強(qiáng)度，并測(cè)定標(biāo)養(yǎng)28d 時(shí)透水混凝土的抗凍融循環(huán)性能和透水率。

2）透水率的測(cè)定。透水混凝土的透水率參照現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范推薦的定水頭法進(jìn)行測(cè)定：試驗(yàn)前先浸泡24h 以確保試塊的充分濕潤(rùn)，測(cè)試過(guò)程中用凡士林涂抹儀器表面，將試塊置于透水儀并用石蠟密封邊緣孔隙，以防有水流的滲出；然后打開(kāi)出水閘讓水流透過(guò)試塊流出，結(jié)合注水時(shí)間與溢水量之間的關(guān)系計(jì)算混凝土的透水系數(shù)。

3）抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。透水混凝土抗壓強(qiáng)度參照《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，并準(zhǔn)確記錄7d、14d、21d、28d 齡期的強(qiáng)度值。

4）抗凍融性能的測(cè)定。抗凍性參照試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)推薦的快凍法來(lái)測(cè)定：試驗(yàn)開(kāi)始前，采用動(dòng)彈儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 齡期的混凝土彈性模量和橫向基頻，并稱(chēng)取試件初始質(zhì)量，以往測(cè)試完成后在水中浸泡4d，然后利用快速凍融機(jī)開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)。一個(gè)凍融循環(huán)周期為4h，最高融化溫度(10±2)℃，最低凍結(jié)溫度(-20±2)℃，每?jī)鋈谘h(huán)25 次測(cè)量一次試件質(zhì)量和彈性模量，并觀察試塊破壞情況，以相對(duì)動(dòng)彈模量下降60%或質(zhì)量損失率超過(guò)5%作為凍融破壞的判定標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 透水率試驗(yàn)

5%、10%、15%不同摻量以及20 目、60 目、80 目不同粒徑橡膠粉對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)影響，如表1 所示。結(jié)果表明，基準(zhǔn)組明顯高于摻橡膠粉組的透水系數(shù)，這是因?yàn)橄鹉z粉的彈性非常好，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中被夯實(shí)的橡膠粉顆粒產(chǎn)生體積膨脹，從而堵住了內(nèi)部細(xì)小孔隙，大大降低了混凝土的透水能力。

表1 透水混凝土的透水系數(shù)

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度損傷率與20 目、60 目、80 目橡膠粉摻量間的關(guān)系，如圖1 所示。結(jié)果顯示，相同粒徑條件下，隨橡膠粉摻量的增大透水混凝土抗壓強(qiáng)度損失率相較于基準(zhǔn)組逐漸增大，28d 齡期透水混凝土抗壓強(qiáng)度損失率，如表2 所示。

圖1 強(qiáng)度損失率與橡膠粉摻量的關(guān)系

表2 28d 齡期抗壓強(qiáng)度損失率

研究認(rèn)為，表面凸凹不平易攜帶水分且自身屬于憎水性材料的橡膠粉顆粒的摻入降低了水泥之間的粘結(jié)性，并且水泥間的粘結(jié)性隨著摻量的增加逐漸下降；橡膠粉的彈性非常好，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中被夯實(shí)的橡膠粉顆粒會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，從而降低石子與水泥間的結(jié)合力，形成受力薄弱區(qū)；另外，橡膠粉摻量越高則替代的水泥量越多，這大幅度降低了整體強(qiáng)度。

透水混凝土抗壓強(qiáng)度與橡膠粉5%、10%、15%不同摻量之間的關(guān)系，如圖2 所示。結(jié)果顯示隨橡膠粉顆粒粒徑的下降透水混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度逐漸提高，其中摻入80 目的5%橡膠粉較基準(zhǔn)透水混凝土28d 抗壓強(qiáng)度增大11.92%達(dá)到21.6MPa。究其原因，粒徑越小則橡膠粉的分布越均勻，其孔隙填充效應(yīng)也就越明顯，透水混凝土中的細(xì)小孔隙被大量小顆粒橡膠粉填充密實(shí)，有利于提高骨料的支撐能力，故橡膠粉粒徑越小則透水混凝土抗壓強(qiáng)度越高。

