杜 平， 劉書賢， 張 弛,2， 麻鳳海， 王泓懿

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) a.礦業(yè)學(xué)院；b.土木工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000；2．本溪鋼鐵集團(tuán)建設(shè)有限責(zé)任公司， 遼寧 本溪 117000； 3．大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622；4．阜新宇城建筑設(shè)計(jì)有限公司， 遼寧 阜新 123000)

橡膠集料混凝土是通過(guò)在混凝土中添加廢舊橡膠顆粒配制而成的新型混凝土，在普通混凝土的基礎(chǔ)上引入一定量的柔性成分，改善混凝土的多種性能。橡膠集料可以通過(guò)機(jī)械破碎篩分工業(yè)廢橡膠、廢舊橡膠輪胎、膠帶膠管等而制成。橡膠集料混凝土屬于半剛性混凝土材料[1,2]，其性能介于普通混凝土與瀝青混凝土之間。

國(guó)外較早開展了對(duì)橡膠集料混凝土的研究， Savas[3]在混凝土中加入一定量的橡膠顆粒，通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為：當(dāng)橡膠摻量為10%～15%時(shí)，其抗凍性能在經(jīng)歷了300次凍融循環(huán)后，跟普通混凝土相比至少提高60%； Paine等[4]認(rèn)為橡膠粉是以固體引氣劑而存在的，只要其在混凝土中分布均勻，就能提高混凝土的抗凍性；Benazzouk和Queneudec[5]使用膨脹橡膠骨料(ERA) 和壓縮橡膠骨料(CRA)兩種不同的橡膠等體積替換骨料，明顯改善了混凝土的抗凍性；國(guó)內(nèi)天津大學(xué)朱涵等[6～9]對(duì)橡膠集料混凝土耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為加入橡膠集料的混凝土的抗?jié)B性能明顯好于普通混凝土，其最佳摻量在5%左右；東南大學(xué)張亞梅等[10,11]重點(diǎn)分析了橡膠混凝土的強(qiáng)度、抗凍與抗?jié)B性能，認(rèn)為橡膠集料混凝土的最佳橡膠摻量為10%；大連理工大學(xué)李靖[12]對(duì)橡膠集料混凝土抗氯離子滲透性能進(jìn)行了試驗(yàn)，認(rèn)為橡膠粒徑為100 mm且其摻量保持在5～30 kg/m3范圍內(nèi)時(shí)，隨著橡膠摻量的遞增，抗氯離子滲透性能與之呈線性關(guān)系。

橡膠混凝土實(shí)現(xiàn)了廢輪胎材料的的循環(huán)利用，還改善了混凝土材料的多種性能。與普通混凝土相比，其力學(xué)性能、隔熱性能、動(dòng)力性能和隔聲性能明顯較好。但是由于橡膠混凝土耐久性涉及的范圍太廣，橡膠集料混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性能、耐磨性、環(huán)境介質(zhì)侵蝕、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕以及上述多重破壞因素耦合作用下材料劣化特性的分析方法等耐久性問(wèn)題更需全面深入研究。本文基于GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用滲透高度法探討了橡膠集料的粒徑、摻量、強(qiáng)度以及孔徑對(duì)CRC抗水滲透性能的影響并對(duì)滲透高度與橡膠摻量、粒徑的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的橡膠集料的表觀密度為1115.7 kg/m3，細(xì)度模數(shù)分別為2.5、3.7、4.7，見(jiàn)圖1；所配制的橡膠集料混凝土的各原材料的主要技術(shù)性能見(jiàn)表1～3。

圖1 三種粒徑的橡膠顆粒

水泥品種0.08 mm篩余量/%標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%凝結(jié)時(shí)間/min初凝終凝安定性抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa3 d28 d3 d28 dP.O42.51.91282∶303∶00合格5.47.6925.047.5

表2 粉煤灰主要技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

表3 磨細(xì)礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)采用等體積取代法：保持總集料體積與砂率不變，用橡膠顆粒取代部分砂子與石子。進(jìn)行在基準(zhǔn)C60混凝土配合比的基礎(chǔ)上，摻入不同粒徑(細(xì)度模數(shù)分別為2.5、3.7和4.7)與摻量(50、100和150 kg/m3)的橡膠集料，對(duì)其進(jìn)行了滲透性的變化規(guī)律研究，配合比詳見(jiàn)表4。

