改性橡膠透水混凝土基本性能研究★

劉蘭君，閻宇彤

(商丘工學院土木工程學院,河南 商丘 476000)

0 引言

隨著城市化的快速推進,城市地表被密實的混凝土材料所覆蓋,由此引發(fā)諸多問題,最為突出的是城市內(nèi)澇,近年來,全國受暴雨襲擊的城市越來越多,每逢暴雨就會出現(xiàn)城市看海的情況,為解決這一問題,國家提出海綿城市發(fā)展戰(zhàn)略[1-3]。

透水混凝土是由歐美、日本等國家針對城市道路路面的缺陷開發(fā),使用的一種鋪裝材料,這種材料能讓雨水流入地下,有效補充地下水,緩解城市的地下水位急劇下降等等的一些城市環(huán)境問題[4-6]。透水混凝土作為海綿城市建設中重要的材料,發(fā)揮著重要的作用,我國對透水混凝土的研究起步相對較晚,并且由于透水混凝土多孔結構特點,導致混凝土力學性能及耐久性相對較差,從而導致透水混凝土在廣泛推廣應用中受到限制[7-11]。

廢舊橡膠作為工業(yè)發(fā)展的廢棄物,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,汽車制造業(yè)的發(fā)展,淘汰廢棄的輪胎數(shù)量激增從而導致廢棄橡膠數(shù)量越來越多,據(jù)不完全統(tǒng)計,2022年廢舊輪胎的數(shù)量達到5億條,總重超過2 100萬t作為一種數(shù)量極為豐富的固體廢棄物,通常采用掩埋、焚燒的處理方式,而高分子橡膠是一種難溶難分解的高彈性的材料,簡單粗暴的處理方式造成了嚴重的環(huán)境污染[12-14],但是,橡膠具有高彈性、耐磨性特點,將其用于透水混凝土中,可以極大的改善透水混凝土的性能,特別是變形性能和耐久性,不僅可以實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的再利用,還可以有效提高混凝土的性能[15-18]。

試驗研究了在一定改性橡膠摻量和粒徑下,天然骨料粒徑對透水混凝土性能的影響,研究了改性橡膠粒徑、摻量對透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)、28 d抗壓抗折強度以及抗折強度與抗壓強度的關系,為廢棄橡膠在透水混凝土中的應用提供理論依據(jù)。

1 原材料及配合比設計

1)骨料。透水混凝土對骨料的要求,除了形成骨架,提供強度,還要求保持一定的空隙,提高排水能力。試驗采用單一粒徑骨料,分為4組,第1組:2.5 mm～5 mm,第2組:5 mm～10 mm,第3組:10 mm～16 mm,第4組:16 mm～20 mm。各組表觀密度和堆積密度見表1。

表1 骨料表觀密度和堆積密度

2)水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,各項技術指標符合GB 175—2020通用硅酸鹽水泥的要求,表觀密度為3 100 kg/m3。

3)廢舊橡膠。廢棄橡膠采用河北石家莊市燕西加工廠的橡膠,4組粒徑分別是10目、30目、60目、80目,其粒徑分別對應的是2 mm,0.6 mm,0.25 mm,0.18 mm,其改性方法為:氧化-尿素改性,NaOH溶液改性后,用高錳酸鉀溶液在60 ℃恒溫下氧化,并持續(xù)添加高錳酸鉀,同時保持pH在2～3之間,保持30 min,清水沖洗2遍。橡膠摻量,以水泥質(zhì)量百分數(shù)記,分別為:5%,10%,15%,20%。

4)水為市政自來水,滿足JGJ 63—2006混凝土用水標準的相關要求。

5)減水劑為聚羧酸高效減水劑,摻量為水泥質(zhì)量的1%。

6)配合比設計,透水混凝土配合比設計依據(jù)CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術規(guī)程的規(guī)定進行計算。當10目橡膠摻量10%,不同骨料粒徑的配合比見表2。

表2 10目橡膠摻量10%,各組配合比

骨料粒徑10 mm～16 mm時,分別采用10目、30目、60目、80目橡膠,摻量分別為5%,10%,15%,20%時,配合比設計結果見表3。

表3 改性橡膠透水混凝土配合比設計

7)拌和。當前對透水混凝土拌和的研究缺乏定量的數(shù)據(jù)佐證,難以全面系統(tǒng)地反映各攪拌方式的特點。主要有一次投料法、水泥凈漿法和石子裹漿法3種,試驗采用文獻推薦的石子裹漿法,拌和流程如圖1所示。

