橡胶粒径和掺量对橡胶混凝土胶砂性能的影响

时间：2024-09-28

丁丽芳，张思雨，姚雪涛

（河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北保定 071000）

1 研究背景

随着国民经济的快速发展，我国汽车保有量逐年增长，随之轮胎的产量和废旧轮胎的数量持续增多。据统计，2018年，我国废旧轮胎产生量多达 3.8 亿条，重量约 1459 万 t。废旧橡胶轮胎属于工业有害固体废弃物，其自然分解需要长达数百年的时间。如果不采取有效措施进行合理处置或回收利用，不但会造成严重的环境污染，而且也是对资源的极大浪费[1]。

可持续发展是我国近年来提出的一项基本国策，而废弃物的循环利用与合理处置无疑是发展循环经济，实现可持续发展的重大举措[2]。将废旧橡胶轮胎破碎成橡胶粉，掺入到混凝土拌合物中，不但能增加混凝土构件的韧性，改善其抗冲击性和抗震性能，同时又能解决大量废旧橡胶的处置及回收利用问题[1]。因此，橡胶混凝土的研究和应用具有一定的经济效益、环保效益和社会效益，它代表着混凝土研究的新方向。

本研究采用两种不同粒级的橡胶粉进行复配，通过橡胶胶砂流动度、强度对比试验对橡胶粉的粒级、掺量等影响因素进行研究，为橡胶混凝土的研究提供参考依据。

2 试验部分

2.1 原材料

（1）橡胶粉：选用唐山市玉田县正兴轮胎制造有限公司生产 30 目和 50 目两种橡胶粉，其中 30 目所对应的筛孔尺寸为 0.600mm 标准目数，50 目所对应的筛孔尺寸为 0.300mm 标准目数。两种橡胶粉按照 1:1、1:2、2:1 的比例复配，分别记为 a、b、c，堆积密度分别为 415kg/m3、408kg/m3和 422 kg/m3。

（2）水泥：选用河北京兰 P·O42.5 水泥，主要性能指标见表 1。

（3）砂：保定满城河砂，细度模数 2.6，属于 Ⅱ区中砂，级配良好，其他性能指标见表 2。

（4）水：饮用水。

表 1 水泥的主要性能指标

表 2 砂的主要性能指标

2.2 试验设计

本研究中胶砂试验的目的是为橡胶混凝土研究提供参考，所以胶砂试验所使用的原材料与混凝土试验相同，并未选用基准水泥和标准砂。

因橡胶粉与天然砂的堆积密度相差较大，故本研究采用等体积取代法，以避免等质量取代引起体积砂率的变化。

依据 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》和 GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》相关规定，本研究以灰砂比 1:3、水灰比 1:2的水泥胶砂为基准，将橡胶粉 a、b、c 分别以 5%、10%、15%、20% 的掺量等体积取代天然砂，制得橡胶胶砂，然后进行胶砂流动度、胶砂试件 28d 抗折强度、28d 抗压强度等试验。

3 试验结果及分析

在不同橡胶粒级和掺量下，各组橡胶胶砂的流动度、抗压强度、抗折强度及压折比的测试结果见表 4。

3.1 胶砂流动度

在不同橡胶粒级和掺量下，各组橡胶胶砂的流动度测量结果如图 1 所示。

表 4 橡胶胶砂的流动度及强度测试数据

图 1 橡胶粉掺量与胶砂流动度的关系

结果表明：（1）随着橡胶粉掺量的增加，橡胶胶砂流动度均呈先增大后减小的趋势，其拐点均出现在10% 掺量；（2）在 5% 和 10% 掺量时，胶粉 b 所制得胶砂的流动度最大，在 15% 和 20% 掺量时，胶粉 c所制得胶砂的流动度最大；（3）各胶粉所制得胶砂在20% 掺量时均大于基准胶砂的流动度。

