陳成芹， 張 微， 張 瀟， 王劍萍

(1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 蘭州 730124； 2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730124)

廢舊輪胎是目前世界上最為豐富的廢棄物之一。據(jù)世界環(huán)境衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，世界廢舊輪胎積存量已達(dá)30億條，并以每年約10億條的數(shù)字增長(zhǎng)，高價(jià)值、低成本的橡膠回收技術(shù)，一直是世界范圍內(nèi)的重要課題[1]。而將廢舊輪胎顆粒摻入混凝土中取代粗、細(xì)骨料，不僅可以減輕混凝土的表觀密度，降低彈性模量，增加韌性及抗沖擊性，減振降噪，而且可以大量消耗這些固體廢棄物，解決環(huán)保問(wèn)題。自密實(shí)混凝土[2](self compacting concrete,SCC)以澆筑過(guò)程中不離析、不泌水，能夠不經(jīng)過(guò)振搗而填充滿模板以及包裹鋼筋的混凝土而著稱。橡膠集料自密實(shí)混凝土(self compacting rubberised concrete，SCRC)，是廢舊橡膠顆粒再生骨料替代部分細(xì)骨料摻入到混凝土中，配制成靠自重填充模具、自主密實(shí)、無(wú)振搗大流動(dòng)性混凝土，可保證結(jié)構(gòu)均質(zhì)性和體積穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，如M.C.Bignozi等[3]研究發(fā)現(xiàn)在不同橡膠顆粒摻量下，膠凝材料和用水量等同條件下， SCRC所需高效減水劑比SCC略高；隨橡膠摻加量增多，SCRC抗壓強(qiáng)度及剛度均減小，在橡膠顆粒摻量相同時(shí)，摻橡膠顆粒自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度高于普通混凝土的強(qiáng)度。A.Turatsinzea等[4]研究了SCRC的彈性模量與應(yīng)變能力，相對(duì)SCC，橡膠顆粒降低了SCRC的抗壓強(qiáng)度及彈性模量。龍廣成等[5-6]針對(duì)橡膠集料和乳化瀝青對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)橡膠含量越多，混凝土抗壓強(qiáng)度越小。楊衛(wèi)坤等[7]研究了以橡膠顆粒等體積取代細(xì)骨料、橡膠顆粒取代量在15%(體積分?jǐn)?shù)，下同)以內(nèi)時(shí)，橡膠顆粒的摻入能改善新拌自密實(shí)混凝土工作性；當(dāng)橡膠顆粒取代量大于10%時(shí)，對(duì)強(qiáng)度、抗凍性能有明顯不利影響。李哲[8]研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒摻入后，與普通混凝土相比，摻橡膠顆粒對(duì)自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小。因此，本文采用對(duì)比分析法，分別研究不同粒徑(1～3 mm、2～4 mm)以及不同摻量橡膠顆粒采用單摻和雙摻法等體積取代砂對(duì)SCC工作性能和強(qiáng)度的影響，從中找出規(guī)律，并確定最佳配合比，為橡膠瀝青混凝土在土木工程中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 原材料

膠凝材料：水泥，選擇甘肅祁連山生產(chǎn)的祁連山水泥P.O42.5，密度為3.10 g/cm3，比表面積350 m2/kg，細(xì)度394 m2/kg；礦渣，采用S95礦渣，密度為2.94 g/cm3，比表面積430 m2/kg，活性指數(shù)103%，玻璃體含量90%。

橡膠顆粒：橡膠集料的粒徑為1～3 mm、2～4 mm，拉伸強(qiáng)度4.5 MPa，拉伸伸長(zhǎng)率51.0%，硬度65度，彈性35%，密度700 kg/m3。

骨料：細(xì)集料，采用天然河沙，堆積密度為1 578 kg/m3，表觀密度為2 715 kg/m3，屬于中砂；粗集料，粒徑在5～16 mm之間，表觀密度2 735 kg/m3，堆積密度1 563 kg/m3， 針片狀顆粒含量5%。

