橡胶混凝土性能的初步研究

[摘　要] 　将不同比例的橡胶粉或橡胶颗粒分别代替水泥和砂，制作了C50 橡胶混凝土，分析了加压成型对其抗压和抗折性能的影响， 并对橡胶混凝土的抗冻和抗渗等性能做了初步研究。研究证明，橡胶混凝土力学性能较基准混凝土有所下降，但采用加压成型工艺可有效改善其下降幅度;橡胶粉(颗粒) 掺量在10 %以下时，可明显改善混凝土的抗冻和抗渗性能。

[关键词] 　橡胶混凝土；　加压成型；　抗冻；　抗渗

0 　引言

    我国的汽车工业迅猛发展，每年产生大量的废弃橡胶轮胎。橡胶是一种聚合物固体，日益增加的废橡胶处理问题关系到全球环境及资源问题。废旧橡胶制品是一种在自然条件下难溶的高分子弹性材料，其不溶于水，难溶于有机溶剂，而且不易腐烂。按传统的方法进行处理，费用高昂。现在世界范围内对橡胶的处理方式倾向于将其回收利用。在混凝土业中，人们经常将橡胶粉末或橡胶颗粒以一定的比例代替部分骨料或水泥掺加到混凝土中[ 1～4 ] ，但是试验结果表明，这种混凝土的力学性能有很大下降。文献[ 1 ]研究表明，用橡胶粉( FRC) 和橡胶颗粒(CRC) 代替体积百分比为45 %的骨料，其28 天立方体抗压强度最大可分别下降56 %和81 %。橡胶混凝土的性能如何，直接关系到其应用和发展的前景。因此，本文为了探讨橡胶粉(颗粒) 对混凝土的正负效应， 对橡胶混凝土的力学性能、抗冻和抗渗等方面的性能进行了初步研究。

1 　原材料及试验方法

1.1 　原材料

水泥:采用南京江南水泥厂生产的“金宁羊”牌P·Ⅱ4215 硅酸盐水泥。其熟料的化学组成如表1 所示:

表1 　金宁羊P·Ⅱ4215 水泥熟料的化学组成

　　橡胶粉(rubber powder) 及橡胶颗粒(granulated rubber) :采用青岛绿叶橡胶有限公司生产的橡胶粉(140μm) 和橡胶颗粒(3mm～4mm) 。表2 列出了3mm～4mm 橡胶颗粒的物理性能。3mm～4mm 橡胶颗粒形貌和140μm 橡胶粉形貌分别如图1 和图2 所示。

                                   图1 　3mm～4mm 橡胶颗粒形貌

集料: (1) 普通黄砂(中砂，细度模数213)； (2) 石灰石碎石，最大粒径为：10mm；水：自来水；

外加剂：本试验采用江苏省建筑科学院生产的JM - B 型高效萘系减水剂，主要成分为聚羧酸，减水率≥20 % ，以及主要成分为有机物三萜皂甙的SJ 引气剂。

                                              图2 　140μm 橡胶粉形貌

1.2 　试验方法

    按C∶S∶G∶W= 1∶1.28∶2.73∶0.35 的比例成型C50 基准混凝土，具体配比如表3 所示。将140μm 橡胶粉以水泥质量7.5 %等量代砂或水泥制作的混凝土记为C50P715C 或C50P715S；同样，将3mm～4mm橡胶颗粒以水泥质量715 %、10 %、15 %等量代砂制作的混凝土记为C50G715S、C50G10S、C50G15S。减水剂外掺量为1 %，引气剂掺量为015 ×10- 4～1.5 ×10- 4 。

　　表中，各字母的含义分别为：P —橡胶粉( rubber powder) ， G—橡胶颗粒(granulated rubber) ，C —水泥(cement) ，S —砂(sand)；7.5 ，10 ，15 分别为置换百分比； 3 掺引气剂。

　　加压成型混凝土试件采用40mm ×40mm ×160mm 三联钢模成型，分别施加0.7MPa 和1.4MPa 的压力，加压时间均为15 分钟。一天后拆模，然后放至标准养护室养护[温度(20 ±3) ℃， 相对湿度90 %以上] ，养护28 天后测量其抗压和抗折强度。

    抗冻试验采取100mm ×100mm ×400mm 的棱柱体试件， 每组3 根，标准养护28 天。采用快冻法，且每25 个冻融循环进行一次横向基频的测试并称重。

    抗渗试验成型试模：上口直径175mm ，下口直径185mm ， 高150mm ，每组6 个试件，标准养护28 天。试验时，水压从0.2MPa 开始，每隔8h 增加0.1MPa。当6 个试件中有3 个表面渗水，即停止试验。