表4 混凝土配合比

注：表4中的序號(hào)按a-RAC-b編號(hào)，CC為基準(zhǔn)混凝土(Control concrete)，RAC為摻橡膠集料混凝土，其中a表示所摻橡膠粉的粒徑：80-80目、100-100目、120-120目；b表示橡膠粉的摻量：1-50 kg/m3、2-100 kg/m3、3-150 kg/m3。

試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的混凝土抗水滲透性試驗(yàn)方法：通過(guò)測(cè)定混凝土在恒定水壓力下的滲水高度，用平均滲水高度來(lái)表示混凝土抗水滲透性能，并用該指標(biāo)比較不同混凝土的抗水滲透性能。試驗(yàn)設(shè)備為HS-40型混凝土滲透儀(圖2)。

圖2 橡膠集料摻量對(duì)滲透性的影響

成型混凝土試件的試模為上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的圓臺(tái)體。混凝土試件按表4配合比成型，抗水滲透試驗(yàn)的試件齡期為28 d，采用黃甘油加粉煤灰，將滲透儀水壓力一次加到0.8 MPa，同時(shí)開始記錄時(shí)間。在試件兩端面中心處，按平行方向各放一根6 mm厚的鋼墊條，用壓力機(jī)將試件劈開。將劈開面的底邊十等分，在各等分點(diǎn)處量出滲水高度。以各等分點(diǎn)滲水高度的平均值作為該試件的最終滲水高度。

試件滲水高度按下式計(jì)算：

(1)

一組試件的平均滲水高度按下式計(jì)算：

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橡膠集料混凝土抗水滲透試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)分析了不同橡膠粒徑及摻量的橡膠集料混凝土在0.8 MPa恒定壓力下的滲透高度。

圖3 橡膠集料對(duì)滲透性影響試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠集料的摻量和粒徑是影響混凝土滲透性能的主要因素。從圖3可以看出，對(duì)于2.5～5 mm的橡膠顆粒，當(dāng)橡膠顆粒摻量分別為50、100和150 kg/m3時(shí)，其滲透高度比其它兩組滲透高度要低，其抗?jié)B性能明顯優(yōu)于摻1.25～2.5 mm的橡膠顆粒。而對(duì)于橡膠粒徑為1.25～2.5 mm的橡膠集料混凝土其抗?jié)B性能明顯高于摻1.25 mm以下橡膠粉的混凝土。這表明橡膠粒徑越大其抗?jié)B性能越好。隨著橡膠摻量的增加，在同一粒徑范圍內(nèi)其滲透高度呈遞減趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橄鹉z本身為高分子材料，且表面粗糙不吸收水分，而且橡膠顆粒較橡膠粉切斷毛細(xì)孔連續(xù)作用更加明顯，從而使得毛細(xì)孔變得更加分散，延長(zhǎng)了毛細(xì)孔的滲水通道，使毛細(xì)孔更加曲折，增加了水在混凝土孔隙中擴(kuò)散的難度，最終使得抗?jié)B透性能提高。而小粒徑的橡膠粉則起不到同等作用。由此可知：大粒徑的橡膠顆?？擅黠@改善混凝土的滲透性能，橡膠顆粒粒徑越大，滲流通路得到有效延長(zhǎng)，滲透高度降低，提高了抗?jié)B性能。

