李 寧， 馬 骉， 司 偉， 劉鵬偉

（長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引 言

隨著橡膠工業(yè)和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，廢舊橡膠輪胎的處理面臨著巨大的挑戰(zhàn)，廢舊橡膠若得不到合理處置，不僅會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題，還會(huì)造成資源浪費(fèi)［1－2］。因而，廢舊橡膠輪胎的處理成為國(guó)內(nèi)外諸多領(lǐng)域?qū)W者研究的焦點(diǎn)，尤其廢舊橡膠在道路工程領(lǐng)域的再利用備受關(guān)注［3］。將橡膠粉應(yīng)用于水泥混凝土中，形成橡膠水泥混凝土，具有比普通水泥混凝土更加顯著的韌性、變形能力和抗沖擊能力，良好的收縮、抗凍、降噪、疲勞和抗高溫等性能；降低混凝土的比重和剛度；且橡膠粉水泥混凝土的施工工藝簡(jiǎn)單，可選擇的橡膠粉顆粒粒徑范圍較大，消耗能源少，無(wú)二次污染［4－6］。雖然橡膠水泥混凝土具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是摻加橡膠粉后，會(huì)出現(xiàn)橡膠粉上浮、拌和難度大、抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度衰減等現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥混凝土不滿足工程要求，限制橡膠粉水泥混凝土的推廣應(yīng)用［7－8］。

強(qiáng)度衰減是橡膠粉水泥混凝土的必然結(jié)果之一，目前主要是通過(guò)改善橡膠粉與水泥石之間的界面黏結(jié)狀況、配置高強(qiáng)度的水泥混凝土等方法改善這種狀況。通過(guò)改善橡膠粉與水泥石之間的界面狀況，可使混凝土的強(qiáng)度得到提高，但具有局限性，難以保證混凝土的強(qiáng)度達(dá)到一定水平［9］；提高混凝土的配制要求，可以滿足工程強(qiáng)度的要求，但橡膠水泥混凝土的其他性能可能會(huì)受到影響，而且工程造價(jià)會(huì)大幅增加［10］。因此，在普通水泥混凝土中摻加橡膠粉，采用前述方法不能經(jīng)濟(jì)、合理、有效地改善橡膠水泥混凝土的強(qiáng)度，需要從混凝土的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行考慮。文獻(xiàn)［11］基于粗集料作用的考慮，綜合“水泥石”結(jié)構(gòu)模型和“大中心質(zhì)”理論，提出嵌鎖密實(shí)水泥混凝土，依靠粗集料之間相互嵌入、咬合而形成的粗集料嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)；利用砂漿包裹粗集料和填充剩余空隙，使混凝土整體達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，這種水泥混凝土屬于骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。相比于普通水泥混凝土，嵌鎖密實(shí)水泥混凝土具有強(qiáng)度高、耐磨性好、阻擋裂縫能力強(qiáng)、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)?；谇舵i密實(shí)水泥混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，采用橡膠粉等體積替代部分砂，由砂、橡膠粉和水泥石形成漿體，裹附和填充粗集料及其形成的空隙，并添加適宜纖維而組成的橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土（Rubber Interlocking－dense Cement Concrete，RICC），橡膠粉作為彈性材料，等體積替代部分砂，不僅降低了混凝土的剛度，增強(qiáng)了變形能力，而且不會(huì)破壞混凝土的嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮橡膠粉混凝土的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了其強(qiáng)度不足的弊端。

為此，本文以橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土中橡膠粉摻量、纖維摻量、砂率和水灰比為影響因素，并考慮橡膠粉界面改性作用12－13，分析不同因素對(duì)橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響，以期為橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用水泥為陜西生產(chǎn)的秦嶺P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥；粗集料為陜西銅川石灰?guī)r碎石；細(xì)集料為陜西灞橋河砂，細(xì)度模數(shù)2.34，為中砂；減水劑采用聚羧酸液體減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的1%；橡膠粉為40目，粒徑為0.42mm，密度為1.194g／cm3，吸水率為40%；纖維采用聚乙烯醇纖維（PVA纖維）。