2 試驗方法

分別依據(jù)CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技術規(guī)程、GB/T 50081—2019普通混凝土力學性能試驗方法標準、GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性實驗方法標準、標GB/T 16925—1997混凝土及其制品耐磨性實驗方法進行孔隙率、透水系數(shù)、抗壓、抗折強度試驗。

3 試驗結果及分析

1)當10目橡膠摻量10%,氧化-尿素改性后,不同骨料粒徑的抗壓強度如表4所示。

表4 10目、摻量10%、不同骨料粒徑28 d抗壓強度

從試驗結果可以看到,隨著骨料粒徑增加,28 d抗壓強度先增加后減小,在10 mm～16 mm時達到最大。在16 mm以內(nèi)時,骨料粒徑增加,總表面積減小,骨料內(nèi)摩擦增加,與水泥漿的黏結力增加從而導致透水混凝土力學性能增加。如果骨料增加到16 mm～20 mm,由于骨料之前的孔隙率增加,孔隙率對強度的控制超越內(nèi)摩擦力成為主導作用,導致透水混凝土強度開始降低。

所以,透水混凝土骨料粒徑控制在10 mm～16 mm較為理想。

2)骨料粒徑10 mm～16 mm時,分別采用10目、30目、60目、80目橡膠,摻量分別為5%,10%,15%,20%時,透水混凝土28 d抗壓強度、抗折強度、孔隙率、透水系數(shù)試驗結果見表5。

表5 試驗結果

由表5和圖2可知,廢舊橡膠的摻入降低了透水混凝土的孔隙率,摻量越多,降低的越多。橡膠顆粒10目時,摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目時,分別降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目時,分別降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目時,分別降低了25%,34%,40%,47%。目數(shù)越大降低的越多。在小摻量5%時,10目橡膠、30目橡膠、60目橡膠對孔隙率的降低都在10%以內(nèi)。橡膠顆粒越小,對孔隙率的降低越明顯,80目橡膠對孔隙率的降低明顯增加。

由表5和圖3可知,廢舊橡膠降低了透水混凝土的透水系數(shù),摻量越大,影響越大,橡膠顆粒越小,降低越顯著,橡膠顆粒為80目,透水混凝土的透水系數(shù)降低程度明顯加劇。橡膠顆粒10目時,摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目時,分別降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目時,分別降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目時,分別降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目時,在橡膠摻量5%時,降低不超過5%,80目橡膠摻量為20%,透水系數(shù)降低了63.7%。

由于橡膠的摻入,堵塞了原有透水混凝土滲流通道,降低了孔隙率,從而降低了透水混凝土的滲透系數(shù)。

由表5和圖4可知,摻入10目橡膠時,摻量5%,透水混凝土抗壓強度提高了12.7%,摻量10%時,抗壓強度提高6.4%,摻量為15%,20%,分別降低了7.4%和36.7%;摻入30目橡膠時,摻量為5%時,抗壓強度提高8.8%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了1.4%,14.8%,25.4%;摻入60目橡膠時,摻量5%時,抗壓強度提高1.7%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了4.2%,8.5%,14.5%;摻入80目橡膠時,摻量為5%,10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。摻入10目的橡膠5%時,透水混凝土抗壓強度達到最大31.9 MPa。在小摻量時,粒徑較大時,廢棄橡膠的摻入,降低了透水混凝土的孔隙率,提高密實度,從而在一定程度上增加了透水混凝土的強度。但是隨著摻量的增加,顆粒粒徑的減小,透水混凝土的強度開始降低,并且摻量越大,粒徑越小,降低程度越大。本文認為,在孔隙率較大時,孔隙率對強度的影響起控制作用,降低孔隙率能明顯提高強度,當孔隙率降低到一定程度時,骨料性質(zhì)、骨料與水泥漿之間的截面黏結力以及骨料的總表面積起控制作用,橡膠摻量增大、粒徑減小時,骨料強度降低,骨料總表面積增大,漿骨比相對減小,同時,橡膠顆粒與水泥漿黏結力小于石子與水泥漿的黏結力,從而導致了在摻量較大、橡膠目數(shù)增加時,透水混凝土抗壓強度降低。

