鐵路路基用廢舊膠粉合成混凝土吸能減震效果研究

摘要：為提高鐵路路基的減震功效，泡沫合成混凝土有著良好的吸能減震效果，在鐵路、公路等路基回填應用中效果良好，開發性能優良的泡沫合成混凝土對鐵路等交通發展有著重要意義。試驗以廢舊橡膠粉和聚酯纖維為主要改性材料，研制了一種泡沫合成混凝土，并探究其性能。結果表明，當添加8%廢舊橡膠粉和0.2%聚酯纖維時，泡沫合成混凝土綜合性能較佳，此時的材料抗壓強度為2.53 MPa，彈性模量為985.5 MPa，材料滲水時水壓力為0.33 MPa。所研制的泡沫合成混凝土性能優良，可適用于鐵路等路基填充應用。

關鍵詞：混凝土；橡膠粉；聚酯纖維；抗壓強度；彈性模量

中圖分類號：TQ178；TU528文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0098-04

Research on the energy absorption and seismic reduction effectof synthetic concrete with waste rubber powderfor railway roadbeds

LI Jin

（Xi’an Railway Vocational and Technical College，Xi’an 710600，China）

Abstract：In order to improve the shock absorption effect of railway subgrade，foam synthetic concrete has good energy absorption and shock absorption effect，and has good effect in subgrade backfill applications such as railways and high?ways，and the development of foam synthetic concrete with excellent performance is of great significance to the devel?opment of railways and other transportation.In this experiment，a kind of foam synthetic concrete was developed with waste rubber powder and polyester fiber as the main modified materials，and its performance was investigated.The test results showed that when 8%waste rubber powder and 0.2%polyester fiber were added，the comprehensive per?formance of foam synthetic concrete was better.At this time，the compressive strength of the material was 2.53 MPa，the elastic modulus was 985.5 MPa，and the water pressure of the material was 0.33 MPa.The developed foam synthet?ic concrete has excellent performance and can be applied to subgrade filling applications such as railways.

Key words：concrete；rubber powder；polyester fiber；compressive strength；elastic modulus

泡沫混凝土有著多孔性、強度可調節性等諸多優良特性，可以作為鐵路等路基回填料，提高鐵路路基各性能，以解決鐵路等路基沉降變形等問題[1]。對此，相關學者進行了研究，如為滿足魯南高速鐵路路基工程的需求，以鐵尾礦微粉、粉煤灰等制備綠色環保的高性能泡沫混凝土[2]。探究了發泡劑稀釋倍數以及穩泡增韌改性對泡沫混凝土性能的影響[3]。通過礦粉、粉煤灰來代替部分水泥，研制了一種地聚合物基泡沫混凝土[4]。基于以上研究，試驗采用廢舊橡膠粉和聚酯纖維對其進行改性，制備一種泡沫合成混凝土。并對泡沫合成混凝土的改性效果進行測試，以實現環保、高性能等效果，為鐵路路基用泡沫合成混凝土的研究發展提供一定參考。

1試驗部分

1.1主要原料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（工業純，宜賓珙縣特種水泥）；廢舊橡膠粉（工業純，淼鑫礦產，60目）；聚酯纖維（工業純，泓發新材料，長6 mm，直徑14μm）；復合型發泡劑LG-2258（工業純，綠森化工）；穩泡劑（工業純，綠森化工）。

1.2儀器與設備

MYP2011-100型高速攪拌器（梅穎浦儀器）；JJ-5型水泥膠砂攪拌機（德杜儀器）；HP-4.0型抗滲儀（路科建試驗儀器）；YQN-SF-300B型萬能試驗機（垠青牛儀器）。