為了改善橡膠粉與水泥石的界面黏結(jié)狀況，將橡膠粉進(jìn)行表面處理，根據(jù)是否采用飽和NaOH 溶液對(duì)橡膠粉進(jìn)行處理［12－13］，分為改性橡膠粉和未改性橡膠粉。按照橡膠粉種類的不同，分為2組測(cè)試28d齡期下混凝土的強(qiáng)度，橡膠粉體積摻量為0、10%、20%、30%4種，纖維體積摻量［14］為 0、0.4%、0.8%、1.2%，砂 率 為 0.28、0.30、0.32、0.34，水 灰 比 為 0.34、0.36、0.38、0.40、0.44。按照文獻(xiàn)［15］中水泥混凝土抗彎拉試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡膠粉影響

以纖維摻量為0.8%、砂率為0.32和水灰比為0.38，改性橡膠粉和未改性橡膠粉的摻量分別為0、10%、20%、30%時(shí)，摻加2種橡膠粉的RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度變化如圖1所示。

圖1 抗彎拉強(qiáng)度與橡膠粉摻量的關(guān)系

由圖1可知，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量增加呈拋物線形變化，橡膠粉摻量為10%附近達(dá)到最大值；未改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加而減小；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度均高于未改性橡膠粉RICC混凝土。摻加10%改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比未摻加橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度增大了2%，而未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度降低了2%；當(dāng)橡膠粉的摻量達(dá)到30%時(shí)，改性橡膠粉和未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度相比于未摻加橡膠粉混凝土分別降低了4%和12%。

嵌鎖密實(shí)水泥混凝土在彎拉試驗(yàn)中，粗集料骨架結(jié)構(gòu)承受主要荷載，集料與水泥石之間的黏結(jié)狀況影響結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。嵌鎖結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生變形，彎拉應(yīng)變超過(guò)水泥石的極限應(yīng)變值后，裂縫出現(xiàn)，混凝土進(jìn)入破壞狀態(tài)。在嵌鎖密實(shí)水泥混凝土中摻加橡膠粉后，橡膠粉的彈性變形能力強(qiáng)，水泥石極限彎拉應(yīng)變得到緩和，延長(zhǎng)了混凝土應(yīng)變達(dá)到極限值的作用時(shí)間，粗集料骨架結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)承受荷載作用，從而抗彎強(qiáng)度提高。但是，橡膠粉與水泥石的物理性質(zhì)有較大差異，兩者之間的黏結(jié)狀況嚴(yán)重影響著抗彎拉強(qiáng)度。從試驗(yàn)結(jié)果可知，橡膠粉經(jīng)過(guò)表面改性處理后，橡膠粉與水泥石之間的黏結(jié)狀況得到改善，承受的應(yīng)力增大，改性混凝土的抗彎拉強(qiáng)度高于未改性橡膠粉混凝土，而未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結(jié)狀況較弱，直接影響著承受荷載的能力。橡膠粉的摻量較小時(shí)，能夠發(fā)揮橡膠粉的彈性作用，增大混凝土的彎拉應(yīng)變，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度提高；當(dāng)橡膠粉的摻量超過(guò)一定值后，混凝土內(nèi)部的薄弱面增多，裂縫易發(fā)展貫通，抗彎拉強(qiáng)度降低。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉摻量及種類對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著性［16］，結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 橡膠粉摻量及種類對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

由表1可知，橡膠粉摻量與種類對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度有顯著影響。在進(jìn)行橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要以抗彎拉強(qiáng)度作為橡膠粉摻量選擇的主要參考指標(biāo)之一。

