橡胶集料混凝土物理力学性能研究

摘要   本文研究了橡胶集料混凝土的物理力学性能及收缩性能。实验中用废轮胎橡胶颗粒部分取代等体积细集料，分析了不同橡胶掺量对混凝土强度的影响，比较了不同橡胶集料混凝土的收缩情况。结果表明掺入橡胶的水泥混凝土强度降低，收缩量较大。

关键词   橡胶混凝土 收缩 物理力学性能

 

前言

　　随着汽车工业的发展，据中国橡胶工业协会轮胎分会报道我国2001年汽车轮胎生产超过一亿套，2006年前十家轮胎企业生产的轮胎就已经超过1.3亿条，废旧轮胎的数量每年以13%以上的速度递增，在发达国家已成为公害。废旧轮胎不易分解，如何合理的回收和再利用仍然是一大难题。目前对废橡胶轮胎常用的处理方法主要有：1、将轮胎破碎成橡胶粉末生产橡胶制品；2、作为燃料；3、一些特殊用途，比如制造碳黑、人造礁石等；4、废橡胶轮胎破碎成粉末应用在沥青混凝土中，橡胶沥青混凝土有较好的抗滑性能，减少了道路的疲劳开裂，延长了使用寿命[1-3]。对于橡胶粉掺入水泥混凝土中的研究，国际上始于20世纪90年代，研究发现，在混凝土中掺加橡胶粉可以改善混凝土的延性，有利于结构抗震，橡胶混凝土具有轻质、隔声、较好的耐久性。可以应用到道路以及桥梁路面以及高抗震地区建筑[4]。但研究发现，掺入了橡胶粉末的水泥混凝土强度明显降低，如何改善其强度是橡胶混凝土面临的主要问题。此外橡胶混凝土收缩性能的研究还少有报道，而混凝土的收缩是影响混凝土耐久性的重要因素，收缩量过大会导致混凝土开裂，混凝土的开裂将导致结构渗漏、钢筋锈蚀、强度降低，进而削弱其耐久性，引起结构物破坏及坍塌的危险，从而严重影响建筑物的安全性能与使用寿命。针对以上问题，本文主要研究了橡胶混凝土的物理力学性能以及收缩。

1.1 材料

　　水泥为北京琉璃河水泥厂金隅牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为普通河砂，粗骨料为碎石，橡胶粉来自北京平安创世体育设施有限公司。各种材料的物理性能如下：细骨料细度模数为2.54，表观密度为2450kg/m3，堆积密度为2390 kg/m3；粗骨料，表观密度为2660 kg/m3，最大粒径20mm；橡胶粒径主要分布在1.18mm-2.36mm之间，小于1.18mm较少，颗粒堆积密度为604kg/m3，表观密度为1080 kg/m3，具体级配见表1。可再分散胶粉聚合物（Redispersible Polymer Powders简称RPP）：罗建科技公司出产的DA-1420型号的可再分散乳胶粉，此胶粉为水溶性再分散粉末，为乙烯、醋酸乙烯酯共聚物，以聚乙烯醇作为保护胶体。固含量99±1%，灰分10±2（wt%）。采用了两种减水剂：AS氨基系高效减水剂，粉末状固体，减水率约为30%；PC聚羧酸减水剂，液体，固含量为25%，减水率约为25%。

 

 

1.2 实验方法

　　混凝土物理力学性能按GB/T 50080-2002以及GB/T 50081-2002进行，抗压和劈裂试件尺寸为150mm×150mm×150mm，抗折试件为150mm×150mm×600mm， 轴心抗压试件为150mm×150mm×300mm。收缩试件尺寸为100mm×100mm×515mm，试件成型后在相对湿度90±5%条件下养护一天后脱模，以此时试件长度作为零点基准长度，然后在相对湿度60±5%的环境下养护至规定龄期。

1.3 配合比

　　橡胶质量是水泥质量的10%、20%、30%，用橡胶等体积替代砂子，具体配合比见表2。

 

 

　　混凝土物理性能实验结果见表3。由表3可以看出，3天、28天抗压强度随橡胶的掺量增加而降低，橡胶掺量越多强度下降越多，劈裂强度、抗折、轴心抗压强度都与抗压强度呈相同的趋势。从破坏形态上看，不掺橡胶的混凝土达到极限强度时混凝土很快被压碎。掺橡胶的混凝土在达到极限强度时没有明显的压碎迹象，具有一定的残余强度。轴心抗压与立方体抗压破坏情况基本相同。从劈裂破坏形态上看，不掺橡胶的混凝土达到极限强度时，混凝土被完全劈开，甚至粗骨料出现破坏，而橡胶混凝土达到极限破坏强度时，混凝土没有被完全劈开，仅仅出现了一道裂纹。抗折的破坏形态与劈裂基本相同。此外，抗折强度与抗压强度的比值简称折压比，由表3可以看出掺橡胶混凝土的28天折压比明显比不掺橡胶的混凝土要高，该种性能可以用于对抗折强度要求较高的工程中，比如道路和桥梁的路面结构等。表3中使用了两种减水剂，聚羧酸和氨基磺酸盐减水剂，由强度、坍落度以及扩展度结果来看，使用氨基减水剂的混凝土明显要比使用聚羧酸的混凝土强度高，且减水效果比较好。在橡胶混凝土中掺入不同比例的可再分散胶粉，见试件5、6、7，它们的具体物理力学性能与不掺可再分散胶粉的橡胶混凝土相比，有以下几点变化：1）它们的抗压强度略有下降；2）劈拉强度有所提高；3）抗折强度也有所提高。

2.2 橡胶混凝土收缩实验

 

 

　　图1表示了试样1-1、2-1、3-1、4-1的早期收缩率随时间的变化情况，可以看出橡胶混凝土的早期收缩要比普通混凝土大，其中橡胶集料掺量最大的试件4-1的收缩率也最大，其次是试件3-1、2-1，不掺加橡胶集料的普通混凝土试件1-1的收缩率最小。混凝土的收缩变形主要与水泥的品种和用量、水灰比、骨料的性质、粒径和含量、养护条件、使用期的环境条件、构件的形状和尺寸等有关。混凝土的收缩变形是不可避免的，其主要原因是水泥水化生成物的体积小于原物料的体积（化学性收缩），以及水份蒸发后骨料颗粒受毛细管压力的压缩（物理性收缩）。此外，空气中的二氧化碳和混凝土表面的碳化作用，也引起少量的局部收缩[5]。混凝土因水化热与干缩等非荷载因素引起的变形受到自身的约束，与骨料有很大的关系，由于橡胶混凝土部分细骨料为橡胶，橡胶的弹性模量要远比其他骨料小[6]，其约束收缩变形的能力很小，所以橡胶混凝土的收缩要比普通混凝土的收缩大。由于橡胶混凝土的收缩比较大，因此橡胶混凝土不适于用在体积稳定性要求较高的结构中，如预应力混凝土。

3 结论

　　与普通集料混凝土相比，橡胶集料混凝土的力学性能会明显降低，但抗折强度与抗压强度比值和延性都有所提高；与聚羧酸减水剂相比，本实验中氨基磺酸盐减水剂对混凝土物理力学性能具有较优的影响，且减水效果较好；掺加可再分散胶粉的橡胶混凝土与普通橡胶混凝土相比，抗压强度有所降低、劈拉强度和抗折强度略有提高；橡胶混凝土的收缩较大，在早期阶段尤为明显，不适宜用在体积稳定性要求较高的结构或构件中。