聚羧酸高效減水劑，減水率29%。選用自來(lái)水。

2 SCC50配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，1 m3混凝土中粗骨料松散體積0.56 m3；砂漿中砂體積分?jǐn)?shù)取0.44；礦物摻合料為S95礦渣粉，最大摻量為30%，則β1取30%；基本可以確定出各個(gè)基本參數(shù)，即各種原材料的比例關(guān)系，通過(guò)適配、調(diào)整，得到配合比，見(jiàn)表1。其中，橡膠顆粒后面的百分?jǐn)?shù)表示橡膠顆粒等體積取代砂的百分?jǐn)?shù)。

在研究中選用了C1-C9、L1-L9、S1-S9，27個(gè)配比，單摻橡膠粒徑2～4 mm的為C組；單摻橡膠粒徑1～3 mm的為L(zhǎng)組；等比例復(fù)摻兩種橡膠粒徑的為S組，各材料用量見(jiàn)表2。橡膠顆粒摻量(橡膠顆粒等體積取代砂的體積)分別以0%、5%、10%、15%、20%、25%、50%、80%和100%加入混凝土中，研究不同橡膠顆粒摻量下混凝土的工作性及抗壓強(qiáng)度。

表1 SCC50初步配合比設(shè)計(jì)

表2 各材料用量

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 工作性

3.1.1C組SCC工作性

按照表2中數(shù)據(jù)試拌C組混凝土，采用坍落度筒法測(cè)定SCC的坍落擴(kuò)展度和坍落度[10]，評(píng)價(jià)混凝土工作性并分析變化規(guī)律，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖1可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑2～4 mm的C系列混凝土的坍落擴(kuò)展度及基準(zhǔn)混凝土的坍落擴(kuò)展度變化規(guī)律與廢舊橡膠再生骨料的摻量有關(guān)。

在廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量不超過(guò)15%時(shí)，隨著摻量增加，坍落擴(kuò)展度呈增大趨勢(shì)，但幅度比較小，橡膠摻量5%的比基準(zhǔn)混凝土提高1.048%，橡膠摻量10%的比基準(zhǔn)混凝土提高3.293%，橡膠摻量15%的比基準(zhǔn)混凝土提高5.689%，這是因?yàn)閺U舊橡膠再生骨料的極性比較小，與水的潤(rùn)濕性較差[11-12]，當(dāng)廢舊橡膠摻入混凝土中，表面被大量氣泡包裹，在攪拌下更多的氣泡進(jìn)入并分散在混凝土中，所以引入的氣泡改善了混凝土的流動(dòng)性；經(jīng)過(guò)磨碎篩分獲得的廢舊橡膠再生骨料含有大量微型凹坑，具有一定的吸水性，增多混凝土拌合過(guò)程中的自由水，亦在一定程度上提高了混凝土的流動(dòng)性[13]。

當(dāng)廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量超過(guò)15%時(shí)，隨著摻量增加，坍落擴(kuò)展度呈下降趨勢(shì)、幅度比較大，橡膠摻量20%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低5.099%，橡膠摻量25%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低9.065%，橡膠摻量50%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低19.971%，而且橡膠顆粒摻量越大，混凝土坍落擴(kuò)展度越小，混凝土特征不但沒(méi)有更黏稠，反而隨著摻量增大，出現(xiàn)了嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象，這再一次說(shuō)明橡膠顆粒極性小，表面為憎水性，當(dāng)廢舊橡膠顆粒再生骨料摻入混凝土后，在表面張力的作用下，水分難以進(jìn)入橡膠顆粒表面凹坑中，所以水泥水化產(chǎn)物與橡膠顆粒結(jié)合較差，故出現(xiàn)了嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。