2 　试验结果及分析

2.1 　抗压及抗折强度

     从图3 和图4 可以看出，加压成型的抗压和抗折强度明显高于未加压的橡胶混凝土，且加1.4 MPa 压力比加0.7MPa 压力时可明显提高橡胶混凝土的力学性能，其中对其抗折强度的提高更加显著。图3 图4 均在C50G715S 处出现峰值，说明存在一个最优的橡胶掺量。在加压成型时，可以看到有水从试块表面渗出。虽然橡胶粉(颗粒) 掺量不同的试块的渗水量有所差异，但是，对同一掺量的橡胶混凝土试块而言，加压1.4 MPa 较加压0.7 MPa 时，渗出的水量要多，即加压成型减小了有效水灰比;另外，加压成型使混凝土的空隙率降低，减少了试块内部的薄弱环节。正是由于这两方面原因同时作用，才使得橡胶混凝土的力学性能得以提高。

图3 　混凝土抗压强度

图4 　混凝土抗折强度

2.2 　抗冻试验结果

   本研究只对5 种配比的混凝土进行了抗冻试验，即C50 、C50P715C、C50P715S、C50G715S 和C50J S。相对动弹性模量反映的是混凝土内部微裂缝开展情况;质量损失则反映混凝土表面剥落破坏的情况，当达到一定程度时，这种现象会造成骨料或增强材料暴露。因此，可用这两个指标反映混凝土内部与表面受到损伤的程度。

    由图5 可以看出：冻融循环开始时，混凝土重量变化较小， 随着冻融循环次数增多，混凝土表面剥落，使得混凝土重量损失变大。对于经受冻融循环而破坏的混凝土，混凝土的重量不但不减小，反而有所增加，可能是由于冻融后试件表面形成大量的微裂纹，水分通过微裂纹进入试件中，引起了重量的微小增加。

    从图6 可以看出：随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹模基本呈下降趋势。基准混凝土在经过冻融循环50 次后已经破坏。从下降的趋势上看，开始混凝土的相对动弹模下降比较平缓，而接近破坏时，相对动弹模急剧下降。主要是因为随着在冻融破坏的进行，混凝土内部及表面出现微裂纹，形成了水分通道，更多的水就能进入基体内部参与冻融破坏，加速混凝土的冻融破坏。

图6 　混凝土的相对动弹模

　　对于改善混凝土抗冻性的效果，140μm 橡胶粉好于SJ 引气剂，3mm～4mm 橡胶颗粒与SJ 引气剂效果相当。因为引气剂产生的气泡直径在20μm～200μm 之间，所以，橡胶粉可以作为固体引气剂而存在，且能够保证其在混凝土中分布的稳定性及均匀性，从而提高混凝土抗冻性。

2.3 　抗渗试验结果

    从抗渗试验的结果可以看出，各组混凝土的抗渗性能都很高，其抗渗标号均达到了P12 ，只是渗水高度有所不同。渗水高度可以反映出混凝土的密实性，也可用于混凝土抗渗性能的比较。由图7 可知， C50P715C 的平均渗水高度最低， C50P715S 和C50G715S 的平均渗水高度均低于基准混凝土， 而C50G10S 和C50G15S 的平均渗水高度比基准混凝土的要高。即当橡胶粉(颗粒) 的掺量控制在10 %以下时，可以改善混凝土的抗渗性能，但当橡胶粉(颗粒) 掺量再增加时，抗渗性能会逐渐降低；橡胶粉与橡胶颗粒对抗渗性能的改善效果差别不大。在抗压和抗折试验结果中可以看出，C50P715C 的强度最低，而在抗渗试验中，C50P715C 的抗渗效果却最好，这种矛盾的结果有待进一步探索。

3 　结论

　　(1) 橡胶混凝土的力学性能比基准混凝土要低，配比不同的橡胶混凝土的力学性能下降的程度不同。C50G715S 的抗压抗折强度最高，为最佳配比。

    (2) 掺橡胶粉(颗粒) 对混凝土的抗冻性能有很大提高，其中，掺橡胶粉比掺橡胶颗粒对改善抗冻性能的效果要好，橡胶混凝土的抗渗标号均可达到P12 。

    (3) 橡胶粉(颗粒) 的掺量在10 %以下时，可以改善混凝土抗渗性能;掺量超过10 %时，抗渗性能就出现下降的趋势。橡胶粉与橡胶颗粒对改善抗渗性能的区别不明显。

[参考文献]

[1 ] I. B. Topc.u. The properties of rubberized concretes [ J ] . Cem Concr Res ，1995 ，25 (2) :304 - 310.

[2 ]N. Segre ， I. Joekes. Use of tire rubber particles as addition to cement paste[J ] . Cem Concr Res ，2000 ，30 (9) :1421 - 1425.

[ 3 ]Zaher K. Khatib ，Fouad M. Bayomy ，Member. Rubberized Portland cement concrete[J ] . Journal of Materials In Civil Engineering ，1999 (8) : 206 - 210.

[4 ]宋少民，刘娟红，金树新. 橡胶粉改性高韧性混凝土研究[J ] . 混凝土与水泥制品，1997 (1) :10 - 11.

[作者简介] 　陈波，1978 年生，男，东南大学材料科学与工程系，硕士研究生。

[单位地址] 　南京市四牌楼2 号;东南大学材料系研03 (210096)

[联系电话] 　025 - 83790439 ，13776648416