掺橡胶粉路面混凝土配合比正交设计试验研究

刘巧平， 高久平， 原通鹏， 王 江

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

掺橡胶粉路面混凝土配合比正交设计试验研究

刘巧平， 高久平， 原通鹏， 王 江

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

通过对掺橡胶粉混凝土的抗折强度和弹性模量等性能研究，利用正交设计试验法选取了水胶比、橡胶粉掺量、减水剂掺量和橡胶粉粒径4个因素及各因素对应的3水平，对橡胶粉混凝土抗折强度和弹性模量等影响因素及最优配合比组合进行探讨，结果表明：橡胶粉掺量和水胶比是影响混凝土性能的显著因素。

橡胶粉混凝土； 配合比; 正交设计； 抗折强度； 弹性模量

0 前言

随着汽车工业的迅猛发展，大量的废旧橡胶轮胎的产生及堆积已构成了严重的“黑色污染”。对废旧橡胶材料加工、掺入路面混凝土中，不仅解决了废旧橡胶对环境的污染，而且利用橡胶粉具有良好弹性这一特性将其应用于路面混凝土中，逐渐发展成为一种新型的“橡胶粉混凝土”环保绿色材料[1]。与普通混凝土相比，掺橡胶粉混凝土具有轻质、良好的弹性、韧性、减震性、抗冲击性和降噪、隔音等特点，并被定义为“弹性混凝土”[2-6]。

混凝土中掺入橡胶粉，由于是弹性介质，相当于在混凝土内部形成微小弹簧元，因此在受力破坏时能吸收更多的能量，增大了混凝土的韧性[7]。本研究运用正交设计试验法对水胶比、减水剂掺量、橡胶粉掺量、橡胶粉粒径大小4个因素，选取3个水平来安排正交优选试验，以较少的试验次数来确定各影响因素的主次顺序和影响程度，找到最佳的配合比设计方案[8]。

1 正交试验方案

1.1 试验目的

配制橡胶粉路面混凝土配合比，使其在水胶比、减水剂掺量、橡胶粉掺量、橡胶粉粒径大小合理的情况下，混凝土拌合物工作性、硬化混凝土抗折强度和弹性模量表现最佳。

1.2 制定因素水平表

本试验考察的因素及水平见表1。

表1 试验考察的因素和水平

1.3 选择正交表、安排正交试验

本研究为4因素3水平，选用L9(34)正交表(见表2)安排试验。

表2 L9(34)正交试验表

2 试验结果及分析

2.1 混凝土拌合物工作性

混凝土拌合物的工作性是混凝土的一项重要技术性质，直接关系到混凝土拌合物便于现场施工操作，并获得质量均匀、密实的混凝土。本次试验使用坍落度方法测定了橡胶粉混凝土的流动性，并观测了混凝土的粘聚性和保水性。

坍落度试验结果如表3所示，结果表明：

1) 由极差计算结果比较(表4)可知，影响坍落度因素的主次顺序是： 减水剂掺量、水胶比、橡胶粉掺量、橡胶粉粒径。

2) 减水剂掺量和水胶比变化引起混凝土坍落度变化，符合一般规律；随橡胶粉掺量增加，坍落度变化呈现减小的趋势；随橡胶粉粒径减小，坍落度变化呈现减小的趋势，但变化趋势不明显。

3) 新拌混凝土的坍落度均保持在40～70 mm范围内，保水性和粘聚性良好，没有离析和泌水现象发生，能满足路面混凝土现场施工要求。

试验结果分析，坍落度随橡胶粉掺量增加而呈现减小趋势，其原因是由于橡胶颗粒表面粗糙不平，毛刺较多，增加了橡胶粉的表面积，橡胶粉表面吸收的水分也较多，使得混凝土中自由水减小，坍落度降低。

表3 橡胶粉混凝土坍落度试验结果 mm

表4 坍落度影响因素的正交分析

2.2 混凝土拌合物表观密度

表观密度试验结果如表5所示，结果表明，影响表观密度的主要因素(表6)是橡胶粉掺量，次要因素是水胶比，橡胶粉粒径和减水剂掺量是不显著因素，仅为主要因素的1/11～1/25，可以忽略不计。

橡胶粉混凝土拌合物表观密度随橡胶粉掺量增加而减小，主要原因是橡胶粉的密度在1160 kg/m3左右，远小于细集料的密度2580 kg/m3，当橡胶粉等体积取代一部分细集料后，造成橡胶粉混凝土的表观密度下降。

表5 橡胶粉混凝土表观密度试验结果 (kg·m-3)