根據(jù)圖1，改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度與橡膠粉摻量呈拋物線形變化，未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度與橡膠粉摻量則呈線性變化。采用拋物線形模型擬合改性橡膠粉混凝土、線性模型擬合未改性橡膠粉混凝土抗彎拉強(qiáng)度與橡膠粉摻量的關(guān)系，擬合模型為：

其中，Rf為抗彎拉強(qiáng)度；C為橡膠粉體積摻量，C取0～30。

（1）式中不同類型橡膠粉與抗彎拉強(qiáng)度的擬合模型與實(shí)際值具有良好的相關(guān)性，精確度高，計(jì)算方便?？衫迷撃Ｐ驮谙鹉z粉摻量范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

2.2 纖維影響

以橡膠粉摻量為15%、砂率為0.32和水灰比為0.38，纖維的摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%時(shí)，2種橡膠粉的RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度變化如圖2所示。

圖2 抗彎拉強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

從圖2可知，隨著纖維摻量增加，RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈拋物線形變化，纖維摻量為0.4%是拋物線的峰值點(diǎn)，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度高于未改性橡膠粉RICC混凝土，前者隨纖維摻量增加，抗彎拉強(qiáng)度變化速率較小，而后者的變化速率較大。在纖維摻量為0.4%時(shí)，相比于未摻加纖維混凝土，改性橡膠粉RICC混凝土和未改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度分別增加了4%和11.4%，改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度比未改性橡膠粉RICC混凝土提高了6.1%。纖維摻量在0.4%和0.8%時(shí)，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度降低速率比未改性橡膠粉RICC混凝土大；纖維在0.8%和1.2%摻量變化范圍時(shí)，未改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度顯著降低，而改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度降低速率基本不變。

纖維的亂向分布和“加筋”作用能夠增強(qiáng)混凝土的變形能力，提高彎拉應(yīng)變，抗彎拉強(qiáng)度增大。在嵌鎖密實(shí)水泥混凝土中，纖維的作用效果不如在普通混凝土中明顯。對(duì)比改性橡膠粉和未改性橡膠粉RICC混凝土隨纖維摻量增加的變化速率可知，纖維與未改性橡膠粉對(duì)RICC混凝土產(chǎn)生較強(qiáng)的交互作用，纖維可以增強(qiáng)未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結(jié)，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度顯著提高，當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.8%后，抗彎拉強(qiáng)度迅速下降，纖維增多，水泥石被纖維分割，而纖維與水泥石之間的黏結(jié)強(qiáng)度弱于水泥石之間的黏結(jié)，而未改性橡膠粉與水泥石之間的黏結(jié)進(jìn)一步限制了纖維的增強(qiáng)作用。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析纖維摻量對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著性，結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 纖維摻量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

由表2可知，纖維摻量對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度有顯著影響，橡膠粉種類對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響不顯著。

抗彎拉強(qiáng)度與纖維摻量呈拋物線形變化趨勢(shì)，可采用拋物線性模型對(duì)改性橡膠粉混凝土和未改性橡膠粉混凝土的抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合，擬合模型為：

其中，F(xiàn)為纖維體積摻量，F(xiàn)取0～1.2%。

利用（2）式中不同類型橡膠粉混凝土抗彎拉強(qiáng)度的擬合模型，可在纖維摻量范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

2.3 砂率影響

以橡膠粉摻量為15%、纖維摻量為0.8%和水灰比為 0.38，砂率分別為 0.28、0.30、0.32、0.34時(shí)，2種橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度變化如圖4所示。

圖3 抗彎拉強(qiáng)度與砂率的關(guān)系

由圖3可知，隨著砂率增大，2種橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度均呈拋物線形變化，在砂率為0.32時(shí)達(dá)到最大值；改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度大于未改性橡膠粉RICC混凝土；改性橡膠粉RICC混凝土在砂率小于0.32時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度的變化速率較小，當(dāng)砂率大于0.32后，抗彎拉強(qiáng)度的變化速率較大；而未改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨砂率的增大和減小速率基本相同。