1.3試驗方法

1.3.1合成混凝土

利用水、水泥、廢舊橡膠粉、聚酯纖維、泡沫等材料，研制一種可適用于鐵路路基填充應用的泡沫合成混凝土。在試驗中，選擇的泡沫合成混凝土干密度等級是700 kg/m3，根據相關預試驗將水膠比設定為0.45。在不添加廢舊橡膠粉和聚酯纖維的條件下，每立方米泡沫合成混凝土中水泥為389.69 kg/m3，泡沫為34.95 kg/m3，水為175.36 kg/m3。在此基礎上，探究廢舊橡膠粉添加量和聚酯纖維添加量對這種泡沫合成混凝土性能的影響。

1.3.2材料的制備

（1）按照一定配合比稱量適量的水、水泥、廢舊橡膠粉、聚酯纖維、泡沫等材料。先將水泥、廢舊橡膠粉和聚酯纖維一起添加到攪拌機中，進行干拌5 min。再加入適量水，適當攪拌，使混合物擁有良好的均勻流動性；

（2）按照1∶1∶40的比例，將適量發泡劑、穩泡劑和水倒入一個桶中，用攪拌器以1 200 r/min的轉速進行攪拌5 min，得到泡沫；

（3）將步驟（1）中的混合物與適量泡沫以50 r/min的轉速混勻。在攪拌2 min后停止，將璧上的泡沫刮到漿體中，繼續以50 r/min的轉速攪拌混合2 min，得到泡沫合成混凝土漿料；

（4）在試件模具內部抹上脫模劑，再將混合好的泡沫合成混凝土漿料以緩慢的速度倒入試件模具中，插搗成型。抹平后，用塑料膜覆蓋，在干燥陰涼的環境中放置2 d，脫模。再進行標準養護28 d，烘干，得泡沫合成混凝土試件。

1.4性能測試與表征

1.4.1抗壓強度測試

按GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》[7]，利用萬能試驗機對試驗中制備的規格為100 mm×100 mm×100 mm的泡沫合成混凝土試件進行抗壓強度測試。

1.4.2彈性模量測試

按GB/T 11969—2008《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，使用萬能試驗機對100 mm×100 mm×300 mm規格的泡沫合成混凝土試件進行軸心抗壓強度測試，將材料軸心抗壓強度記為fcp。然后，以一定應力大小對泡沫合成混凝土試件進行加載，根據相關數據計算其彈性模量[6]。

1.4.3耐久性測試

按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[7-10]，對泡沫合成混凝土試件進行水滲透性試驗來分析其耐久性。試驗流程為：

（1）準備好養護28 d的圓臺形泡沫合成混凝土試件，每組試件均為6個，試件的上、下口徑分別為175、180 mm，高為150 mm；

（2）使用石蠟對泡沫合成混凝土試件進行密封，然后使用試驗機把泡沫合成混凝土試件壓到試模中。同時，確認抗滲儀各閥門水流情況，讓水裝滿試驗臺，關好抗滲儀各閥門，再安裝試模；

（3）打開1～6號閥門，先以0.1 MPa的水壓進行滲水，然后，每間隔8 h將水壓增大0.1 MPa。當6個相同試件中有3個試件中部開始出現水珠滲出的現象時，停止滲水，以此時的水壓力來表征泡沫合成混凝土試件的抗水滲透性，分析其耐久性。