在相同粒徑條件下，橡膠摻量越高其抗?jié)B性能越好，當(dāng)橡膠摻量為150 kg/m3時(shí)，滲透高度最低。橡膠粒徑為2.5～5 mm和1.25～2.5 mm的橡膠集料混凝土，其摻量在100 kg/m3與150 kg/m3時(shí)滲透高度呈下降趨勢(shì)，但降低幅度減小。1.25 mm以下的橡膠粉摻量在100 kg/m3與150 kg/m3時(shí)滲透高度降低幅度很大。其主要原因是混凝土是固、液、氣三相并存的由水泥石包裹骨料的多孔材料，水泥石與骨料界面的過(guò)渡區(qū)以及橡膠與水泥砂漿包裹的界面處是孔隙較多的薄弱部位，然而由于橡膠集料這種表面粗糙的高分子材料的加入使得混凝土中含氣量增加，氣泡的增加及橡膠集料自身的疏水作用，使得混凝土中的毛細(xì)孔曲折度增加，延長(zhǎng)了混凝土的滲水通道，最終阻止了混凝土中的毛細(xì)孔成為貫通連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從而表現(xiàn)出抗?jié)B性能較好。

對(duì)于1.25 mm以下的橡膠粉摻量在100 kg/m3與150 kg/m3時(shí)滲透高度降低幅度很大，主要原因是橡膠粉粒徑較小，在相同摻量的條件下，橡膠顆粒的數(shù)量增多，橡膠顆粒與水泥砂漿界面處的薄弱部位增多，因而滲透性能降低，當(dāng)摻量在100 kg/m3與150 kg/m3時(shí)，混凝土中由于橡膠顆粒引入的氣泡增多，緩解了橡膠與水泥砂漿界面薄弱部位帶來(lái)的危害，因而滲透性能有所提高。

2.2 橡膠集料混凝土抗?jié)B性的微觀分析

進(jìn)一步深入分析膠粉摻量對(duì)橡膠集料混凝土的影響機(jī)理，需要從混凝土微觀結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 橡膠集料塑性混凝土的掃描電鏡像

分析圖4(a)可知，當(dāng)橡膠集料混凝土在50倍鏡像下時(shí)，水泥石表面有許多大小不一閉口孔斷面的凹坑，閉口孔的形成是由于在對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌時(shí)，添加橡膠集料引入氣體所致。由于細(xì)集料砂子的顆粒直徑大于橡膠集料，而且橡膠集料是憎水性高分子材料，在其表面容易吸附氣泡，因此，橡膠集料在混凝土中具有引氣功能，能夠明顯改善混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，所形成閉口孔可以有效的阻止毛細(xì)孔貫通，提高橡膠集料混凝土的抗?jié)B性能。

分析圖4(b)，當(dāng)橡膠集料混凝土在100倍鏡像下時(shí)，出現(xiàn)較多的裂縫和空隙。這主要是由于水泥石與骨料粘結(jié)不牢產(chǎn)生的，在外界水壓力作用下，非常容易形成連通孔隙的滲水通道，影響混凝土的抗?jié)B性能；

分析圖4(c)，當(dāng)橡膠集料混凝土在1000倍鏡像下時(shí)，發(fā)現(xiàn)微小裂縫出現(xiàn)在表面光滑的閉口孔隙。并且裂縫連通孔隙，形成滲水通道，降低了混凝土抵抗水壓力的能力；

分析圖4(d)，當(dāng)橡膠集料混凝土在4000倍鏡像下時(shí)，發(fā)現(xiàn)微小孔隙大量存在橡膠集料性混凝土中，圖中孔隙尺寸最大為3.68 um。在水壓力作用下，這些微小的孔隙會(huì)容易形成連通的孔隙，降低混凝土的抗?jié)B性能。

3 結(jié) 論

(1)橡膠集料混凝土在相同的橡膠集料摻量條件下，橡膠粒徑越大其抗?jié)B性能越好，在相同粒徑條件下，橡膠摻量越高其抗?jié)B性能越好。

(2)混凝土是一種多孔非均質(zhì)材料，總孔隙率與混凝土的滲透性沒(méi)有必然聯(lián)系，而最可幾孔徑與臨界孔徑則能反應(yīng)混凝土孔隙連通狀況，通過(guò)分析可知橡膠集料混凝土最可幾孔徑均大于普通混凝土，且孔徑分布也趨于均勻。這明顯改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)的連通性，有利于提高混凝土的抗?jié)B性。

(3)橡膠集料混凝土與普通混凝土不同，其強(qiáng)度并不能決定其滲透性能，而是由橡膠集料的摻量、粒徑、孔結(jié)構(gòu)、水灰比等多種因素耦合確定的。

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