3.1.2L組SCC工作性

按照表2中數(shù)據(jù)試拌L組混凝土，采用坍落度筒法測(cè)定SCC的坍落擴(kuò)展度和坍落度[10]，評(píng)價(jià)混凝土工作性并分析變化規(guī)律，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖2可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑1～3 mm的L系列混凝土的坍落擴(kuò)展度及基準(zhǔn)混凝土的坍落擴(kuò)展度變化規(guī)律與廢舊橡膠再生骨料的摻量有關(guān)。而且與單摻廢舊橡膠再生骨料粒徑2～4 mm的C系列對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響有類似趨勢(shì)。在廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量不超過(guò)15%時(shí)，隨著摻量增加，坍落擴(kuò)展度呈增大趨勢(shì)、但幅度比摻2～4 mm廢舊橡膠再生骨料的小，橡膠摻量5%的比基準(zhǔn)混凝土提高0.299%，橡膠摻量10%的比基準(zhǔn)混凝土提高1.048%，橡膠摻量15%的比基準(zhǔn)混凝土提高2.545%，說(shuō)明橡膠顆粒摻量比較低時(shí)，可以改善混凝土的流動(dòng)性；當(dāng)廢舊橡膠顆粒再生骨料摻量超過(guò)15%時(shí)，隨著摻量增加，坍落擴(kuò)展度呈下降趨勢(shì)、幅度比2～4 mm的大些，橡膠摻量20%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低6.569%，橡膠摻量25%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低7.299%，橡膠摻量50%的坍落擴(kuò)展度比橡膠摻量15%的低10.803%，橡膠顆粒摻量越大，混凝土坍落擴(kuò)展度越小，導(dǎo)致嚴(yán)重泌水，這再一次說(shuō)明廢舊橡膠再生骨料呈憎水性，摻入混凝土后，在表面張力作用下，水分很難進(jìn)入橡膠顆粒表面凹坑中，所以水泥水化產(chǎn)物與橡膠顆粒結(jié)合較差，故出現(xiàn)了嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。

3.1.3S組SCC工作性

按照表2中數(shù)據(jù)試拌S組混凝土，采用坍落度筒法測(cè)定SCC的坍落度擴(kuò)展度和坍落度[10]，評(píng)價(jià)混凝土工作性并分析變化規(guī)律，檢測(cè)結(jié)果圖3。

水膠比0.338；礦渣30%

從圖3可以看出：在水膠比、礦渣摻量和減水劑摻量相同的條件下，雙摻廢舊橡膠再生骨料2種粒徑的S系列混凝土的坍落擴(kuò)展度及基準(zhǔn)混凝土的坍落擴(kuò)展度變化規(guī)律與單摻廢舊橡膠再生骨料的摻量有關(guān)。在摻量低于15%時(shí)，可以提高混凝土的流動(dòng)性；摻量高于15%時(shí)，使混凝土流動(dòng)性大幅度降低，而且隨著摻量的提高，還出現(xiàn)了嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。

綜述3組混凝土配合比坍落擴(kuò)展度變化規(guī)律，詮釋了橡膠顆粒在吸水和引氣這兩方面的雙重性特點(diǎn)，當(dāng)廢舊橡膠再生骨料低摻量時(shí)，引氣特點(diǎn)起主導(dǎo)作用，坍落擴(kuò)展度增大；當(dāng)高摻量時(shí)，吸水性比引氣性明顯，導(dǎo)致坍落擴(kuò)展度下降，橡膠顆粒取代量增加到一定程度時(shí)，內(nèi)部孔隙成主導(dǎo)作用，導(dǎo)致離析、泌水現(xiàn)象。由于橡膠顆粒表面較細(xì)集料光滑，對(duì)細(xì)集料取代量增加，離析泌水的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，橡膠顆粒膠凝材料漿體、粗骨料之間是完全分離的。橡膠顆粒代替細(xì)骨料越多，混凝土中的砂漿體積削減，屈服剪切應(yīng)力也就越大，通過(guò)間隙的能力也就越差，達(dá)到T50 cm的時(shí)間也就越長(zhǎng)，橡膠顆粒摻入混凝土中會(huì)造成混凝土中的砂漿表觀密度減小，均勻性及流動(dòng)性變差，讓自密實(shí)混凝土的工作性能降低。對(duì)比廢舊橡膠再生骨料單摻和雙摻的變化規(guī)律得知：在低摻量時(shí)，粒徑越小，越有利于提高SCC拌合物的流動(dòng)性；反之，高摻量時(shí)，則粒徑越小越不利。