首先，橡胶粉是憎水性高分子材料，在其表面容易吸附气泡，因此，橡胶粉在砂浆中具有引气功能。在胶砂拌制过程中，掺入橡胶粉会引入气泡，在橡胶粉外表面被气泡包裹与砂浆形成滚珠效应，减小了其间的摩擦力，随着橡胶粉掺量的增加，滚珠效应越加明显，使得胶砂流动度变大；其次，橡胶粉又具有吸水性，当橡胶粉粒级减小时，其比表面积变大，增加了表面湿润的需水量，随着掺量的增加，其吸水效应越加明显，就会导致胶砂流动度的减小；第三，橡胶粉的加入，在一定掺量范围内，会起到优化砂的颗粒级配的作用，从而影响胶砂流动度。

本试验中，橡胶胶砂流动度在以上三种因素的共同作用下发生改变。掺量较低时，橡胶粉滚珠效应的影响大于吸水效应，胶砂流动度明显变大；随着橡胶粉掺量的增加，吸水效应的影响逐渐增大，胶砂流动度开始变小，但依然大于基准胶砂的流动度。在掺量相同时，不同橡胶粉的胶砂流动度由其粒级所决定，根据橡胶粉复配的比例可知，三种橡胶粉的粒级为 b＜a＜c，所以，掺量相同时，胶粉 b 吸水效应最强，胶粉 c 滚珠效应最强，其胶砂流动度也应为 b＜a＜c，这与 15%、20% 掺量的实测数据相符；但在 5%、10% 掺量时实测为 a＜c＜b，分析其原因，应为在此掺量时，胶粉 b 的取代优化了砂的颗粒级配，使得胶砂流动度增大。

3.2 胶砂强度

在不同橡胶粒级和掺量下，橡胶胶砂试体 28d 抗折强度、28d 抗压强度及压折比的测试结果见图 2、图 3、图 4。其中，压折比为抗压强度与抗折强度的比值，是材料韧性的衡量指标，压折比越小，表明材料的韧性越好，即抗裂性能越好。

图 2 橡胶粉掺量与 28d 抗折强度的关系

图 3 橡胶粉掺量与 28d 抗压强度的关系

图 4 橡胶粉掺量与压折比的关系

以上测试结果表明：（1）随着橡胶粉掺量的增加，橡胶胶砂试体的抗折强度呈下降趋势，掺量为5%、10%、15% 时，胶粉 c 的抗折强度最高，掺量为20% 时，胶粉 a 的抗折强度最高；（2）随着橡胶粉掺量的增加，橡胶胶砂试体的抗压强度呈下降趋势，掺量为 5% 时，胶粉 b 的抗压强度最高，掺量为 10%、15%、 20% 时，胶粉 c 的抗压强度最高；（3）随着橡胶粉掺量的增加，橡胶胶砂试体的压折比呈下降趋势，掺量为 5% 时，胶粉 b 的压折比最高，掺量为 10%、15%、20% 时，胶粉 c 的压折比最高。

胶砂试体抗折强度与抗压强度下降的原因主要有两方面：首先，相对于砂，橡胶颗粒的硬度较小，因此，在荷载作用下，橡胶胶砂试件内部橡胶颗粒的变形与周围水泥砂浆的变形不一致，实际承载面积相对变小，导致橡胶胶砂强度性能下降；其次，橡胶作为有机高分子材料，与水泥浆体粘结较弱，造成界面粘结强度较低，界面破坏的可能性增加，导致试体强度减小。

本试验中，橡胶胶砂试体的抗折强度、抗压强度均随胶粉掺量增加呈下降趋势，说明影响胶砂试体强度的主要因素为胶粉掺量，而与胶粉粒级关系不大；胶砂试体的压折比随胶粉掺量增加也呈下降趋势，说明相对于抗折强度，抗压强度的下降幅度较大，同时也表明随着胶粉掺量的增加，胶砂试体的韧性逐渐增强。