自密實橡膠再生混凝土的工作性能與力學性能

王連坤，劉杰，林文皓，梁錫東

（五邑大學 土木建筑學院，廣東 江門 529020）

自密實混凝土最早于1988 年由岡村甫教授在日本東京研制成功，因其良好的工作性能在世界范圍內得到廣泛的關注，并被應用在各種工程領域[1-3]. 在社會快速發展的當下，人們的環保意識越來越強，如何資源化處理建筑垃圾和廢舊輪胎成為了熱點. 有學者發現用再生粗骨料替代天然粗骨料、橡膠顆粒替代天然細骨料能實現建筑垃圾及廢舊輪胎的資源化再利用. 用再生粗骨料、再生細骨料取代混凝土中的粗、細天然骨料，通過三水平四因素的正交試驗法，文獻[4]發現混凝土的力學性能隨再生骨料取代率的增加而降低，在100%再生粗骨料取代的情況下混凝土強度仍能滿足結構工程的需求[4]；吳春梅等[5]研究發現新拌混凝土的坍落擴展度隨著再生粗骨料取代率的增加而提高. 近年來，橡膠再生混凝土的研究也開始得到關注，薛剛等[6]研究發現隨著橡膠用量的增加，橡膠混凝土的抗壓強度呈下降趨勢；而馬昆林等[7]研究發現當橡膠取代量超過10%時，自密實混凝土的強度會顯著降低，但是，摻入橡膠能提高混凝土的韌性以及抗氯離子滲透的能力；Thong M. Pham 等[8]研究發現橡膠混凝土抗沖擊性能優于普通混凝土；張克等[9]研究發現，經司班40 及十二烷基苯磺酸鈉對橡膠顆粒的改性處理，提高了混凝土的早期強度；周航等[10]研究發現當橡膠摻量越大、粒徑越小時，會造成混凝土含氣量增加、力學性能下降；屠艷平[11-12]等研究發現橡膠粒徑1～3 mm、摻量3%時，混凝土的各項性能較優，同時復摻納米SiO2和橡膠粉可以互相彌補自身對于再生混凝土造成的不利因素的影響. 本文將自密實混凝土、廢棄橡膠顆粒及再生粗骨料三者結合，研究在低橡膠摻量下自密實橡膠再生混凝土的工作性能及力學性能，以期為后期的工程應用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗原料

試驗所用原料如下：水泥選用江山牌P·O42.5R 級水泥，天然粗骨料為粒徑范圍5～20 mm 天然碎石，再生粗骨料為江門市某新型建材有限公司生產的粒徑范圍 5～20 mm 的再生碎石，砂為細度模數為2.8 的天然河砂，橡膠顆粒為都江堰市華益橡膠有限公司生產的10 目橡膠顆粒，水為普通自來水，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，外加劑選用聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗配合比設計

基準組配比的依據是JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》[13]，根據拌合物中粗骨料體積、砂漿中砂的體積分數、水膠比及各材料的比例參數，配置C40 設計強度的混凝土. 采用內摻法，用再生粗骨料等體積取代天然碎石，取代率為30%、50%、100%；橡膠顆粒等體積取代天然河砂，取代率為5%、10%，配合比如表1 所示.

表1 自密實橡膠再生混凝土配合比

1.3 試驗方法

本次試驗制作了12 組試件，即72 塊150mm×150mm×150mm的立方體試件及36塊150mm×150mm×300mm 棱柱體試件. 混凝土試件拆模后在標準環境下養護28d，并依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]對試件進行相關力學性能試驗，試驗過程如圖1 所示.

圖1 混凝土試驗過程

2 試驗結果及分析

2.1 工作性能

本文根據文獻[13]方法來測定各試驗組混凝土拌合物的坍落擴展度、T500經流時間及J 環擴展度.工作性能測試過程如圖2 所示，結果如表2 所示.

圖2 自密實橡膠再生混凝土工作性能測試

表2 自密實橡膠再生混凝土工作性能試驗結果

從表2 可以看出，隨著再生骨料和橡膠顆粒摻量的增加，自密實混凝土坍落擴展度、J 環擴展度隨之降低，而T500經流時間則隨之增大. 當再生骨料的取代率為100%，橡膠取代率為10%時，坍落擴展度、J 環擴展度比基準組下降了22.1%、24.3%，而T500經流時間增加了57.7%. 根據《自密實混凝土應用規程》表 4.1.2，對于一般的普通鋼筋混凝土結構坍落擴展度應滿足 SF2（660～755 mm）. 顯然再生骨料取代率為100%，無論是否摻加橡膠，混凝土拌合物的坍落擴展度均無法滿足SF2 的要求.

造成混凝土拌合物工作性能降低的原因有以下幾個方面：經過破碎后，再生骨料外表殘余部分水泥砂漿，其表面粗糙、多棱角，比表面積大、吸水率大，再生骨料的缺陷使得配置再生混凝土單位需水量比普通混凝土大，造成了混凝土拌合物的流動性損失也大；另一方面，橡膠顆粒表面較為粗糙，隨著摻量的增加，增加了混凝土拌合物的摩阻力.