3.2 抗壓強(qiáng)度

將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期(7、14、28 d)，0.5 MPa/s下加載，測(cè)試其峰值荷載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示，28 d條件下3組抗壓強(qiáng)度對(duì)比變化如圖7所示。

水膠比0.338

水膠比0.338

水膠比0.338

從圖4～6所示的數(shù)據(jù)可以看出，隨廢舊橡膠再生骨料摻量增多，SCC抗壓強(qiáng)度都有下降趨勢(shì)，采用單摻和復(fù)摻方式混凝土抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)大致相同； 與普通混凝土相比，橡膠顆粒摻入后強(qiáng)度下降比較明顯；摻量在5%～20%時(shí)下降比較緩慢[14-15]， 當(dāng)廢舊橡膠再生骨料摻量不超過(guò)25%時(shí)，說(shuō)明廢舊橡膠再生骨料摻量的摻量和粗細(xì)程度對(duì)混凝土無(wú)論是7、14 d，還是28 d抗壓強(qiáng)度影響都特別顯著。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質(zhì)，與水泥石的黏結(jié)性比較差，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度很低，最終導(dǎo)致混凝土中骨料與水泥石之間的界面強(qiáng)度降低[16-19]；廢舊橡膠再生骨料自身強(qiáng)度比較小，屬于柔性物質(zhì)[11]，加入混凝土中使混凝土薄弱點(diǎn)增多，最終使混凝土強(qiáng)度降低。在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)：從實(shí)驗(yàn)過(guò)程裂縫出現(xiàn)的數(shù)量和時(shí)間也可以得出摻入橡膠顆粒能改善SCC脆性大的缺點(diǎn)。以C1、L1、S1組試塊為代表的基準(zhǔn)混凝土，荷載較小時(shí)，表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂縫，當(dāng)荷載持續(xù)增加達(dá)到極限值時(shí)，試塊突然發(fā)生崩裂，發(fā)生脆性破壞。當(dāng)橡膠顆粒摻量達(dá)10%時(shí)，混凝土試塊表面在壓力作用下，先在表面出現(xiàn)一些細(xì)微裂縫，隨著壓力的增大這些細(xì)微裂縫逐漸連匯貫通，表現(xiàn)出延性破壞。當(dāng)橡膠顆粒摻量達(dá)到10%以上時(shí)，混凝土脆性得到明顯轉(zhuǎn)變，延性得到提高。這也表明摻入橡膠顆粒可以有效改善SCC50的延性特性。

當(dāng)廢舊橡膠再生骨料摻量超過(guò)25%時(shí)，強(qiáng)度突然下降。主要是廢舊橡膠再生骨料在膠凝材料發(fā)生水化作用時(shí)，隨著摻量的增多，呈聚團(tuán)現(xiàn)象，顆粒粒徑越小，聚團(tuán)現(xiàn)象越明顯；顆粒粒徑越大，對(duì)SCC和易性影響越大，強(qiáng)度下降越明顯。摻量越多，橡膠顆粒比表面積越大，由于其引氣性和吸水性雙重特點(diǎn)，此時(shí)引氣性占主導(dǎo)地位，硬化后混凝土中孔隙率增大，導(dǎo)致SCC強(qiáng)度大幅度下降。

從圖7可以看出：橡膠顆粒粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不太明顯，摻量低于5%時(shí)，橡膠顆粒越小，SCC強(qiáng)度越高；摻量在10%～20%時(shí)，橡膠顆粒越大，SCC強(qiáng)度越高；摻量超過(guò)25%時(shí)，對(duì)3組SCC強(qiáng)度降低趨勢(shì)相近。