2結果與討論

2.1不同廢舊橡膠粉添加量

2.1.1抗壓強度分析

圖1為在不添加聚酯纖維條件下，標準養護28 d的泡沫合成混凝土試件抗壓強度隨廢舊橡膠粉添加量的變化規律。

由圖1可知，在泡沫合成混凝土材料中添加廢舊橡膠粉，會使材料體系的28 d抗壓強度顯著下降。隨著廢舊橡膠粉添加量從0%增加到20%，泡沫合成混凝土試件的28 d抗壓強度呈近似線性減小的變化趨勢。不含廢舊橡膠粉的泡沫合成混凝土試件抗壓強度最大，為2.76 MPa。在添加4%廢舊橡膠粉之后，泡沫合成混凝土試件抗壓強度減小到2.53 MPa，降低幅度為8.33%。當廢舊橡膠粉添加量達到20%時，泡沫合成混凝土試件抗壓強度已經減小到1.72 MPa，降低幅度為37.68%。這些變化主要是由橡膠材料的惰性和非極性特性引起的。將廢舊橡膠粉添加到泡沫合成混凝土中后，由于橡膠材料的惰性特性，廢舊橡膠粉在混凝土材料體系中主要起到填充作用，會使水泥的水化反應速度變緩[8-9]。因此，混凝土材料的凝結硬化時間變長，各材料之間的連結效果變差。同時，由于橡膠材料的非極性特性，會在混凝土材料體系中引入較多的空氣，使材料內部的空氣含量增多，這也會使強度降低。除此之外，當在泡沫合成混凝土中引入廢舊橡膠粉時，這些橡膠材料與水泥之間的粘接性較差。從而使材料內部的微裂縫數量增加，內部缺陷增多[10]。因此，廢舊橡膠粉應少量添加。

2.1.2彈性模量分析

圖2為在不添加聚酯纖維條件下，標準養護28 d的泡沫合成混凝土試件彈性模量隨廢舊橡膠粉添加量的變化規律。

由圖2可知，當泡沫合成混凝土不含廢舊橡膠粉時，材料彈性模量最大，為1 256.4 MPa。在添加廢舊橡膠粉之后，泡沫合成混凝土試件的彈性模量均低于空白試件。當添加4%廢舊橡膠粉時，泡沫合成混凝土試件的彈性模量減小到1 030.5 MPa，降幅為17.98%。當添加20%廢舊橡膠粉時，泡沫合成混凝土試件的彈性模量則最小，為778.6 MPa，對比空白試件降低38.03%。這說明，在泡沫合成混凝土中添加廢舊橡膠粉，會使其彈性模量顯著降低。這是因為，廢舊橡膠粉的添加可以使泡沫合成混凝土材料體系擁有較好的受力變形能力，且這種能力增強程度隨廢舊橡膠粉添加量的增加而增大[11]。因此，在混凝土材料受到加載作用時，會產生大變形使加載過程中力所傳遞的能力消散。這就在一定程度上緩解了加載過程中材料的應力集中現象。同時，在混凝土材料體系中，廢舊橡膠粉與水泥材料之間的粘接界面比較薄弱，這也可以對微裂縫的發展進行有效引導。這使裂縫擴大到破壞材料的過程中材料依舊可能承受加載。因此，彈性模量下降。

2.1.3耐久性分析

圖3為在不添加聚酯纖維條件下，標準養護28 d的泡沫合成混凝土試件在滲水時的水壓力隨廢舊橡膠粉添加量的變化規律。

由圖3可知，隨著泡沫合成混凝土中添加的廢舊橡膠粉增多，材料滲水時水壓力先增后減。不含廢舊橡膠粉的泡沫合成混凝土試件滲水時水壓力為0.21 MPa。當添加4%廢舊橡膠粉時，材料滲水時水壓力增大到0.26 MPa，增幅為23.81%。當添加12%廢舊橡膠粉時，材料滲水時水壓力處于峰值，達到0.36 MPa。而當泡沫合成混凝土中廢舊橡膠粉添加量超過12%時，材料滲水時水壓力開始大幅度降低。這些變化主要與廢舊橡膠粉對混凝土材料體系的填充作用有關。在泡沫合成混凝土中引入廢舊橡膠粉，可以使其中一些孔隙等缺陷被填充，使混凝土內部孔隙通道被阻斷[12]。綜上，添加8%或12%廢舊廢舊橡膠粉可以使泡沫合成混凝土材料擁有較佳的抗水滲透能力，耐久性較好。