由表5和圖5可知,摻入10目橡膠時,摻量5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了13%,4.3%,摻量為15%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低34.8%,56.5%;摻入30目橡膠時,摻量為5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了0,21.7%,摻量為15%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低26.1%,34.8%;摻入60目橡膠時,摻量為5%,10%,15%時,透水混凝土抗折強度分別提高了13%,26%,4.3%,摻入20%時,降低了47.8%;摻入80目橡膠時,摻量為5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了4.4%,8.7%,摻量為5%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低13%,34%。60目,摻量為15%時,抗折強度提高最大,達到2.9 MPa,其次是30目、摻量15%時,達到2.8 MPa。

由于普通混凝土是脆性材料、透水混凝土孔隙率大,抗折強度較低,廢舊橡膠填充了透水混凝土孔隙,同時橡膠固有彈性比混凝土好,所以出現(xiàn)粒徑不同、摻量不同時,導致透水混凝土抗折強度不同程度的提高,但是,當摻量比較大,粒徑較小時,漿骨比、截面黏結強度對抗折強度起控制作用,抗折強度開始降低。

對比橡膠顆粒對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響,橡膠對抗折強度的改善較為有利。

3)改性橡膠透水混凝土抗折強度與抗壓強度的關系。為分析改性橡膠透水混凝土抗折強度與抗壓之間的變化關系,取10目橡膠的各摻量下的抗折和抗壓強度進行擬合,如圖6所示。

擬合結果顯示,改性橡膠透水混凝土抗折強度與抗壓之間呈線性關系,斜率0.118,R2=0.9。

4 結論

試驗考察了氧化-尿素改性橡膠對透水混凝土基本性能的影響。

1)考察了不同骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度的影響,10目橡膠摻量10%時,粒徑分別是2.5 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～16 mm,16 mm～20 mm 4組,從試驗結果可以看出,隨著骨料粒徑增加,28 d抗壓強度先增加后減小,在10 mm～16 mm時達到最大。

2)橡膠顆粒10目時,摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了2.9%,13%,27.5%,33.3%;30目時,分別降低了5.1%,19.6%,24.5%,29.7%;60目時,分別降低了8%,25.4%,34.8%,37.7%;80目時,分別降低了25%,34%,40%,47%。目數(shù)越大降低的越多。在小摻量5%時,10目橡膠、30目橡膠、60目橡膠對孔隙率的降低都在10%以內(nèi)。橡膠顆粒越小,對孔隙率的降低越明顯,80目橡膠對孔隙率的降低明顯增加。

3)廢舊橡膠降低了透水混凝土的透水系數(shù),摻量越大,影響越大,橡膠顆粒越小,降低越顯著,橡膠顆粒為80目,透水混凝土的透水系數(shù)降低程度明顯加劇。橡膠顆粒10目時,摻量為5%,10%,15%,20%,分別降低了0.3%,8.2%,15.1%,16.9%;30目時,分別降低了1.8%,12.4%,17.2%,19%;60目時,分別降低了4.8%,15.1%,20.2%,23.9%;80目時,分別降低了12.4%,30.5%,42%,63.7%。在10目、30目、60目時,在橡膠摻量5%時,降低不超過5%,80目橡膠摻量為20%,透水系數(shù)降低了63.7%。

4)摻入10目橡膠時,摻量5%,透水混凝土抗壓強度提高了12.7%,摻量10%時,抗壓強度提高6.4%,摻量為15%,20%,分別降低了7.4%和36.7%;摻入30目橡膠時,摻量為5%時,抗壓強度提高8.8%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了1.4%,14.8%,25.4%;摻入60目橡膠時,摻量5%時,抗壓強度提高1.7%,摻量為10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了4.2%,8.5%,14.5%;摻入80目橡膠時,摻量為5%,10%,15%,20%,抗壓強度分別降低了4.2%,6.4%,14.8%,19.1%。摻入10目的橡膠5%時,透水混凝土抗壓強度達到最大31.9 MPa。

5)摻入10目橡膠時,摻量5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了13%,4.3%,摻量為15%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低34.8%,56.5%;摻入30目橡膠時,摻量為5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了0,21.7%,摻量為15%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低26.1%,34.8%;摻入60目橡膠時,摻量為5%,10%,15%時,透水混凝土抗折強度分別提高了13%,26%,4.3%,摻入20%時,降低了47.8%;摻入80目橡膠時,摻量為5%,10%時,透水混凝土抗折強度分別提高了4.4%,8.7%,摻量為5%,20%時,透水混凝土抗折強度分別降低13%,34%。60目,摻量為15%時,抗折強度提高最大,達到2.9 MPa,其次是30目、摻量15%時,達到2.8 MPa。

6)改性橡膠透水混凝土抗折強度與抗壓強度的關系為y=-1.221+0.118x。