RICC混凝土在彎拉試驗(yàn)中，粗集料骨架結(jié)構(gòu)承擔(dān)著主要作用，由于摻加了纖維和橡膠粉，砂率較小時(shí)，混凝土中的粗集料雖然能夠形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，但混凝土中的空隙較多，微裂縫產(chǎn)生的概率增大，此時(shí)混凝土破壞仍以水泥石與集料的界面結(jié)合破壞為主，抗彎拉強(qiáng)度較??；隨著砂率增大，混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，橡膠粉與纖維的作用得以體現(xiàn)，使粗集料骨架結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮作用，混凝土抗彎拉強(qiáng)度增大；但砂率超過(guò)一定界限值后，粗集料骨架結(jié)構(gòu)被撐開(kāi)，降低了骨架結(jié)構(gòu)的作用，而橡膠粉、纖維與水泥石的界面結(jié)合相對(duì)較弱，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度明顯減小。

利用方差分析在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉種類及砂率對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著性，結(jié)果見(jiàn)表3所列。

由表3可知，橡膠粉種類與砂率對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響不顯著。結(jié)合上述分析，在砂率的變化范圍不大時(shí)，砂率對(duì)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度影響不大，橡膠粉種類對(duì)其影響也不大，可知RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度主要與粗集料骨架結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表3 砂率對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

2.4 水灰比影響

以橡膠粉摻量為15%、纖維摻量為0.8%和砂率為 0.32，水灰比分別為 034、0.36、0.38、0.40、0.44時(shí)，2種橡膠粉 RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度變化如圖4所示。

圖4 抗彎拉強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

圖4表明，隨著水灰比增大，RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈遞減變化趨勢(shì)，抗彎拉強(qiáng)度與水灰比具有良好的線性關(guān)系；改性橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度大于未改性橡膠粉RICC混凝土，兩者隨水灰比變化的速率基本相同。

水灰比對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響與普通水泥混凝土相似，均隨著水灰比的增大，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度降低。由嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的強(qiáng)度特點(diǎn)可知，其粗集料骨架結(jié)構(gòu)承受主要荷載作用，摻加橡膠粉和纖維后，水灰比增大時(shí)，降低了其與水泥石之間的界面結(jié)合作用。在保證工作性的前提下，水灰比越小，水泥石與橡膠粉及纖維之間的黏結(jié)越緊密，則混凝土抗拉強(qiáng)度越高。而未改性橡膠粉與水泥石之間的界面結(jié)合狀況比改性橡膠粉與水泥石弱，改性橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度高于未改性橡膠粉嵌鎖密實(shí)水泥混凝土。

利用方差方法在5%的顯著性水平下，分析橡膠粉種類及水灰比對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著性，結(jié)果見(jiàn)表4所列。

由表4可知，橡膠粉種類與水灰比對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響顯著，在以抗彎拉強(qiáng)度作為RICC混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，需要慎重考慮水灰比的選擇。

表4 水灰比對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

根據(jù)圖4，采用線性模型擬合抗彎拉強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系，擬合模型為：

其中，Rf為抗彎拉強(qiáng)度；W為水灰比，W取0.34～0.40。

利用（3）式中不同類型橡膠粉RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度的擬合模型，可在水灰比變化范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)不同因素對(duì)RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度的影響可知，改性橡膠粉RICC混凝土的抗彎拉強(qiáng)度大于未改性橡膠粉RICC混凝土；但與不同因素綜合作用時(shí)，橡膠粉類別對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度顯著性影響不同。

（2）橡膠粉摻量和種類、纖維摻量和水灰比對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度具有顯著性影響；而砂率對(duì)RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響不顯著。

（3）可采用拋物線形模型擬合RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨改性橡膠粉和纖維的變化關(guān)系；采用線性模型擬合RICC混凝土抗彎拉強(qiáng)度與未改性橡膠粉和水灰比的變化關(guān)系，且拋物線形和線性模型具有良好的相關(guān)性。

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