圖2 抗壓強(qiáng)度與橡膠粉摻量的關(guān)系

2.3 抗凍融性能試驗(yàn)

凍融循環(huán)25 次、50 次、75 次、100 次時(shí)摻20目、60 目、80 目橡膠粉透水混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量變化，如圖3 所示。

圖3 不同粒徑的相對(duì)動(dòng)彈模量

結(jié)果表明，粒徑相同條件下，橡膠粉摻量從5%增大到10%則透水混凝土質(zhì)量損失率呈下降趨勢(shì)，而相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，有利于增強(qiáng)試件的抗凍融性能；摻量從10%增大到15%則透水混凝土質(zhì)量損失率呈上升趨勢(shì)，而相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在一定程度上降低了混凝土抗凍融能力；另外，摻20 目、60 目的15%橡膠粉組低于基準(zhǔn)透水混凝土的抗凍融性能。

研究認(rèn)為，表面較為粗糙的橡膠粉顆粒能夠?qū)⒁氪罅课⑿馀荩@些微小氣泡可以提供壓力緩沖空間，為凍融循環(huán)下自由水體積變化創(chuàng)造有利條件，摻量從5%增大到10%時(shí)橡膠粉比表面積增大，具有較強(qiáng)的陰氣作用，從而降低了凍融破壞作用；另外，彈性較好的橡膠粉能夠緩解自由水凍融體積變化所形成的壓力；橡膠粉可以可以填充內(nèi)部微小孔隙，在一定程度上降低凍融循環(huán)對(duì)孔隙間水泥連接處的破壞作用[10]。摻量從10%提高到15%時(shí)，橡膠粉替代水泥用量使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度均明顯下降，并且橡膠粉顆粒之間很容易形成沒(méi)有膠結(jié)力的接觸面，凍融條件下極易發(fā)生破壞，從而降低了其抗凍融性能[11]。

凍融循環(huán)25 次、50 次、75 次、100 次時(shí)摻5%、10%、12%橡膠粉透水混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量變化，如圖4 所示。結(jié)果表明，摻量相同條件下，隨橡膠粉粒徑的減小透水混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率減小，而相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。究其原因是摻量相同條件下，粒徑越小則橡膠粉顆粒的比表面積越大，其引氣作用越明顯，其增強(qiáng)抗凍融性能越好。同時(shí)，粒徑越小橡膠粉顆粒填充細(xì)小孔隙效應(yīng)越突出，有利于提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度，有效降低凍融循環(huán)導(dǎo)致的孔隙間水泥連接破壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同粒徑的相對(duì)動(dòng)彈模量

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

依據(jù)摻5%、10%、15%的20 目橡膠粉和基準(zhǔn)透水混凝土28d 掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各組均存在許多微裂縫，且隨著橡膠粉摻量的增大結(jié)構(gòu)密實(shí)程度逐漸下降，由于橡膠粉的憎水性使得水泥連接之間形成較多的微小裂紋和薄弱區(qū)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加松散，大大降低了混凝土強(qiáng)度[12-17]。

3 結(jié) 論

1）橡膠粉的摻入不利于改善透水混凝土的透水性能，其中摻80 目的15%橡膠粉組透水系數(shù)降幅最大，與基準(zhǔn)組相比減小了42.81%；摻橡膠粉組相較于基準(zhǔn)透水混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低，但摻80 目的5%橡膠粉組相較于基準(zhǔn)透水混凝土28d 強(qiáng)度增大11.92%達(dá)到21.6MPa。

2） 橡膠粉的摻入能夠改善混凝土抗凍融性能，其中摻80 目的5%橡膠粉組的抗凍融能力最優(yōu)，凍融循環(huán)100 次后其相對(duì)動(dòng)彈模量與基準(zhǔn)透水混凝土相比提升53.7%，質(zhì)量損失率較基準(zhǔn)組也明顯減小。