圖7 28 d條件下3組抗壓強(qiáng)度曲線

綜合圖4～7分析得出： 廢舊橡膠再生骨料的摻量和粒徑尺寸都會(huì)影響SCC的抗壓強(qiáng)度。主要原因有4點(diǎn)：一是廢舊橡膠再生骨料自身強(qiáng)度比較小，加入混凝土中使混凝土過(guò)渡區(qū)的缺陷增多，最終使混凝土的強(qiáng)度降低；二是廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質(zhì)，與水泥石的黏結(jié)性比較差，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度很低，最終導(dǎo)致混凝土中骨料與水泥石之間的界面強(qiáng)度降低；三是摻量越多，橡膠顆粒比表面積越大，由于其引氣性和吸水性雙重特點(diǎn)，引氣性占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致SCC強(qiáng)度大幅度下降；四是摻量增多，廢舊橡膠顆粒呈聚團(tuán)現(xiàn)象，顆粒粒徑越小，聚團(tuán)現(xiàn)象越明顯，顆粒粒徑越大，對(duì)SCC和易性影響越大，強(qiáng)度下降越明顯。

4 結(jié)論

根據(jù)橡膠顆粒以單摻、復(fù)摻兩種不同方式加入SCC50中對(duì)工作性和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律得出：

1) 在SCC50拌合過(guò)程中摻入廢舊橡膠顆粒后，會(huì)在混凝土水化凝結(jié)過(guò)程中降低SCC50施工性能。橡膠顆粒摻量不超過(guò)15%時(shí)，混凝土流動(dòng)性變化不明顯，隨橡膠顆粒摻量增加，混凝土流動(dòng)性有增大的趨勢(shì)；在橡膠顆粒摻量超過(guò)15%時(shí)，坍落擴(kuò)展度又開(kāi)始下降而且下降幅度很明顯，甚至出現(xiàn)輕微的離析現(xiàn)象。粒徑越大，降低越明顯，綜合比較單摻1～3 mm的和易性降低程度偏小。

2) 在SCC50拌合過(guò)程中摻入橡膠顆粒后會(huì)降低其力學(xué)性能。隨橡膠顆粒摻量增多，SCC抗壓強(qiáng)度都有下降趨勢(shì)，采用單摻和復(fù)摻方式混凝土抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)大致相同；與普通混凝土相比，橡膠顆粒摻入后強(qiáng)度下降比較明顯。造成這種現(xiàn)象的原因是：廢舊橡膠再生骨料自身強(qiáng)度比較小，使混凝土過(guò)渡區(qū)的缺陷增多，混凝土強(qiáng)度降低；廢舊橡膠再生骨料本身隸屬于惰性物質(zhì)，與水泥石的黏結(jié)性比較差，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度很低；摻量越多，橡膠顆粒的引氣性占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致SCC強(qiáng)度大幅度下降；摻量增多，廢舊橡膠顆粒呈聚團(tuán)現(xiàn)象。

3) 橡膠顆?？梢愿纳芐CC50的脆性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程裂縫出現(xiàn)的數(shù)量和時(shí)間也可以證明橡膠顆粒的摻入可以改善SCC脆性大的缺點(diǎn)?；鶞?zhǔn)混凝土在荷載較小時(shí)，表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的細(xì)裂紋，當(dāng)荷載持續(xù)增加達(dá)到破壞時(shí)，試塊突然發(fā)生崩裂，發(fā)生脆性破壞。當(dāng)橡膠顆粒摻量低于10%時(shí)，混凝土試塊表面在壓力作用下，先在表面出現(xiàn)一些細(xì)微裂縫，隨著壓力的增大這些細(xì)微裂縫才會(huì)逐漸連匯貫通，表現(xiàn)出延性破壞。當(dāng)橡膠顆粒摻量達(dá)到10%以上時(shí)，混凝土脆性會(huì)得到明顯轉(zhuǎn)變，延性得到提高。