2.2 力學性能

2.2.1 立方體抗壓強度試驗

立方體抗壓強度與再生骨料取代率關系的試驗結果如圖3 所示. 隨著再生骨料與橡膠顆粒摻入量的增加，立方體抗壓強度隨之降低；在同一橡膠摻量下，當再生骨料取代率大于 30%時，混凝土強度下降較快；在橡膠摻量為0%時，骨料取代率分別為30%、50%、100%時，立方體抗壓強度比普通混凝土分別下降了4.4%、15.2%、20.2%；在橡膠摻量為5%時，相應骨料取代率下的抗壓強度下降了 9.1%、17.1%、24.6%；在橡膠摻量為10%時，則分別下降了14.1%、22.2%、31.4%.

圖3 立方體抗壓強度與再生骨料取代率關系曲線

造成混凝土立方體抗壓強度降低的主要原因在于：再生粗骨料內部的微裂縫在軸向力作用下容易出現應力集中，從而降低混凝土的強度；由于橡膠顆粒與混凝土之間的彈性模量差異較大，橡膠顆粒的變形性能優于混凝土材料，強度低于混凝土，當受到荷載作用時，混凝土內部出現應力集中，從而降低了立方體抗壓強度.

2.2.2 軸心抗壓強度試驗

軸心抗壓強度與再生骨料取代率關系的試驗結果如圖4 所示，隨著再生骨料與橡膠顆粒摻入量的增加，軸心抗壓強度隨之降低；當再生骨料的取代率大于30%時，混凝土軸心抗壓強度降幅增大；在橡膠摻量為0%，骨料取代率分別為30%、50%、100%時，軸心抗壓強度比普通混凝土下降了7.2%、18.3%、24%；在橡膠摻量為 5%時，相應骨料取代率的軸心抗壓強度下降了10.4%、23.5%、29.6%；在橡膠摻量為10%時，則分別下降了15.2%、26.5%、31.7%.

圖4 軸心抗壓強度與再生骨料取代率關系曲線

造成混凝土軸心抗壓強度降低有如下幾方面原因：再生骨料內部的微裂縫在軸向力作用下容易出現應力集中；因再生骨料表面附著舊水泥砂漿而與新水泥砂漿之間的粘結較為薄弱；橡膠顆粒強度較低，造成橡膠與砂漿界面粘結強度低于砂漿的強度，因此混凝土軸心抗壓強度降低.

2.2.3 劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉強度與再生骨料取代率關系的試驗結果如圖5 所示，隨著再生骨料與橡膠顆粒取代率增加，劈裂抗拉強度下降；在橡膠摻量為0%，骨料取代率分別為30%、50%、100%時，劈裂抗拉強度比普通混凝土下降了 3%、12%、19.7%；在橡膠摻量為 5%時，相應骨料取代率下的強度分別降低了4.8%、14.4%、24.7%；在橡膠摻量為10%時，則分別下降了8.8%、15.4%、26.9%.

圖5 劈裂抗拉強度與再生骨料取代率關系曲線

造成混凝土劈裂抗拉強度下降的主要因素有：再生骨料表面殘余的水泥砂漿降低了再生骨料與新水泥砂漿之間的粘結強度；橡膠材料的憎水性，降低了橡膠顆粒與砂漿之間的粘結性能.

3 力學性能指標換算關系

3.1 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度換算關系

過鎮海[15]指出軸心抗壓強度隨立方體抗壓強度而單調增長，其比值范圍為0.70 ～0.92，而李旭平[16]發現再生混凝土與普通混凝土f c/fcu的比值范圍為0.78～0.79，并提出了如下再生混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度換算公式：

自密實橡膠再生混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系如圖6 所示，鑒于軸心抗壓強度強度與立方體抗壓強度換算關系形如f c=afcu，通過對試驗數據的擬合，本文提出軸心抗壓強度與立方體抗壓強度力學性能換算關系如下：

圖6 軸心抗壓與立方體抗壓強度關系曲線圖

3.2 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度換算關系

肖建莊[17]研究發現再生混凝土的劈裂抗拉強度比普通混凝土低，用下式計算再生混凝土的劈裂抗拉強度：

自密實橡膠再生混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度關系如圖7 所示. 本文借鑒肖建莊劈裂抗拉強度計算公式，對自密實橡膠再生混凝土劈裂抗拉及立方體抗壓強度數據進行擬合，得到如下換算關系：

4 結論

對再生骨料、廢棄橡膠顆粒制備的自密實橡膠再生混凝土進行工作性能和基本力學性能試驗研究，混凝土的工作性能及力學性能隨兩種替代物摻量的增加而降低，其中粗骨料取代率為30%～50%時力學性能指標降幅最大，橡膠顆粒摻量在5%～10%時工作性能降低最明顯. 因此建議在制備自密實橡膠再生混凝土時，粗骨料取代率為30%、橡膠顆粒摻量為5%. 擬合的基本力學性能指標換算公式表明，對該類型混凝土結構進行設計時，立方體抗壓強度與軸心強度之間的換算關系可采用《混凝土結構設計規范》給定的普通混凝土相應指標.

本文研究工作性能和力學性能時，僅考慮了再生骨料和橡膠顆粒摻量的影響，后續還可進一步探討橡膠粒徑對自密實橡膠再生混凝土性能的影響，并通過數值模型系統闡述自密實橡膠再生混凝土的破壞機理.