2.2不同聚酯纖維添加量

2.2.1抗壓強度分析

試驗將泡沫合成混凝土中廢舊橡膠粉的添加量確定為8%。在此基礎上，探究在不同聚酯纖維添加量條件下，各試件的28 d抗壓強度變化規律，如圖4所示。

由圖4可知，不含聚酯纖維的抗壓強度為2.40 MPa。在聚酯纖維添加量0.1～0.3%范圍內，隨著聚酯纖維添加量增加，試件抗壓強度先升后降。但是，當添加0.1%聚酯纖維時，試件抗壓強度低于不含聚酯纖維的空白試件，為2.05 MPa，減小了14.58%。含有0.2%聚酯纖維的泡沫合成混凝土試件抗壓強度最大，為2.53 MPa，高于空白試件。而當聚酯纖維添加量為0.3%時，試件抗壓強度則降低到2.29 MPa，低于空白試件。這些變化說明，在泡沫合成混凝土中適量添加聚酯纖維，對其強度的提高有利。聚酯纖維會在混凝土材料體系內部呈亂向分布，纖維與纖維之間搭接形成一種三維網絡。因此，當材料受力時，纖維可以起到承載作用，減緩微裂縫延展的速度[13-14]。所以，抗壓強度提高。但是，過多添加聚酯纖維會導致材料體系內部纖維團聚，使材料漿體的流動性減小。而且，過多的聚酯纖維還會導致泡沫合成混凝土中的大泡沫破裂，使材料內部出現更多孔洞[15]。綜上，泡沫合成混凝土中，聚酯纖維添加量為0.2%比較適宜。

2.2.2彈性模量分析

圖5為在添加8%廢舊橡膠粉條件下，標準養護28 d的泡沫合成混凝土試件彈性模量隨聚酯纖維添加量的變化規律。

由圖5可知，在聚酯纖維添加量為0%～0.3%時，隨著聚酯纖維添加量增加，泡沫合成混凝土試件的彈性模量先增后減。不含聚酯纖維的空白試件彈性模量為956.3 MPa。含有0.1%聚酯纖維的試件彈性模量最大，為1 022.6 MPa，高于空白試件。而含有0.2%或0.3%聚酯纖維的試件彈性模量分別減小到985.5、952.4 MPa。這些現象說明，適量聚酯纖維的添加，有利于加強泡沫合成混凝土材料體系中對微裂縫延展的抵抗力，且能作為骨架起到承載效果[16-17]。因此，彈性模量提高。而過多聚酯纖維的添加，會出現纖維團聚，反而使泡沫合成混凝土體系中原有的缺陷數量增多。因此，彈性模量降低。綜上，含0.1%聚酯纖維的泡沫合成混凝土彈性模量較優。

2.2.3耐久性分析

圖6為在添加8%廢舊橡膠粉條件下，標準養護28 d的泡沫合成混凝土試件滲水時水壓力隨聚酯纖維添加量的變化規律。

由圖6可知，在聚酯纖維添加量為0%～0.4%時，聚酯纖維的添加對泡沫合成混凝土材料滲水時水壓力基本無影響，材料滲水時水壓力基本保持在0.33 MPa左右。綜上，聚酯纖維的添加對泡沫合成混凝土材料抗水滲透性基本無影響，材料耐久性良好。

3結語

（1）廢舊橡膠粉的添加，會降低泡沫合成混凝土

抗壓強度、彈性模量。在廢舊橡膠粉添加量0%～20%范圍內，隨廢舊橡膠粉添加量增多，材料抗水滲透能力先增后減。優選廢舊橡膠粉添加量為8%，此時材料抗壓強度為2.40 MPa，彈性模量為956.3 MPa，材料滲水時水壓力為0.33MPa；

（2）適量聚酯纖維的添加，可以提高泡沫合成混凝土抗壓強度和彈性模量，對材料滲水時水壓力基本無影響。優選聚酯纖維添加量為0.2%，此時材料抗壓強度為2.53 MPa，彈性模量為985.5 MPa，材料滲水時水壓力為0.33 MPa；

（3）以8%廢舊橡膠粉和0.2%聚酯纖維制備的泡沫合成混凝土綜合性能良好，可適用于鐵路路基的填充應用等。

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（責任編輯：蘇幔，平海）