表6 表观密度影响因素的正交分析

2.3 橡胶粉混凝土抗折强度

橡胶粉混凝土抗折强度试验结果如表7所示，结果表明，影响抗折强度因素(表8)的主要因素是： 水胶比，次要因素是橡胶粉掺量，不显著因素是橡胶粉粒径和减水剂掺量。

路面混凝土抗折强度是混凝土路面的一项重要控制指标，其大小是否满足设计要求，直接影响到路面的整体质量及使用寿命[9]。橡胶粉作为具有良好变形性能的高分子材料，以细集料的形式掺入路面混凝土中，一方面能有效改善路面混凝土的脆性特点，使抗折强度相对增大；另一方面作为有机高分子材料，与水泥浆体之间的黏结力较弱，橡胶粉的掺量越多，这种薄弱接触面积就越大[10]，从而导致混凝土抗折强度降低。

表7 橡胶粉混凝土抗折强度试验结果 MPa

表8 抗折强度影响因素的正交分析

2.4 橡胶粉混凝土弹性模量

橡胶粉混凝土弹性模量试验结果如表9所示，结果表明：

1) 由极差计算结果比较(表10)可知，影响橡胶粉混凝土弹性模量的主要因素是橡胶粉掺量，次要因素是水胶比，橡胶粉粒径和减水剂掺量是不显著因素。

2) 橡胶粉混凝土的弹性模量随橡胶粉掺量的增加而降低，降低幅度明显。当橡胶粉掺量为6%时，弹性模量降低12%左右；当橡胶粉掺量为12%时，弹性模量降低24%左右。

3) 橡胶粉混凝土的弹性模量随橡胶粉粒径的减小而降低，降低幅度不显著，当橡胶粉粒径从20～30目变化至60～80目时，弹性模量降低3%左右。

表9 橡胶粉混凝土弹性模量试验结果 GPa

表10 弹性模量影响因素的正交分析

结果分析，水泥混凝土是一种刚性材料，橡胶粉是有机高弹性材料，弹性模量远小于细集料，约为7.8 MPa，具有优越的抗拉强度及高变形能力。橡胶粉等体积取代细集料后，使得混凝土中分布大量的微小弹性体，从而有效改善混凝土的弹性变形性能，显著降低混凝土的弹性模量，提高了混凝土的韧性。

3 结语

1) 对于考虑多因素影响的掺橡胶粉混凝土来说，采用正交试验法能科学地设计试验方案，以较少的试验次数获得尽量多的试验信息，通过对相关数据进行直观和极差分析，获得各因素的不同水平对混凝土相关性能的影响程度，从而得到较佳的配合比设计方案。

2) 试验结果表明，坍落度的影响因素主次顺序是：减水剂掺量、水胶比、橡胶粉掺量、橡胶粉粒径，最优组合为第7试验号，较优组合为第5试验号，但第7试验号橡胶粉掺量为0，所以实际可采纳的最优组合为第5试验号。

3) 橡胶粉掺入路面混凝土中，一方面能有效改善混凝土的脆性特点，使抗折强度相对提高；另一方面作为有机高分子材料与水泥浆体之间的黏结力较弱，导致混凝土抗折强度降低。在橡胶粉适量掺量的情况下，相对于水胶比来说，为影响混凝土抗折强度的次要因素。

4) 在路面混凝土中掺入橡胶粉能有效降低混凝土的弹性模量，提高混凝土的变形能力，应用于混凝土路面中能够解决路面断板和裂缝通病，在受弯拉作用时能产生较大变形而不破坏。

[1] 彭光达. 橡胶粉对水泥混凝土性能的影响[D].天津: 河北工业大学,2012.

[2] 黄琼念. 橡胶粉水泥混凝土路用性能及机理分析研究[J]. 人民长江，2009(8)：58-62.

[3] 马凌云. 橡胶混凝土材料性能的试验研究[D]. 郑州:华北水利水电学院,2012.

[4] 吴章涛. 橡胶水泥混凝土物理力学性能研究[D]. 长沙:长沙理工大学,2011.

[5] 江永奇. 碾压橡胶混凝土配合比设计研究[D]. 天津:天津大学,2007.

[6] 刘春生.橡胶集料混凝土的研究及应用[D].天津：天津大学，2005.

[7] 朱涵.新型弹性混凝土的研究综述[J].天津建设科技，2004(2)：35-37.

[8] 蔡正咏. 路面混凝土配合比正交设计的试验研究[J]. 公路交通科技，1993(1)：1-11.

[9] 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社，2002.

[10] 杨若冲，谈至明，黄晓明，等.硅灰改性橡胶混凝土路用性能研究[J].公路交通科技，2010,27(10)：6-10.

2017-05-11

湖南省交通科技项目(201210)

刘巧平(1974-)，女，实验师，从事公路水运工程试验检测工作。

1008-844X(2017)02-0001-03

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